Enhancing building thermal performance : a review of phase change material integration

Buildings are responsible for over one-third of global energy use and greenhouse gas emissions, with heating and cooling being major contributors. Phase change materials (PCMs) offer a promising passive solution to improve thermal regulation and reduce heating and cooling loads. This review analyses different experimental and simulation-based studies on the integration of PCMs into building structures for enhancing building energy performance. The key variables examined include melting temperature, latent heat capacity, thermal conductivity (λ), PCM positioning (interior, exterior, or embedded), thickness, and climate zone. The results show that PCMs reduce heat transfer by up to 47.6%, stabilize indoor temperatures with up to a 46% reduction in fluctuations, and decrease heating and cooling demands by as much as 31%, depending on component placement and climate. The optimal melting range for moderate climates lies between 22 °C and 28 °C. This review identifies critical trade-offs between PCM quantity, placement, and climatic suitability and provides a matrix of design recommendations for various building types

Stockage d'énergie thermique dans des enveloppes hygroscopiques à base de matériaux biosourcés

The present work investigates the impact of thermal mass improvement on energy consumption and hygrothermal comfort in earthen buildings (soil-fiber mixes). Thus, in a first step, cob and light earth mixtures incorporating microencapsulated phase change materials (PCM) have been prepared. Mechanical, hygroscopic, and thermal behavior of these soil-fiber-PCM mixtures were studied experimentally.Regarding mechanical behavior, PCM incorporation reduced cob compressive strength while conserving its load-bearing capacity. A cob incorporating 10%wt. of PCM decreased its compressive strength by 23 %. On another hand, light earth, given its already low compressive strength, PCM incorporation did not significantly affect this property. Regarding hygroscopic properties, PCM addition has slightly degraded cob and light earth performances. Thus, sorption/desorption isotherms as well as water vapor permeability decreased in both cases. This is assumed to be due to PCM hydrophobic nature. Furthermore, PCM incorporation demonstrated a positive effect on both mixtures' thermal properties. For 10% wt. PCM content, light earth and cob thermal conductivity decreased by 8 % and 14 %, respectively. Considering the thermal conductivity, an optimal dosage of PCM was identified. It is around 10 % wt. for light earth and 5 % wt. for cob. Regarding specific heat capacity, it increased continuously with PCM content for both materials.In a second step, the effect of PCM incorporation on a typical house's energy consumption built with cob and light earth was numerically studied. These studies were carried out by considering two different climates, a rather oceanic climate in the northwest of France (Caen) and a Mediterranean climate (Nice). These simulations revealed a clear improvement of occupant's thermal comfort in the considered single-family house. In light earth case, with 10 %wt. of PCM incorporated, thermal comfort (Givoni) is improved by 10 and 16 points in Caen and Nice, respectively. For cob incorporating 10 %wt. of PCM, thermal comfort (Givoni) is improved by 3 and 7 points in Caen and Nice, respectively. As a result, energy consumption related to heating and cooling would decrease by about 30 % in Caen and 38 % in Nice considering a light earth containing 10 %wt. of PCM. For the same PCM content, cob house is supposed to experience 11 % and 44 % decrease in energy consumption in both cities, respectively.L’objectif du présent travail est l’investigation de l’impact de l’amélioration de la masse thermique sur la consommation d’énergie et le confort hygrothermique dans des bâtiments en terre (mélanges sol-fibre). Ainsi, dans un premier temps, des mélanges de bauge et de terre allégée incorporant des matériaux à changement de phase microencapsulés (PCM) ont été élaborés. Le comportement mécanique, hygroscopique et thermique de ces mélanges sol-fibres-PCM a été étudié expérimentalementDu point de vue mécanique, l’incorporation de PCM a réduit la résistance à la compression de la bauge tout en conservant sa capacité porteuse. Une bauge incorporant 10 % wt. de PCM voit sa résistance à la compression baisser de 23 %. En revanche, la terre allégée, étant donné sa résistance à la compression déjà faible, l’incorporation de PCM ne l’a pas affectée significativement. En ce qui concerne les propriétés hygroscopiques, l’ajout de PCM a dégradé légèrement les performances de la bauge et de la terre allégé. Ainsi, les isothermes de sorption/désorption ainsi que la perméabilité à la vapeur d'eau ont diminué dans les deux cas. Ceci est supposé dû à la nature hydrophobe du PCM. Par ailleurs, l’incorporation de PCM a démontré un effet bénéfique sur les propriétés thermiques des deux mélanges. Pour une teneur en PCM de 10%wt., la conductivité thermique de terre allégée et de la bauge a baissé de 8 % et 14 %, respectivement. En considérant la conductivité thermique, un dosage optimal de PCM a été identifié. Il est de 10 %wt. pour la terre allégée et de 5 %wt. pour la bauge. Pour ce qui est de la capacité thermique massique, elle a augmenté continuellement en fonction de la teneur en PCM pour les deux matériaux.Dans un second temps, l'effet de l’incorporation de PCM sur la consommation énergétique d'une maison typique construite en bauge et en terre allégée a été étudié numériquement. Ces études ont été effectuées en considérant deux climats différents, un climat plutôt océanique dans le nord-ouest de la France (Caen) et un climat méditerranéen (Nice). Ces simulations ont montré une nette amélioration du confort thermique des occupants de la maison individuelle considérée. Dans le cas de la terre allégée avec 10 %wt. de PCM incorporé, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 10 et 16 points à Caen et Nice, respectivement. Pour la bauge incorporant 10 %wt. de PCM, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 3 et 7 points à Caen et Nice, respectivement. En conséquence, la consommation d’énergie liée au chauffage et au refroidissement baisserait d’environ 30 % à Caen et 38 % à Nice en considérant une terre allégée contenant 10% wt. de PCM. Pour la même teneur en PCM, la maison en bauge est supposée voir sa consommation baisser de 11 % et 44 % à Caen et à Nice, respectivement

