© Damien Mathis, 2019
Développement de nouveaux matériaux de haute inertie
thermique à base de bois et matériaux à changement de
phase biosourcés
Thèse
Damien Mathis
Doctorat en sciences du bois
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Développement de nouveaux matériaux de haute inertie
thermique à base de bois et matériaux à changement de
phase biosourcés
Thèse
Damien Mathis
Sous la direction de :
Pierre Blanchet, directeur de recherche
Véronic Landry, codirectrice de recherche
Philippe Lagière, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), par stockage de chaleur latente, peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. En saison froide, ils peuvent emmagasiner de la chaleur durant le jour pour qu’elle soit relâchée durant la nuit, réduisant le besoin en chauffage. En saison chaude, ils peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. Afin d’optimiser le bénéfice énergétique, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Ce travail de thèse présente trois grands axes dédiés à l’étude de matériaux hybrides bois/MCP. Le premier axe traite de la mise en forme et de la caractérisation de panneaux décoratifs intérieurs de haute inertie thermique. Le second axe a pour objectif d’évaluer la performance de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Le troisième axe étudie l’imprégnation de la couche de surface d’une Lame de Plancher d’Ingénierie (LPI) avec des microcapsules de MCP.
Dans le premier axe, des panneaux intérieurs décoratifs ont été mis en œuvre. Ils sont constitués de MDF (Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) et de différents MCP biosourcés. Les MCP ont été macroencapsulés dans des sachets de polyéthylène avant d’être placés dans les panneaux. Leur stockage de chaleur latente a été mesuré avec un débitmètre thermique selon la méthode Dynamic Heat Flux Meter
Apparatus (DHFMA). Les panneaux stockent une chaleur latente maximale de 57.1 J/g, ce qui est comparable
à des solutions existantes de panneaux embarquant des MCP. Leur comportement thermique a été comparé au comportement des MCP purs testés par DSC (Differential Scanning Calorimetry) et des différences significatives ont été observées. Le comportement hygromécanique des panneaux a été évalué et s’est révélé être une question d’importance en vue d’une d’industrialisation.
Dans le deuxième axe, deux maisonnettes expérimentales en ossature légère de bois ont été conçues puis placées sur le campus de l’Université LAVAL. Une maisonnette a été équipée de panneaux en bois standards tandis que l’autre contenait les panneaux bois/MCP. Grâce à l’instrumentation embarquée, la performance
in-situ des panneaux formulés dans le premier axe a pu être étudiée. Les résultats montrent, en saison de chauffe,
une réduction de la consommation en chauffage pour la maisonnette équipée de MCP. Cette réduction atteint un maximum de 41 % pour le mois de mai. Pour le confort d’été, les panneaux permettent généralement d’améliorer le confort thermique, en réduisant la surchauffe. Leur efficacité a cependant été révélée limitée par la solidification limitée du MCP pendant la nuit. Malgré une ventilation importante, lors des nuits les plus chaudes, le matériau n’était pas en mesure de se solidifier.
Dans le troisième axe, des couches de surface de Lames de Planchers d’Ingénierie (LPI) ont été imprégnés avec des microcapsules de MCP biosourcés. De l’eau distillée a été utilisée comme solvant. Deux essences de bois ont été choisies : le chêne rouge et l’érable à sucre. Le gain de masse thermique s’est révélé significatif pour le chêne rouge mais négligeable pour l’érable à sucre. Pour le chêne rouge, un bénéfice de masse thermique de 77% a été mesuré. Les microcapsules ont été observées dans le bois par microscopie réflective. Elles se sont révélées être principalement présentes, formant des amas, dans les larges vaisseaux du bois initial pour le chêne rouge.Des microcapsules étaient également présentes dans les vaisseaux de l’érable à sucre, en plus petite quantité. Des tests d’adhésion ont été menés sur des lames de planchers vernis et ces tests n’ont révélé aucune influence significative de l’imprégnation sur la tenue d’un vernis.
iv
Abstract
Phase Change Materials (PCMs) are able to store a high amount of latent heat, which can improve buildings energy efficiency. During the heating season, solar energy can be stored during the day to be released at night, reducing the heating needs. During summer, daily maximum peak temperature can be reduced. In order to maximize the energy benefits, PCMs have to be implemented carefully. This thesis presents three major axes of research about wood/PCMs hybrid materials. The first axis is about manufacturing and characterizing wood-based decorative panels of high thermal mass. The second axis aims to evaluate the performance of such panels with two instrumented wood-frame test huts placed on LAVAL University Campus. The third axis is about impregnating the lamella of Engineering Wood Flooring (EWF) with PCM microcapsules.
For the first axis, interior wood-based decorative panels containing PCMs were manufactured. Medium Density Fiberboard (MDF), was used as the main component and High Density Fiberboard (HDF) was used for the inner side of the panel. Several bio-based PCMs were chosen to load the panels. A macroencapsulation of the PCMs was achieved using polyethylene bags. The latent heat storage of the panels was assessed with a thermal flow meter using a Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) method. A maximum latent heat storage of 57.1 J/g has been measured, which is comparable to existing panels containing PCMs. Thermal behavior of pure PCMs has been assessed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and then compared to the panels behavior. Significant differences have been revealed. Hygromechanical behavior of the panels has been evaluated, compared to a reference, and has been revealed of importance in case of industrialization.
