Conception des matériaux architecturés appliqués au bâtiment et cahier des charges

Introduction

Dans le chapitre précédent, l’état de l’art sur les MCP a permis d’identifier les familles potentiellement susceptibles d’ˆetre utilisées dans un système de stockage par chaleur latente pour le bâtiment. Les caractéristiques requises pour les matériaux afin de satisfaire nos objectifs imposent une recherche de multifonctionnalité, plus particulièrement de stockage et de puissance de restitution. La première fonction, le stockage, est remplie par l’intermédiaire des MCP. La deuxième fonction est satisfaite par l’intermédiaire des matériaux dits architecturés. Mais quel est le meilleur choix parmi les familles proposées ? Comment réaliser le choix de ces matériaux ? Dans la littérature, diverses méthodes de sélection existent, notamment celle développée par Ashby et al. [10]. Cette méthode consiste `a traduire le cahier des charges en indices de performance pour évaluer la performance de la solution. Nous proposons d’adapter cet outil de sélection au domaine du bâtiment. Aussi, l’utilisation des matériaux architecturés dans le domaine du bâtiment appelle d’autres questionnements. Une architecture complexe est-elle nécessaire ? Comment parvenir `a l’optimiser ? Une fois le classement des matériaux potentiels réalisé, la méthode doit alors ˆetre en mesure d’établir le chemin d’optimisation. Les lois d’homogénéisation de la littérature permettant d’obtenir les propriétés équivalente homogènes, les matériaux architecturés peuvent alors ˆetre comparés aux matériaux monolithiques. Un ensemble d’outils, soit existants, soit `a développer, pouvant ˆetre utilisés pour la conception d’un matériau sur mesure, a été identifié. 

 Top-down methodology

Description générale de la méthode

 La figure 2.1 montre schématiquement la méthodologie développée lors de ce travail de thèse pour la conception des matériaux sur mesure et dénommée Top-down Methodology. Dans cette figure, trois échelles coexistent. La première d’entre elles est l’échelle de l’application `a traiter, le bâtiment. Le principal objectif, `a cette échelle, est de déterminer le cahier de charges du système de stockage qui satisfait la stratégie d’effacement du système de chauffage. La deuxième échelle est celle du système de stockage latent. Ici, l’objectif principal est d’obtenir des indicateurs de performances permettant l’évaluation du système de stockage. Enfin, la troisième échelle est celle des matériaux constituants le matériau solution. Le but principal, `a cette échelle, est de déterminer l’architecture du matériau solution. Notre travail consiste `a établir des liens entre les différentes échelles pour ainsi obtenir un matériau sur mesure répondant efficacement `a l’objectif donné. Deux étapes sont donc mises en évidence pour accomplir ce travail. A chaque étape, des outils numériques sont ` développés (si nécessaire) afin de réaliser le lien. Ces étapes sont l’objet d’une description détaillée dans les lignes qui suivent. 