Improving the Quality and Safety of Drug Use in Hospitalized Elderly : Assessing the Effects of Clinical Pharmacist Interventions and Identifying Patients at Risk of Drug-related Morbidity and Mortality

Older people admitted to hospital are at high risk of rehospitalization and medication errors. We have demonstrated, in a randomized controlled trial, that a clinical pharmacist intervention reduces the incidence of revisits to hospital for patients aged 80 years or older admitted to an acute internal medicine ward. The aims of this thesis were to further study the effects of the intervention and to investigate possibilities of targeting the intervention by identifying predictors of treatment response or adverse health outcomes. The effect of the pharmacist intervention on the appropriateness of prescribing was assessed, by using three validated tools. This study showed that the quality of prescribing was improved for the patients in the intervention group but not for those in the control group. However, no association between the appropriateness of prescribing at discharge and revisits to hospital was observed. Subgroup analyses explored whether the clinical pharmacist intervention was equally effective in preventing emergency department visits in patients with few or many prescribed drugs and in those with different levels of inappropriate prescribing on admission. The intervention appeared to be most effective in patients taking fewer drugs, but the treatment effect was not altered by appropriateness of prescribing. The most relevant risk factors for rehospitalization and mortality were identified for the same study population, and a score for risk-estimation was constructed and internally validated (the 80+ score). Seven variables were selected. Impaired renal function, pulmonary disease, malignant disease, living in a nursing home, being prescribed an opioid and being prescribed a drug for peptic ulcer or gastroesophageal reflux disease were associated with an increased risk, while being prescribed an antidepressant drug (tricyclic antidepressants not included) was linked with a lower risk. These variables made up the components of the 80+ score. Pending external validation, this score has potential to aid identification of high-risk patients. The last study investigated the occurrence of prescription errors when patients with multi-dose dispensed (MDD) drugs were discharged from hospital. Twenty-five percent of the MDD orders contained at least one medication prescription error. Almost half of the errors were of moderate or major severity, with potential to cause increased health-care utilization.