For the second axis, two experimental timber-frame test-huts have been implemented and were placed on the LAVAL University campus. One hut was equipped with standard wood panels whereas the other one was equipped with wood-based panels containing PCMs such as manufactured in the first axis. The in-situ performance of the panels was assessed over several seasons. In winter, the panels induced a reduction of the heating consumption. This reduction reached a maximum of 41% in May. During summer, the panels are generally able to reduce the daily peak temperature. However, their performance was found limited by the solidification of the PCM, which was hard to achieve during hottest nights.
For the third axis, lamellas of Engineered Wood Flooring (EWF) have been impregnated with bio-based PCM microcapsules, using water as a solvent. Two wood species were chosen: red oak and sugar. A significant thermal mass enhancement of 77% was measured for the red oak. Impregnation of sugar maple was found harder to achieve and thus its thermal mass enhancement was lower. Reflective microscopy allowed to observe the microcapsules filling red oak initial wood big vessels, forming aggregates. Some microcapsules were also observed in the sugar maple vessels but in lower quantity. Red oak was varnished with a 100 % UV solid wood coating and submitted to pull-off adhesion tests. These tests did not reveal any significant effect of an impregnation on the varnish adherence.
v
Sommaire
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Sommaire ... v
Liste des figures ... viii
Liste des tableaux ... ix
Liste des abréviations ... x
Remerciements ... xi
Avant-propos ... xiii
Introduction générale ... 1
Chapitre 1 : Revue de littérature ... 3
1.1 Intérêt du projet ... 3
1.1.1 L’économie d’énergie ... 3
1.1.2 Le confort thermique ... 3
1.1.3 Les composites bois-MCP ... 4
1.2 Propriétés physico-chimiques des MCP : ... 5
1.2.1 Généralités sur les MCP ... 5
1.2.2 Les MCP organiques paraffinés : ... 7
1.2.3 Les MCP organiques biosourcés : ... 8
1.2.4 Les MCP inorganiques : ... 10
1.2.5 Eutectiques et mixtures MCP ... 11
1.2.6 Durabilité des composites à base de MCP ... 12
1.3 Conditionnement du MCP ... 13
1.3.1 Enjeux du conditionnement ... 13
1.3.2 Macro-encapsulation ... 13
1.3.3 Microencapsulation ... 15
1.3.4 Composite MCP Shape-stabilized (SS-PCM) ... 17
1.4 Enjeux et stratégies d’intégration dans un bâtiment ... 17
1.4.1 Généralités sur l’intégration de MCP dans un bâtiment ... 17
1.4.2 Déplacement du pic de consommation ... 18
1.4.3 Réduction de la consommation en chauffage ... 19
1.4.4 Réduction du besoin en climatisation ... 19
1.4.5 Bénéfice en confort thermique ... 20
1.4.6 Voie active et voie passive ... 21
1.5 Intégration passive dans l’enveloppe d’un bâtiment ... 21
vi
1.5.2 Dans les planchers... 23
1.5.3 Dans la cavité murale... 25
1.5.4 Dans les plafonds ... 25
1.6 Détermination des propriétés thermiques des MCP et composites. ... 26
1.6.1 Généralités sur la caractérisation thermique des MCP et composites. ... 26
1.6.2 DSC ... 27
1.6.3 Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) ... 28
1.7 Études à grande échelle ... 30
1.7.1 Maisonnettes prototypes ... 30
1.7.2 Études à grande échelle dans des bâtiments occupés ... 31
Chapitre 2 : Objectifs de recherche ... 34
Chapitre 3 : Rétrospective méthodologique ... 35
3.1 Développement et caractérisation des panneaux bois / MCP ... 35
3.2 Mise en place et exploitation des maisonnettes d’étude ... 36
3.3 Imprégnation de planchers avec des MCP microencapsulés ... 37
3.4 Collaborations spontanées ... 38
3.4.1 Dortoirs à chauve-souris ... 38
3.4.2 Simulation numérique sur les maisonnettes expérimentales ... 38
Chapitre 4 : Thermal characterization of bio-based phase changing materials in decorative wood-based panels for thermal energy storage ... 39
4.1 Résumé ... 39
4.2 Abstract ... 39
4.3 Introduction ... 40
4.4 Material and methods ... 42
4.4.1 Materials ... 42
4.4.2 Samples preparation ... 43
4.4.3 Characterization of the panels ... 44
4.4.4 Heat storage measurements ... 45
4.4.5 Thermal cycling ... 46
4.4.6 Moisture behavior ... 47
4.5 Results and discussion ... 48
4.5.1 DSC of PCM mixtures ... 48
4.5.2 Panels thermal properties ... 50
4.5.3 Thermal cycling ... 53
4.5.4 Comparison between DSC and DHFMA methods ... 54
vii
4.6 Conclusions ... 56
4.7 Conflict of interests ... 57
4.8 Acknowledgments ... 57
Chapitre 5 : Performance of wood-based decorative panels loaded with a bio-based PCM: a full-scale experiment in a cold climate with timber-frame huts. ... 58
5.1 Résumé ... 58 5.2 Abstract ... 59 5.3 Introduction ... 60 5.4 Experimental ... 62 5.4.1 Materials ... 62 5.4.2 Facilities ... 64 5.4.3 Methodology ... 66
5.5 Results and discussion ... 67
5.5.1 Heating season ... 67
5.5.2 Summer / hot season... 72
5.6 Conclusions ... 76
