Au long du 20e siècle, le niveau de vie des pays de l’Amérique du Nord a pu augmenter rapidement grâce à une réserve d’énergie abondante et à coût modique. Depuis les trois dernières décennies, le coût de l’énergie est en augmentation constante. La demande en énergie n’a cessé d’augmenter, et la consommation d’énergie mondiale a également augmenté avec l’accroissement de la demande en pétrole de certains pays, dont la Chine et la Russie.

Une autre apparition relativement récente est la sensibilité de la population face à l’environnement dans lequel elle vit. La qualité de l’air devient un facteur de plus en plus important chez les scientifiques et les citoyens, qui désirent vivre dans un espace où l’air est au maximum de sa pureté.

En 1997, des dirigeants du Canada et de 160 autres pays se sont réunis à Kyoto au Japon et ont visé la diminution des gaz à effet de serre produits dans chaque pays. Le Canada a pris pour cible la réduction de 6% des gaz à effet de serre produits en 1990 pour la période entre 2008 et 2012. Le pays vise à atteindre ses objectifs par des actions domestiques qui permettront des avantages environnementaux aux canadiens. Ces buts permettront aussi des investissements en nouvelles technologies avancées et écologiques.

Le stockage thermique 

Une grande tranche de l’énergie consommée au Canada est utilisée dans des édifices commerciaux pour des fins de chauffage et de climatisation. Étant donné que les heures de travail se situent normalement durant la journée, l’édifice est souvent climatisé durant ces mêmes heures. Puisqu’une grande majorité des activités humaines se font le jour, la demande d’énergie d’une région n’est pas égale pendant la longueur d’une journée entière.

Puisqu’une forte demande ajoute des coûts d’infrastructure aux fournisseurs d’énergie, le coût de la demande énergétique en kilowatts peut devenir aussi élevé que le coût de l’énergie en kilowattheures. Pour réduire ce coût, il y a un innovation qui a été utilisée depuis quelques années: le stockage thermique. Au lieu d’utiliser toute l’énergie requise pour climatiser ou chauffer un édifice durant la journée, où les prix de l’énergie sont élevés, l’on peut stocker une quantité de l’énergie requise le jour durant la nuit sous forme de chaleur latente. Lors de la saison de refroidissement, de la chaleur latente est accumulée la nuit en transformant un grand réservoir d’eau en glace et en utilisant cette glace pour climatiser ou refroidir durant la journée. En fondant, la masse de glace accumulée absorbe la chaleur du système.

Cette utilisation de l’énergie n’est pas aussi efficace énergétiquement que le cas où un refroidissement direct est effectué durant la journée mais permet de réduire la demande, et les coûts, de façon impressionnante.

La plupart des systèmes existants utilisent une de deux méthodes pour transférer la chaleur dissipée à la glace. Une des méthodes est d’injecter de l’eau dans le réservoir. L’eau fond la glace, refroidit, et sert d’eau froide pour les systèmes de climatisation. Dans l’industrie, ce dernier procédé est couramment nommé eau de fonte ou « meltwater ». Plusieurs études ont été faites pour modéliser ce type transfert de chaleur .

L’autre méthode de transférer de la chaleur à la glace est de placer un circuit de tuyaux distinct dans l’eau devenue glace et de circuler une saumure, un mélange de glycol et d’eau, qui doit être refroidie. Bien qu’il soit efficace, il y a certains problèmes associés à ce système. Selon l’expérience de l’auteur, à certaines basses températures, la saumure devient très visqueuse et difficile à circuler. L’eau se dissocie du glycol et de la glace peut se former sur la paroi interne du tuyau. Une pompe est aussi requise pour circuler le mélange.

Sur certains systèmes, le chargement et le déchargement du réservoir de glace s’effectuent sur le même circuit de tuyaux et saumure. La saumure est refroidie par un système de réfrigération et circulée dans le réservoir pour former la glace, et la même saumure peut être utilisée pour refroidir un procédé en mode de déchargement.

Les caloducs 

Aux débuts de l’ère spatiale dans les années 1960, les ingénieurs de la NASA étaient confrontés à un problème thermique particulier. Lorsqu’un côté d’un satellite était exposé au soleil, ce côté devenait très chaud, et le côté inverse, très froid. Cette différence de température affectait les systèmes électroniques du satellite. Pour cette raison, ils se sont tournés au Los Alamos National Laboratory, qui ont développé un outil efficace permettant de transférer de la chaleur : le caloduc, ou en anglais « heat pipe». Depuis ce temps, le caloduc demeure un des moyens les plus efficaces de transporter de la chaleur entre deux endroits.

L’appareil est essentiellement un tube fermé aux deux bouts, d’abord évacué, ensuite chargé d’une petite quantité de matière réfrigérante. Le bout évaporateur du tube, où réside du réfrigérant sous forme liquide, absorbe de la chaleur et le liquide s’évapore. La vapeur se dirige vers le bout condenseur, où elle rejette la chaleur dans un environnement plus frais, se condense, et retourne à l’évaporateur.

Le retour du liquide à l’évaporateur peut être effectuée par deux façons. Le caloduc sans aucune structure capillaire, aussi nommé thermosiphon, peut être incliné de façon que le liquide puisse retourner à l’évaporateur, situé plus bas, par action de la gravité. Le caloduc peut aussi contenir une mèche avec lequel le réfrigérant liquide retourne à l’évaporateur par capillarité. Le premier type doit être incliné à un certain angle et le deuxième fonctionne à tout angle, mais performe mieux à l’angle du premier.

Puisque la chaleur latente du réfrigérant est utilisée pour transporter de la chaleur, une grande quantité de chaleur est donc transférée avec de faibles gradients de température. Le transport est passif puisque le caloduc s’active avec une différence de température entre les deux extrémités. Le caloduc est un outil de transfert de chaleur tellement efficace que la résistance thermique de l’appareil est souvent négligeable par rapport aux autres résistances du système.

L’utilisation de caloducs dans le système de stockage thermique permettrait d’éliminer une des parties mobiles du système : la pompe de circulation du fluide lors du déchargement du réservoir de glace. Si des caloducs étaient insérés stratégiquement à travers la paroi du réservoir, ils pourraient transporter la chaleur directement d’un conduit d’air vers la glace du réservoir. Au lieu de d’utiliser la chaleur sensible du liquide transporteur comme dans le système précédent, la chaleur latente du réfrigérant est utilisée. Les variations de pression dans le tube assurent que le fluide s’évapore et se condense dans une grande plage de températures. La température du réfrigérant est la température d’opération, qui est généralement la moyenne entre la température des éléments chaud et froid à l’extérieur du tuyau.

Pour maximiser le transfert de chaleur du côté de l’air, les caloducs peuvent être équipés d’ailettes, permettant d’augmenter la surface de contact et de maximiser le transfert de chaleur entre l’air et les tubes. Aucune ailette n’est placée sur le côté condenseur car elles pourraient être endommagés par la formation de glace dans le réservoir.

Dans ce système de stockage thermique, le transfert de chaleur de l’air à la glace s’effectuerait à l’intérieur des caloducs sans apport d’énergie, sans pièces mobiles et raccords de liquide circulatoire. Le seul élément requerrant de l’énergie est un ventilateur pour forcer l’air dans l’échangeur de chaleur. Ce mémoire se concentre donc sur la modélisation · mathématique et l’expérimentation d’un système à stockage thermique froid utilisé en conjonction avec des caloducs.