Improving the Quality and Safety of Drug Use in Hospitalized Elderly : Assessing the Effects of Clinical Pharmacist Interventions and Identifying Patients at Risk of Drug-related Morbidity and Mortality

Older people admitted to hospital are at high risk of rehospitalization and medication errors. We have demonstrated, in a randomized controlled trial, that a clinical pharmacist intervention reduces the incidence of revisits to hospital for patients aged 80 years or older admitted to an acute internal medicine ward. The aims of this thesis were to further study the effects of the intervention and to investigate possibilities of targeting the intervention by identifying predictors of treatment response or adverse health outcomes. The effect of the pharmacist intervention on the appropriateness of prescribing was assessed, by using three validated tools. This study showed that the quality of prescribing was improved for the patients in the intervention group but not for those in the control group. However, no association between the appropriateness of prescribing at discharge and revisits to hospital was observed. Subgroup analyses explored whether the clinical pharmacist intervention was equally effective in preventing emergency department visits in patients with few or many prescribed drugs and in those with different levels of inappropriate prescribing on admission. The intervention appeared to be most effective in patients taking fewer drugs, but the treatment effect was not altered by appropriateness of prescribing. The most relevant risk factors for rehospitalization and mortality were identified for the same study population, and a score for risk-estimation was constructed and internally validated (the 80+ score). Seven variables were selected. Impaired renal function, pulmonary disease, malignant disease, living in a nursing home, being prescribed an opioid and being prescribed a drug for peptic ulcer or gastroesophageal reflux disease were associated with an increased risk, while being prescribed an antidepressant drug (tricyclic antidepressants not included) was linked with a lower risk. These variables made up the components of the 80+ score. Pending external validation, this score has potential to aid identification of high-risk patients. The last study investigated the occurrence of prescription errors when patients with multi-dose dispensed (MDD) drugs were discharged from hospital. Twenty-five percent of the MDD orders contained at least one medication prescription error. Almost half of the errors were of moderate or major severity, with potential to cause increased health-care utilization.