Chapitre 6 : Impregnation of wood with microencapsulated bio-based Phase Change Materials (PCMs) for high thermal mass Engineered Wood Flooring (EWF). ... 78
6.1 Résumé ... 78
6.2 Abstract ... 79
6.3 Introduction ... 79
6.4 Materials and methods ... 81
6.4.1 Materials ... 81
6.4.2 Methodology ... 82
6.5 Results and discussion ... 85
6.5.1 Morphology of the components ... 85
6.5.2 Impregnation of small samples ... 87
6.5.3 Impregnation of wood boards ... 89
6.6 Conclusions ... 96
CONCLUSION ... 97
BIBLIOGRAPHIE ... 100
viii
Liste des figures
Figure 1.1: Classification des MCP ... 6
Figure 1.2 : Stockage d’énergie par changement de phase ... 7
Figure 1.3: MCP macroencapsulé dans un sachet en Polyéthylène (PE)... 14
Figure 1.4: Types de microcapsules ... 15
Figure 1.5: Image MEB de microcapsules de PE-LD - EVA contenant du RT27 ... 16
Figure 1.6 : Le prix de l'électricité est parfois variable au cours d'une journée ... 18
Figure 1.7 : Schéma théorique : réduction du pic maximum de température grâce aux MCP ... 20
Figure 1.8: Panneau MCP Energain de Dupont de Nemours ... 22
Figure 1.9: Profilés plats pour une installation sous le plancher ... 23
Figure 1.10: Autoclave pour l'imprégnation de bois au pavillon Kruger, Université LAVAL ... 25
Figure 1.11: Natte de MCP intégrée dans un plafond au-dessus de panneaux de gypse ... 26
Figure 1.12: DSC du pavillon Kruger, Université LAVAL ... 28
Figure 1.13: Lasercomp FOX FX314 du pavillon Kruger, Université LAVAL ... 29
Figure 1.14: Maisonnettes prototypes instrumentées ... 31
Figure 1.15: Duplex instrumenté qui embarque des PCMs sur la partie ouest, Portland, USA. ... 32
Figure 1.16: Rénovation d'un batiment avec des panneaux Energain® ... 33
Figure 4.1 : a) Panel with the PCM pouch b) sketch of a wood/PCM panel. ... 43
Figure 4.2 : Determination of Ts and Tm ... 46
Figure 4.3 : Distribution of measure points on the panel ... 47
Figure 4.4 : Panels heat storage properties a)PT20, b)PT23 and c)CA/LA ... 50
Figure 4.5: Comparison between control and aged curves ... 54
Figure 4.6 : Panels deformation over moisture ... 55
Figure 5.1: Geometry of the panels ... 63
Figure 5.2: Pouch containing PT23 in a grooved MDF panel ... 63
Figure 5.3 : Description of the test huts ... 65
Figure 5.4: Dry temperature of a sunny winter day, 16°C setpoint ... 67
Figure 5.5: Behavior of the huts for a sunny winter day (13/02/2018)... 68
Figure 5.6: Dry temperature of the huts for a cloudy day of March (15/03/2018) ... 69
Figure 5.7: Behavior of the test huts for consecutive days ... 71
Figure 5.8: Temperature of the huts for a summer day with a cold night (13/07/2018) ... 72
Figure 5.9: Temperature of the huts for consecutive summer days with hot nights ... 73
Figure 6.1: Surface for thermal testing, constituted by three glued wood boards ... 84
Figure 6.2: Wood morphology before impregnation. ... 85
Figure 6.3: Observation of microcapsules by optical microscopy 100 X ... 86
Figure 6.4: Distribution of Nextek29© microcapsules size ... 87
Figure.6.5: Weight enhancement for several PCM ratios ... 87
Figure 6.6: Weight enhancement of small samples for several pressures ... 88
Figure 6.7: Red oak impregnated with MPCM ... 89
Figure 6.8: Impregnated red oak microscopy... 91
Figure 6.9: Impregnated sugar maple microscopy ... 92
Figure 6.10 : Heat storage capacity of red oak, melting cycle ... 93
Figure 6.11: Comparison of impregnated red oak melting and solidification ... 94
Figure 6.12 : Heat storage capacity of sugar maple, melting cycle ... 95
ix
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Propriétés de différentes paraffines ... 8
Tableau 1.2 : Propriétés de différents MCP organiques ... 9
Tableau 1.3: Propriétés de différents MCP inorganiques ... 10
Tableau 1.4: Propriétés de différents mélanges eutectiques organiques ... 11
Tableau 4.1 : Properties of wood panels as provided by supliers ... 43
Tableau 4.2 : DSC results ... 48
Tableau 4.3 : Comparison of CA/LA mixtures properties ... 49
Tableau 4.4 : Puretemp® products properties ... 49
Tableau 4.5 : Decorative wood-based panels properties ... 51
Tableau 4.6 : Comparison of wallboards properties... 52
Tableau 4.7 : Aging results for the wood-based panels ... 53
Tableau 4.8 : Comparison of DSC and DHFMA panels results ... 54
Tableau 4.9 : Amplitude of measure for PCM and control panels. ... 55
Tableau 5.1 : Properties of wood panels as provided by the suppliers ... 64
Tableau 5.2 : Huts behaviour for sunny days... 69
Tableau 5.3 : Huts behaviour for cloudy cold season days ... 70
Tableau 5.4 : Energy savings for the PCM hut for several months ... 71
Tableau 5.5 : Maximum temperature of the huts for summer days with cold nights ... 73
Tableau 5.6 : Maximum temperature of the huts for summer days with hot nights ... 73
x
Liste des abréviations
Termes :
DRX : Diffractométrie de rayons X MCP : Matériaux à Changement de Phase
MCPMs : Matériaux à Changement de Phase Microencapsulés PEHD : Polyéthylène Haute Densité