Première étape : Bâtiment → propriétés équivalentes homogènes 

La conception d’un matériau optimal passe par l’adaptation du matériau `a l’application souhaitée. Dans le cadre de cette thèse, cette application est un bâtiment résidentiel. Le bâtiment est un environnement complexe. Non seulement par son interaction forte avec l’extérieur mais aussi par le très grand nombre de facteurs intervenant lors de sa conception et de son fonctionnement. Les avancées de l’informatique et le recueil d’un grand nombre d’informations pour la constitution d’une base de données (matériaux, climat, scénarios) ont permis le développement d’une grande variété de logiciels (TRNSYS, Energy Plus, Codyba, etc) simulant le bâtiment et son environnement en régime dynamique. Les systèmes dynamiques ne sont pas `a l’équilibre : `a tout instant, les températures des éléments d’étude peuvent varier en fonction des échanges thermiques (conduction, convection, rayonnement). L’arrivée de la simulation numérique en régime dynamique a permis d’estimer les consommations énergétiques en tenant compte de l’enveloppe du bâtiment, des systèmes énergétiques, de différents scénarios possibles (occupation, activité electrique, climat, …). La première étape de la méthodologie consiste `a établir un lien entre l’objectif `a satisfaire et les propriétés du système de stockage. Par rapport `a notre objectif défini dans le chapitre précédent (section 1.1.2), la stratégie choisie pour réaliser le lissage des pics d’appel en puissance consiste en un effacement complet du système de chauffage pendant ces périodes de forte demande. Le cahier des charges de la solution proposée est défini `a partir des simulations numériques réalisées sur l’application type retenue en utilisant le logiciel de simulation dynamique du bâtiment TRNSYS. Le critère choisi pour le cahier des charges est la puissance de décharge nécessaire pour réaliser l’effacement des pics d’appel en puissance. Un outil numérique modélisant le système de stockage latent a été développé. Cet outil est en mesure de prendre en compte la principale caractéristique de nos matériaux potentiels : le changement de phase. L’analyse du système de stockage permet d’identifier des indicateurs de performance. Une évaluation du comportement du système de stockage peut ˆetre réalisée via ces indicateurs. Les indicateurs déterminés sont donc capables de fournir les propriétés matériaux et fonctionnelles du système de stockage nécessaires pour atteindre nos objectifs. Le couplage entre ces deux outils permet donc d’établir une relation (via les indicateurs) entre les deux échelles en question, `a savoir le bâtiment (échelle structure) et le matériau (échelle meso). Les indicateurs développés sont liés aux fonctions souhaitées de grande capacité de stockage et forte puissance de restitution et permettent la recherche d’un matériau optimal pour répondre au problème posé. 

Deuxième étape : Propriétés équivalentes homogènes → Sélection/Conception d’un matériau optimal 

La première étape permet l’analyse du système de stockage pour notre cas d’étude et la détermination des indicateurs. Ces indicateurs sont utilisés pour établir une classification de matériaux existants potentiels. Les matériaux existants sont donc analysés pour savoir s’il en existe un qui réponde `a notre objectif. Pour cela, les indicateurs liés `a la capacité de stockage et `a la puissance de restitution permettent d’établir une cartographie (Indicateur 1 vs. Indicateur 2) pour avoir une distribution des matériaux dans l’espace particulier qui nous intéresse. L’analyse réalisée au préalable fournit le couple d’indicateurs (Indicateur1, Indicateur2) de chaque matériau. Dans le cas de nos travaux, la maximisation des fonctions souhaitées (stockage et puissance) impose une minimisation des indicateurs. Les matériaux existants les plus proches du point (0,0) de l’espace étudié forment un front de Pareto (ensemble des solutions les plus performantes vérifiant le critère choisi, ici, la puissance de décharge). Dans le cas o`u aucun matériau existant ne répond `a notre cahier de charges, la cartographie permet de guider la recherche d’une solution optimale via l’optimisation des indicateurs. Les lois d’homogénéisation sont utilisées, pour déterminer l’architecture nécessaire. Deux cas de figure se présentent : — soit la conductivité thermique requise n’est pas élevée, la matrice conductrice envisagée peut alors ˆetre construite avec des géométries simples. — soit le besoin en conductivité thermique est important et la matrice conductrice doit ˆetre en mesure de répondre `a cette objectif. L’architecture devient donc un paramètre d’optimisation utile. Dans le premier cas, la quantité de matière est prépondérante (fraction volumique). Dans le deuxième cas, l’architecture doit ˆetre optimisée. Les travaux réalisés par Laszczyk [59] dans le cadre du CPR MAM présentent un outil numérique capable de rechercher la topologie optimale pour des panneaux architecturés. Les propriétés de chaque composant de notre matériau architecturé sont alors connues. Cependant, il se peut, que dans certains cas d’étude, le travail de sélection de matériaux et d’optimisation de l’architecture ne soient pas suffisants pour répondre `a l’objectif imposé, mˆeme si ces outils fournissent le meilleur choix. Ceci nous oriente vers une optimisation du design de la solution proposée. Afin d’appliquer cette méthodologie, la première étape est donc d’établir le cahier de charges pour le dimensionnement du système des stockage.