Thermal energy storage in hygroscopic envelopes made with biobased materials

L’objectif du présent travail est l’investigation de l’impact de l’amélioration de la masse thermique sur la consommation d’énergie et le confort hygrothermique dans des bâtiments en terre (mélanges sol-fibre). Ainsi, dans un premier temps, des mélanges de bauge et de terre allégée incorporant des matériaux à changement de phase microencapsulés (PCM) ont été élaborés. Le comportement mécanique, hygroscopique et thermique de ces mélanges sol-fibres-PCM a été étudié expérimentalementDu point de vue mécanique, l’incorporation de PCM a réduit la résistance à la compression de la bauge tout en conservant sa capacité porteuse. Une bauge incorporant 10 % wt. de PCM voit sa résistance à la compression baisser de 23 %. En revanche, la terre allégée, étant donné sa résistance à la compression déjà faible, l’incorporation de PCM ne l’a pas affectée significativement. En ce qui concerne les propriétés hygroscopiques, l’ajout de PCM a dégradé légèrement les performances de la bauge et de la terre allégé. Ainsi, les isothermes de sorption/désorption ainsi que la perméabilité à la vapeur d'eau ont diminué dans les deux cas. Ceci est supposé dû à la nature hydrophobe du PCM. Par ailleurs, l’incorporation de PCM a démontré un effet bénéfique sur les propriétés thermiques des deux mélanges. Pour une teneur en PCM de 10%wt., la conductivité thermique de terre allégée et de la bauge a baissé de 8 % et 14 %, respectivement. En considérant la conductivité thermique, un dosage optimal de PCM a été identifié. Il est de 10 %wt. pour la terre allégée et de 5 %wt. pour la bauge. Pour ce qui est de la capacité thermique massique, elle a augmenté continuellement en fonction de la teneur en PCM pour les deux matériaux.Dans un second temps, l'effet de l’incorporation de PCM sur la consommation énergétique d'une maison typique construite en bauge et en terre allégée a été étudié numériquement. Ces études ont été effectuées en considérant deux climats différents, un climat plutôt océanique dans le nord-ouest de la France (Caen) et un climat méditerranéen (Nice). Ces simulations ont montré une nette amélioration du confort thermique des occupants de la maison individuelle considérée. Dans le cas de la terre allégée avec 10 %wt. de PCM incorporé, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 10 et 16 points à Caen et Nice, respectivement. Pour la bauge incorporant 10 %wt. de PCM, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 3 et 7 points à Caen et Nice, respectivement. En conséquence, la consommation d’énergie liée au chauffage et au refroidissement baisserait d’environ 30 % à Caen et 38 % à Nice en considérant une terre allégée contenant 10% wt. de PCM. Pour la même teneur en PCM, la maison en bauge est supposée voir sa consommation baisser de 11 % et 44 % à Caen et à Nice, respectivement.The present work investigates the impact of thermal mass improvement on energy consumption and hygrothermal comfort in earthen buildings (soil-fiber mixes). Thus, in a first step, cob and light earth mixtures incorporating microencapsulated phase change materials (PCM) have been prepared. Mechanical, hygroscopic, and thermal behavior of these soil-fiber-PCM mixtures were studied experimentally.Regarding mechanical behavior, PCM incorporation reduced cob compressive strength while conserving its load-bearing capacity. A cob incorporating 10%wt. of PCM decreased its compressive strength by 23 %. On another hand, light earth, given its already low compressive strength, PCM incorporation did not significantly affect this property. Regarding hygroscopic properties, PCM addition has slightly degraded cob and light earth performances. Thus, sorption/desorption isotherms as well as water vapor permeability decreased in both cases. This is assumed to be due to PCM hydrophobic nature. Furthermore, PCM incorporation demonstrated a positive effect on both mixtures' thermal properties. For 10% wt. PCM content, light earth and cob thermal conductivity decreased by 8 % and 14 %, respectively. Considering the thermal conductivity, an optimal dosage of PCM was identified. It is around 10 % wt. for light earth and 5 % wt. for cob. Regarding specific heat capacity, it increased continuously with PCM content for both materials.In a second step, the effect of PCM incorporation on a typical house's energy consumption built with cob and light earth was numerically studied. These studies were carried out by considering two different climates, a rather oceanic climate in the northwest of France (Caen) and a Mediterranean climate (Nice). These simulations revealed a clear improvement of occupant's thermal comfort in the considered single-family house. In light earth case, with 10 %wt. of PCM incorporated, thermal comfort (Givoni) is improved by 10 and 16 points in Caen and Nice, respectively. For cob incorporating 10 %wt. of PCM, thermal comfort (Givoni) is improved by 3 and 7 points in Caen and Nice, respectively. As a result, energy consumption related to heating and cooling would decrease by about 30 % in Caen and 38 % in Nice considering a light earth containing 10 %wt. of PCM. For the same PCM content, cob house is supposed to experience 11 % and 44 % decrease in energy consumption in both cities, respectively

Stockage d'énergie thermique dans des enveloppes hygroscopiques à base de matériaux biosourcés