IRTF : Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier DSC : Differential scanning calorimetry
DTA : Differential thermal analysis LPI : Lames de planchers d’ingénierie. CBP : Composites Bois-Plastique
SS-PCM : Shape-stabilized PCM EVA : Éthylène-acétate de vinyle
Variables :
T : température
𝜑⃗ : densité de flux de chaleur 𝜆 : conductivité thermique CP : chaleur Spécifique
E : flux radiatif émis par une surface H : enthalpie
Cv : capacité thermique volumique ε : émissivité
q : flux thermique 𝜏 : intervalle de temps Constantes :
xi
Remerciements
Je remercie en premier lieu mon directeur, mon co-directeur et ma co-directrice qui ont permis de faire de cette thèse une expérience tout aussi didactique qu’agréable. Pierre et Véronic, vous avez toujours été de bon conseil et su vous rendre disponible malgré la grande charge de travail qui vous incombe à travers vos chaires respectives. Lorsque je butais sur un problème, cinq minutes de discussion suffisaient souvent pour prendre du recul pour avancer, dans la bonne humeur. Merci pour votre soutien qui a permis à cette thèse d’être menée à bien. Philippe, depuis Bordeaux, avec toi la communication était plus rare. Mais j’ai toujours apprécié ta franchise, ta bonne humeur et ta grande compétence lorsque nous échangions.
J’aimerais ensuite remercier toute l’équipe technique de l’Université LAVAL qui a été exemplaire tout au long de ce projet de thèse. Votre rapidité d’exécution et votre savoir-faire hors norme m’ont permis de mener à terme trois axes de recherches. Daniel, Jean, Félix et Luc, j’étais sans cesse bluffé par votre ingéniosité et votre minutie. Benoit, David, Yves, je ne taris pas non plus d’éloges pour vous. Vous avez toujours été disponibles et de très bon conseil.
Et puis, je remercie mes chers et chères collègues. Comment mener à bien un doctorat sans les conseils optimistes de monsieur Martin, sans les collations cajou avec Cogulet, sans les niaiseries avec le docteur Jobidon et Monsieur Boule, Dom, Sam, Charles, JP, Caro, Nellie, le grand Roucaillon, Paul, Yann, Cass, Thomas, Myriam, Jenny, Nathalie, toute la clique de Véro et j’en passe et des meilleur(e)s. Merci également au personnel administratif de la faculté de foresterie et plus généralement de l’Université LAVAL. Cette thèse fut plaisante notamment grâce à toutes ces belles rencontres.
Je remercie FPInnovations de m’avoir accordé ce financement. Merci à Jean-François pour son encadrement et ses conseils très précieux ainsi que pour le soutien matériel. Merci à Tommy pour tous les beaux essais qu’on a mis en place. Je pense que cette thèse a permis d’éclairer sur le potentiel des matériaux à changement de phase en climat québécois.
La liberté d’expérimentation et les moyens mis à disposition m’ont permis d’atteindre mes objectifs et de faire de cette thèse de doctorat une expérience extrêmement enrichissante, didactique et plaisante. J’en ressors, grandi et fort de nombreux enseignements. Merci à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à cette réussite.
xii
The first principle is that you must not fool yourself and you are the easiest person to fool.
Richard Feynman
Des chercheurs qui cherchent, on en trouve. Mais des chercheurs qui trouvent, on en cherche...
Charles de Gaulle La vie est un mystère jusqu’à ce que nous puissions comprendre que nous et seulement nous créons notre propre monde.
Harold Klemp
Fragonnera bien qui fragonnera le dernier
Vincent Noguer
Kris putig de ne vade na mol
xiii
Avant-propos
Le projet présenté dans ce manuscrit a été réalisé dans le cadre de la Chaire industrielle de recherche du CSRNG sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB), sous la direction de M. Pierre Blanchet, professeur au Département des sciences du bois et de la forêt de l’Université Laval, sous la codirection de Mme Véronic Landry, professeure au Département des sciences du bois l’Université Laval et sous la codirection de Philippe Lagière, professeur au à l’Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux de l’Université de Bordeaux. Cette étude a été réalisée dans le cadre du programme de doctorat en sciences du bois et est présentée sous forme d’une thèse par articles. Trois articles scientifiques rédigés en anglais sont inclus dans ce manuscrit.
Les différents articles rédigés, soumis ou publiés constituants la troisième partie de cette thèse sont les suivants :
Article 1
Mathis, D., Blanchet, P., Landry, V., Lagiere, P. 2018. Thermal characterization of bio-based phase changing materials in decorative wood-based panels for thermal energy storage. Accepté dans Green Energy & Environment le 30/05/2018. In press
Article 2
Mathis, D., Blanchet, P., Landry, V., Lagiere, P. Performance of wood-based decorative panels loaded with a bio-based PCM: a full-scale experiment in a cold climate with timber-frame huts. Soumis au journal Energies le 10/10/2018.
Article 3
Mathis, D., Blanchet, P., Landry, V., Lagiere, P. Impregnation of wood with microencapsulated bio-based Phase Change Materials (PCMs) for high thermal mass Engineered Wood Flooring (EWF). En preparation pour soumission au journal Materials.
L’étudiant Damien Mathis, auteur de cette thèse, est aussi l’auteur principal des articles scientifiques mentionnés ci-dessus. Les travaux de planification, réalisation expérimentale, interprétation des résultats et rédaction des articles ont été faits par l’étudiant. Les différents coauteurs, ci-dessus mentionnés, pour chacun des articles, ont vérifié l’ensemble des résultats préliminaires avant le début des travaux finaux. Ils ont aidé à l’interprétation de certains résultats et apportés des corrections nécessaires aux articles avant leur soumission dans les différentes revues scientifiques.
Les résultats de ces travaux de recherche ont aussi été présentés à différentes occasions :
- 84e Congrès de l'ACFAS (Montréal, Canada) : La construction biosourcée : contexte, matériaux et systèmes, Mai 2016
xiv
- 12th Conference on Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air Conditionning (Orford, Canada), Mai 2018
- Affiche école professionnelle CIRCERB 3éme édition (Québec, Canada), Juillet 2017
- Finale internationale du concours « Ma thèse en 180 secondes » (Liège, Belgique), Septembre 2017 - Cours SBO 8001, Séminaire II (Québec, Canada), Novembre 2017
1
Introduction générale
Dès lors et au cours des prochaines décennies, nos bâtiments sont amenés à être repensés. La transition écologique mais également l'épuisement des ressources traditionnelles, telles que le pétrole, le gaz, le sable et certains métaux nous forcera à modifier nos habitudes (Torres et al., 2017, Allouhi et al., 2015).Auparavant, on pouvait se permettre d'isoler les bâtiments de manière sommaire. Aujourd'hui, c'est plus compliqué. Nous avons tout intérêt à équiper nos bâtiments de systèmes résilients, qui permettront d'assurer un confort de vie tout en assurant une sobriété énergétique. En plus de cela, il faudra que ces systèmes soient économiquement viables. C'est une aubaine : l'énergie la moins chère est celle qu'on ne consomme pas. C’est dans ce cadre que les Matériaux à Changement de Phase (MCP) interviennent. Par liquéfaction, ils permettent de stocker une grande quantité d’énergie pour une faible masse. Ils peuvent ainsi permettre d’améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments de diverses manières qui seront détaillées dans ce manuscrit de thèse.
Grâce à ses nombreux avantages, le bois est un matériau qui a le vent en poupe. Léger, esthétique, chaleureux, renouvelable, il ne cesse de nous étonner de par la multiplicité de ses applications. Bien qu’utilisé depuis des millénaires dans différents domaines et notamment la construction, il semble raisonnable de penser que nous n’utilisons encore qu’une infime partie de son potentiel. L’épuisement des forêts les plus proches contraint les industriels à recourir à des ressources en bois toujours plus éloignées. Ainsi, il est de mise d’axer la recherche et le développement sur des produits de bois à haute valeur ajoutée. C’est dans ce contexte que ce projet de doctorat, le développement de nouveaux matériaux de haute inertie thermique à base de bois, entre en lice.
Construire un bâtiment avec une structure en bois, ossature légère ou poteau-poutre présente certains avantages. Premièrement, le bois est un matériau renouvelable qui peut permettre d’ériger des bâtiments à l’impact environnemental plus faible que pour des bâtiments à structure d’acier ou de béton (Skullestad et al., 2016, Cuadrado et al., 2015).Ensuite, le bois est un matériau léger qui permet une certaine facilité dans la construction. Mais cet avantage de légèreté des constructions à ossature bois induit un effet indésirable : une faible masse thermique, i.e un coût énergétique pour maintenir le confort intérieur. Dans cette optique, les MCP permettent de stocker une grande quantité de chaleur latente pour une masse et un volume faibles. En d’autres termes, intégrer des MCP dans un bâtiment en ossature bois pourrait augmenter l’inertie thermique des constructions légères et permettre d’ériger des bâtiments à faible consommation énergétique (Heeren et al., 2015). En considérant que le chauffage et la climatisation constituent plus de 50 % des dépenses énergétiques domestiques, les MCP pourraient permettre une économie d’énergie considérable.
Les Matériaux à Changement de Phase ont pour caractéristique d’emmagasiner une forte chaleur latente, le plus souvent avec une transition solide/liquide. La liquéfaction stocke de l’énergie et la solidification en relâche. Diverses applications sont envisageables. Durant la saison froide, il est possible de stocker de l’énergie solaire la journée afin qu’elle soit relâchée durant la nuit. Le besoin en chauffage est ainsi amoindri. En saison chaude, les MCP peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. L’excédent de chaleur est stocké dans les MCP puis déchargé pendant la nuit. Une possibilité de réduction de 38 % du pic de température a été mise en avant par (Zhang et al., 2005) en 2005. Cela peut permettre d’éviter ou d’amoindrir le besoin en climatisation. En stockant de l’énergie, les MCP peuvent
2
également déplacer le pic de consommation, ce qui peut se traduire par une économie financière dans certains pays ou provinces ou le coût de l’énergie est fonction de l’heure de la journée. Enfin, ces matériaux permettent de réduire les fluctuations de température au sein d’un bâtiment et ainsi d’améliorer le confort thermique des occupants. (Hensen, 1990).