The present work investigates the impact of thermal mass improvement on energy consumption and hygrothermal comfort in earthen buildings (soil-fiber mixes). Thus, in a first step, cob and light earth mixtures incorporating microencapsulated phase change materials (PCM) have been prepared. Mechanical, hygroscopic, and thermal behavior of these soil-fiber-PCM mixtures were studied experimentally.Regarding mechanical behavior, PCM incorporation reduced cob compressive strength while conserving its load-bearing capacity. A cob incorporating 10%wt. of PCM decreased its compressive strength by 23 %. On another hand, light earth, given its already low compressive strength, PCM incorporation did not significantly affect this property. Regarding hygroscopic properties, PCM addition has slightly degraded cob and light earth performances. Thus, sorption/desorption isotherms as well as water vapor permeability decreased in both cases. This is assumed to be due to PCM hydrophobic nature. Furthermore, PCM incorporation demonstrated a positive effect on both mixtures' thermal properties. For 10% wt. PCM content, light earth and cob thermal conductivity decreased by 8 % and 14 %, respectively. Considering the thermal conductivity, an optimal dosage of PCM was identified. It is around 10 % wt. for light earth and 5 % wt. for cob. Regarding specific heat capacity, it increased continuously with PCM content for both materials.In a second step, the effect of PCM incorporation on a typical house's energy consumption built with cob and light earth was numerically studied. These studies were carried out by considering two different climates, a rather oceanic climate in the northwest of France (Caen) and a Mediterranean climate (Nice). These simulations revealed a clear improvement of occupant's thermal comfort in the considered single-family house. In light earth case, with 10 %wt. of PCM incorporated, thermal comfort (Givoni) is improved by 10 and 16 points in Caen and Nice, respectively. For cob incorporating 10 %wt. of PCM, thermal comfort (Givoni) is improved by 3 and 7 points in Caen and Nice, respectively. As a result, energy consumption related to heating and cooling would decrease by about 30 % in Caen and 38 % in Nice considering a light earth containing 10 %wt. of PCM. For the same PCM content, cob house is supposed to experience 11 % and 44 % decrease in energy consumption in both cities, respectively.L’objectif du présent travail est l’investigation de l’impact de l’amélioration de la masse thermique sur la consommation d’énergie et le confort hygrothermique dans des bâtiments en terre (mélanges sol-fibre). Ainsi, dans un premier temps, des mélanges de bauge et de terre allégée incorporant des matériaux à changement de phase microencapsulés (PCM) ont été élaborés. Le comportement mécanique, hygroscopique et thermique de ces mélanges sol-fibres-PCM a été étudié expérimentalementDu point de vue mécanique, l’incorporation de PCM a réduit la résistance à la compression de la bauge tout en conservant sa capacité porteuse. Une bauge incorporant 10 % wt. de PCM voit sa résistance à la compression baisser de 23 %. En revanche, la terre allégée, étant donné sa résistance à la compression déjà faible, l’incorporation de PCM ne l’a pas affectée significativement. En ce qui concerne les propriétés hygroscopiques, l’ajout de PCM a dégradé légèrement les performances de la bauge et de la terre allégé. Ainsi, les isothermes de sorption/désorption ainsi que la perméabilité à la vapeur d'eau ont diminué dans les deux cas. Ceci est supposé dû à la nature hydrophobe du PCM. Par ailleurs, l’incorporation de PCM a démontré un effet bénéfique sur les propriétés thermiques des deux mélanges. Pour une teneur en PCM de 10%wt., la conductivité thermique de terre allégée et de la bauge a baissé de 8 % et 14 %, respectivement. En considérant la conductivité thermique, un dosage optimal de PCM a été identifié. Il est de 10 %wt. pour la terre allégée et de 5 %wt. pour la bauge. Pour ce qui est de la capacité thermique massique, elle a augmenté continuellement en fonction de la teneur en PCM pour les deux matériaux.Dans un second temps, l'effet de l’incorporation de PCM sur la consommation énergétique d'une maison typique construite en bauge et en terre allégée a été étudié numériquement. Ces études ont été effectuées en considérant deux climats différents, un climat plutôt océanique dans le nord-ouest de la France (Caen) et un climat méditerranéen (Nice). Ces simulations ont montré une nette amélioration du confort thermique des occupants de la maison individuelle considérée. Dans le cas de la terre allégée avec 10 %wt. de PCM incorporé, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 10 et 16 points à Caen et Nice, respectivement. Pour la bauge incorporant 10 %wt. de PCM, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 3 et 7 points à Caen et Nice, respectivement. En conséquence, la consommation d’énergie liée au chauffage et au refroidissement baisserait d’environ 30 % à Caen et 38 % à Nice en considérant une terre allégée contenant 10% wt. de PCM. Pour la même teneur en PCM, la maison en bauge est supposée voir sa consommation baisser de 11 % et 44 % à Caen et à Nice, respectivement