Il est possible d’intégrer des MCP dans un bâtiment de diverses manières. Deux voies sont envisageables : la voie active et la voie passive. La voie active met en jeu un système mécanique qui aide à charger ou à décharger de l’énergie dans le MCP, tandis que dans la voie passive, le MCP est simplement soumis aux fluctuations de température de son environnement. Cette thèse a pour objectif d’étudier la faisabilité et la performance de solutions passives hybrides bois/PCM. En premier lieu, des panneaux décoratifs intérieurs ont été mis en forme. Leur performance a été évaluée à l’aide de deux maisonnettes prototypes en ossature bois, conçues pour cette fin. Elles ont été instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Ces deux maisonnettes ont permis de collecter de précieuses données afin d’évaluer la performance des panneaux décoratifs, et ce, sur plusieurs saisons. Si ces résultats ne permettent pas de rendre compte directement de la performance des panneaux dans un bâtiment occupé, ils permettent tout de même de mieux comprendre leur comportement, et par la même occasion, d’évaluer leur potentiel. Un autre volet de cette thèse traite de l’imprégnation d’une couche de surface de lame de plancher d’ingénierie avec des MCP microencapsulés. La microencapsulation est nécessaire pour cette application, afin d’éviter les fuites.
S’il existe un grand nombre d’études scientifiques à propos des MCP dans le bâtiment, la technologie est encore loin d’être démocratisée. Différents grands constructeurs ont tenté de percer le marché avec des produits mais aucun n’y est parvenu. Le Smartboard© de BASF ou l’Energain© de Dupont de Nemours étaient deux panneaux
intérieurs munis de MCP qui ont aujourd’hui été retirés du marché. Les raisons de ces retraits n’ont pas été communiquées par les fournisseurs. Cela dit, les intégrations de MCP réussies avec brio dans des bâtiments occupés restent rares. Cette faible utilisation des MCP dans le domaine du bâtiment pourrait être due à différents facteurs. Premièrement, peu d’acteurs du bâtiment et peu de soumissionnaires sont présentement au fait de cette technologie. Ensuite, intégrer un MCP dans un bâtiment n’est pas si simple : cela requiert une étude minutieuse. Le climat, l’architecture du bâtiment, les propriétés du MCP et bien d’autres paramètres sont des facteurs déterminants à prendre en compte pour aboutir à un bénéfice énergétique. Les architectes et les entrepreneurs généraux ne disposent pas forcément du temps qu’il faudrait consacrer à cette technologie, et n’ont bien souvent pas le savoir-faire nécessaire.
Des projets pilotes bien pensés, porteurs de bons résultats, pourraient sensibiliser les clients et acteurs du bâtiment à la technologie des MCP et permettre sa démocratisation au Canada. Une prochaine étape afin de mieux cerner le potentiel des MCP au Canada serait une intégration à grande échelle, dans un bâtiment occupé. La simulation numérique pourrait également permettre d’extrapoler sur ce potentiel. La clef de voûte de cette technologie est une intégration raisonnée : la bonne quantité de MCP au bon endroit. Cette thèse propose d’éclairer sur le potentiel des MCP en climat québécois pour un bâtiment en ossature légère de bois.
3
Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1 Intérêt du projet
1.1.1 L’économie d’énergie
En réduisant la consommation en chauffage ou en climatisation, les MCP peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. Ils peuvent également permettre de déplacer le pic de consommation, allégeant ainsi le réseau électrique. Dans certains pays ou provinces où le prix de l’énergie est fonction du moment de la journée, cela peut se traduire par une économie monétaire substantielle.
Afin d’être efficiente, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Il n’est pas question d’ajouter simplement cette technologie dans toutes les pièces d’un bâtiment. La réussite d’une intégration de MCP dépend de nombreux paramètres tels que : le climat, l’architecture et la composition de l’enveloppe du bâtiment, le comportement des usagers, les propriétés thermiques du MCP ainsi que la quantité mise en jeu et l’emplacement. Afin que cette technologie soit rentable, il est primordial d’optimiser son intégration : mettre la bonne quantité de MCP, avec des propriétés thermiques adéquates, au bon endroit (Kuznik et al., 2008a).
Selon une étude de l’US DEPARTMENT OF ENERGY, une incorporation de matériaux à changement de phase dans les murs d’une maison pourrait être un investissement amorti en moins de 10 ans (Kośny et al., 2013). Bien que cette étude prenne en compte le climat du sud des états unis, un amortissement de moins de 10 ans est prometteur. En considérant qu’un des inconvénients de la construction en bois est sa faible masse thermique, l’intégration de matériaux à changement de phase dans des bâtiments à ossature légère ou poteau-poutre prend tout son sens.
1.1.2 Le confort thermique
Les MCP peuvent augmenter le confort thermique des occupants d’un bâtiment. En effet, la température d’un composite qui intègre des MCP reste constante lors de la transition de phase, ce qui a pour effet de moduler la température de la pièce. Un projet piloté par une équipe de recherche de l’Université de Twente aux Pays-bas a démontré qu’un plancher intégrant des MCP pouvait améliorer le confort thermique des occupants de manière significative pour les pièces orientées Sud (Entrop et al., 2011, Entrop et al., 2009), en réduisant la surchauffe du bâtiment. L’étude montre que, durant l’été, la température du sol a été réduite jusqu’à 16 °C ± 2 % par rapport au même assemblage sans MCP. Pour les mois d’hiver, l’augmentation de température pouvait atteindre 7 °C ± 3 %. Cette étude a été conduite pour un sol en béton mais ouvre la voie à de bons résultats avec un plancher en bois, qui embarque moins de masse thermique.
4
Outre réduire la température de l’air, les MCP peuvent contribuer au confort thermique en influant sur la température de surface des composites dans lesquels ils sont intégrés. En effet, il est admis que le confort thermique d’un occupant est fonction de nombreux paramètres, notamment l’humidité, l’activité de la personne mais également la température opérative, définie dans l’équation 1.
𝑇
𝑜𝑝=
𝑇𝑎𝑖𝑟+ 𝑇𝑝𝑎𝑟𝑜𝑖𝑠2
(Équation 1)
La chaleur peut se propager selon trois modes de transfert que sont la conduction, la convection et le rayonnement, respectivement régis par les lois de Fourier, Newton et Stefan-Boltzmann (Bergman et al., 2011). Ces trois lois sont respectivement définies dans les équations 2, 3 et 4.
𝜑
⃗ = −𝜆. 𝑔𝑟𝑎𝑑
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (𝑇)
(Équation 2)𝜑
⃗ = h(Ts − Tf). n
⃗
(Équation 3)𝐸 = 𝜀. 𝜎. 𝑇
𝑠4(Équation 4)
En influant sur la température de surface d’un composite, les MCP permettent de moduler la puissance rayonnée par ce corps. En été, cela pourra se traduire en journée, par une température de surface plus basse grâce à la liquéfaction du MCP. Dès lors, l’occupant ressentira moins la surchauffe.
En outre, les MCP permettent de réduire les fluctuations de température au sein du bâtiment. (Abuelnuor et al., 2018). Par liquéfaction ou solidification, ils tendent à garder la température du bâtiment aux alentours de leur température de transition. Or, les fluctuations de température sont une source d’inconfort (Hensen, 1990). En ce sens, l’intégration de MCP peut permettre de réduire l’inconfort des occupants.
1.1.3 Les composites bois-MCP
A ce jour, différentes matrices ont été utilisées pour mettre en forme des matériaux qui contiennent des MCP. Le plâtre, l’aluminium et les matières plastiques sont les matières les plus fréquemment utilisées (Cabeza et al., 2011). Différentes méthodes de mise en forme et de caractérisation seront détaillées au cours de cette revue de littérature. Cependant, l’utilisation de bois pour la mise en forme de composites MCP reste très limitée.
En 2016, Guo et al. ont formulé des Composites Bois-Plastique (CBP) en mixant des microcapsules de dodecanol avec de la farine de bois et du PEHD. Ils ont obtenu un composite avec un module d’Young entre 0.9 et 2.2 GPa pour 20.3 J/g de chaleur latente (Guo et al., 2016). Les propriétés mécaniques du composite
5
décroissaient lorsque le ratio de MCP augmentait. Jeong et al. ont proposé en 2012 d’ajouter des MCPMs dans un adhésif pour bois pour augmenter la masse thermique d’un plancher en bois. L’adhésion du plancher a été maintenue, mais le bénéfice en masse thermique était faible (Jeong et al., 2012). Insérer des MCP dans la colle est une solution pratique mais qui ne permet pas de mettre une grande masse de MCP, d’où le faible bénéfice thermique. En 2017, Barreneche et al. ont imprégné du bois avec des MCP paraffinés RT-21 and RT-27 de l’entreprise Rubitherm® (Barreneche et al., 2017). Ils ont obtenu un composite avec une chaleur latente de 20.6 J/g pour un ratio massique de MCP de 29.9%. Pour éviter les fuites, ils ont ensuite imprégné le bois avec une solution de polystyrène en solvant organique. Comme le bois est un matériau qui peut vieillir et être sujet à des variations dimensionnelles, l’application d’un revêtement qui stabilise sa structure pourrait causer des dommages à long terme et entrainer des fuites. En 2018, Liang et al., ont imprégné de la farine de bois avec différents acides gras, formant des composites bois / acides gras (Liang et al., 2018). Des analyses IRTF and DRX semblent montrer qu’il n’y a pas de réaction chimique mais uniquement des interactions physiques entre la farine de bois et les acides gras. Pourtant, après avoir été soumis à des températures de 30 °C à 90 °C pendant 20 min, les composites formés n’ont montré aucune perte de liquide. Le matériau formé est dès lors un shape-stabilized (SS) composite avec une chaleur latente maximum de 102.6 J/g. C’est un résultat prometteur.
Pourtant, le bois est une ressource renouvelable qui pourrait permettre d’aboutir à des composites bois/MCP de faible emprunte carbone (Perez-Garcia et al., 2005). Pour cela, il conviendrait d’utiliser un MCP et un procédé de mise en œuvre de faible emprunte carbone. De plus, le bois est généralement apprécié des usagers pour son caractère chaleureux. Pour ces raisons, il serait pertinent de mettre en forme des composites bois/MCP.
1.2 Propriétés physico-chimiques des MCP :
1.2.1 Généralités sur les MCP
L’appellation « Matériau à Changement de Phase » regroupe des composés et mixtures de différents profils chimiques. Leur caractéristique commune est de présenter une forte chaleur latente de changement de phase et une température de transition adéquate. La figure 1.1 présente les différents types de MCP existants.