Addition de Ge dans le système chimique H-Si-C durant l'épitaxie de SiC

In this work, addition of GeH4 gas to the classical SiH4+C3H8 precursor system is reported for the epitaxial growth of SiC by chemical vapor deposition. The main objective of this fundamental study is to explore the influence of Ge presence within SiC lattice or at its surface on the overall growth mechanism and the grown layer quality and properties. Epitaxial growth was performed either on high off axis (8 and 4°) or low off-axis (1° and on-axis) 4H-SiC substrate in the temperature range 1450-1600°C. On high off-axis seeds, we discussed the impact of Ge atoms on the homoepitaxial layer quality from surface morphological and structural point of view. Ge incorporation mechanism in these layers as a function of growth parameters was also investigated. The Ge incorporation can be controlled from 1x1016 - 7x1018 at.cm-3. Moreover, a clear link between n-type doping and Ge incorporation was found. Electrical characterizations of these layers show an improvement of electron mobility and conductivity of 4H-SiC material while the performances of Schottky contacts were not negatively impacted. On low off-axis seeds, GeH4 was added to the gas phase only during the surface preparation step, i.e. before starting the SiC growth. It was found that there is a conditions window (temperature and GeH4 flux) for which heteroepitaxial 3C-SiC twin free layers can be grown. Interpretation of the results allowed proposing a mechanism leading to twin boundary elimination. It involves a transient homoepitaxial growth step, favored by the presence of liquid Ge at the surface, followed by 3C nucleation when large terraces are formed by step faceting. Electrical characteristics of the twin free 3C-SiC layers were studied using conductive atomic force microscopy (c-AFM)Ce travail concerne l'ajout de GeH4 au système de précurseurs gazeux classique SiH4+C3H8 pour la croissance épitaxiale de SiC par dépôt chimique en phase vapeur. L'objectif principal était d'explorer l'influence de la présence de l'élément Ge (impureté isoélectronique à SiC), dans la matrice SiC ou à sa surface, sur les mécanismes de croissance et sur la qualité et les propriétés des couches minces déposées. La croissance épitaxiale a été réalisée dans la gamme de température 1450-1600°C sur des substrats 4H-SiC(0001) désorientés fortement (4° et 8°) ou faiblement (0° et 1°). Sur les germes désorientés, nous avons exploré l'impact des atomes de Ge sur la qualité des couches homoépitaxiales, d'un point de vue morphologique et structural. Les mécanismes d'incorporation de cette impureté ont été étudiés en fonctions des paramètres de croissance. Il a été montré que l'incorporation de cet élément peut être contrôlée dans la gamme 1x1016 - 7x1018 at.cm-3. De plus, cette incorporation de Ge s'accompagne d'une augmentation du dopage de type n. Les caractérisations électriques de ces couches montrent une amélioration de la mobilité et de la conductivité électrique du matériau 4H-SiC sans aucun impact négatif sur les caractéristiques de contact Schottky. Sur les substrats faiblement désorientés, GeH4 a été ajouté à la phase gazeuse uniquement pendant l'étape de préparation de la surface, c’est-à-dire avant d'initier la croissance de SiC. Il a été montré que des couches hétéroépitaxiales de 3C-SiC exemptes de macles peuvent être déposées dans une fenêtre de conditions expérimentales (température et flux de GeH4). Un mécanisme permettant l'élimination des macles a été proposé. Il implique une étape transitoire de croissance homoépitaxiale, favorisée par la présence de Ge liquide à la surface, suivie de la nucléation de 3C-SiC sur les larges terrasses résultant du facettage des marches. Ces couches de 3C-SiC ont été caractérisées électriquement par microscopie à force atomique en mode conductio