6
Figure 1.1: Classification des MCP D’après (Kośny, 2015)
Les MCP organiques regroupent les produits paraffinés pétrosourcés et les produits biosourcés. Viennent ensuite les MCP inorganiques, qui sont le plus souvent des sels hydratés, puis les mélanges eutectiques (décrits ci-après) qui peuvent être un mélange des différentes catégories citées. En 2013, une étude réalisée par Markets and Markets (Anonyme, 2017) a montré que les MCP organiques occupaient la plus grande part de marché en terme de valeur, et ce à cause de leur prix plus important, alors que les sels hydratés occupent la plus grande part de marché en terme de volume.
La figure 1.2 illustre le mécanisme de changement de phase, qui est une transformation du premier ordre. Il est à noter que la température reste constante lors du changement de phase.
7
La grandeur énergétique associée à cette transition est l’enthalpie de changement d’état, représentée par l’équation 5 dans laquelle H1 et H2 sont les enthalpies respectivement associées aux phases liquides et solides.
∆𝐻 = 𝐻
2− 𝐻
1(Équation 5)
En dehors de la transition de phase, le stockage de chaleur se fait de manière sensible, comme pour tout matériau, en fonction de sa Chaleur Spécifique (CP). Différents composés et mixtures sont catégorisés comme des matériaux à changement de phase. Les principales catégories seront détaillées ci-après.
1.2.2 Les MCP organiques paraffinés :
Les MCP paraffinés ont été les MCP les plus couramment utilisés depuis le XXème siècle dans le domaine de la
construction grâce à leur synthèse facile à mettre en œuvre et leur facilité à être microencapsulé (Kośny, 2015). Une paraffine est un alcane d’hydrocarbures de formule générale CnH2n+2. . Le potentiel de stockage de chaleur
latente est induit par la cristallisation de la chaîne CH3. Habituellement, l’enthalpie de changement d’état pour
ces composés varie de 150 à 270 kJ/kg et dépend de sa pureté (Sharma et al., 2009). La température de fusion Figure 1.2 : Stockage d’énergie par changement de phase
8
et l’enthalpie de changement d’état sont conditionnées par la longueur de la chaîne carbonée. Le tableau 1.1 présente les propriétés thermiques de paraffines couramment utilisées. Les MCP paraffinés sont peu dispendieux et présentent une forte chaleur latente comparée aux MCP biosourcés. En revanche, ils sont inflammables, ce qui est problématique pour le comportement au feu d’un bâtiment (Kośny, 2015). C’est une des raisons qui font qu’aujourd’hui l’utilisation d’autres types de MCP est parfois préférée.
Tableau 1.1: Propriétés de différentes paraffines Tiré de (Kośny, 2015)
1.2.3 Les MCP organiques biosourcés :
Les MCP organiques biosourcés peuvent être obtenus à base de plantes cultivées pour cette application ou à partir de résidus industriels végétaux ou animaux (Feldman et al., 1995). De manière générale, ils sont chimiquement stables, non toxiques et ne semblent pas se dégrader après un grand nombre de cycles. Des esters, des acides gras, des alcools et des glycols peuvent servir à emmagasiner de la chaleur (Sharma et al., 2015a). Le tableau 1.2 présente les propriétés de quelques MCP organiques biosourcés.
Les acides gras saturés, de formule chimique CH3(CH2)2nCOOH, ont fait l’objet de nombreuses études. Ils
présentent peu de surfusion pour une chaleur latente légèrement inférieure aux produits paraffinés. Ils ont une bonne congruence de solidification, ce qui est important pour éviter les phénomènes de surfusion (Yuan et al., 2014). Leur production via des restes alimentaires pourrait assurer un prix stable en circuit court. Par contre, ils
NOM FORMULE CHIMIQUE TEMPÉRATURE DE FUSION (°C) CHALEUR LATENTE DE FUSION (J/G) MASSE MOLÉCULAIRE (G/MOL) N-TETRADECANE C14H30 6 228 198.39 N-PENTADECANE C15H32 10 205 212.42 N-HEXADECANE C16H34 18 237 226.44 N-HEPTADECANE C17H36 22 213 240.47 N-OCTADECANE C18H38 28 244 254.5 N-NONADECANE C19H40 32 222 268.53 N-EICOSANE C20H42 37 246 282.55 N-HENICOSANE C21H44 40.5 200 296.58 N-DOCOSANE C22H46 44.5 249 310.61 N-TRICOSANE C23H48 47.5 232 324.63 N-TETRACOSANE C24H50 52 255 338.66 N-PENTACOSANE C25H52 54 238 352.69 N-HEXACOSANE C26H54 56.5 256 366.71
9
sont coûteux à produire si cela ne vient pas de déchets (Sharma et al., 2009). Une analyse de cycle de vie réalisée par John A. Noël et al. en 2014 a montré que l’amortissement carbone de l’acide laurique pour une application de chauffe-eau solaire était de moins de deux ans. C’est un excellent résultat, bien que l’application soit différente de celles envisagées dans le cadre de cette thèse. L’étude démontre également que leur impact carboné est hautement dépendant du mode de production. Les acides gras purs ont une température de fusion trop élevée pour un usage domestique en tant que MCP. Dès lors, des mélanges eutectiques de deux ou plusieurs acides gras et dérivés sont couramment utilisés. Les mélanges eutectiques seront présentés ci-après.
Des MCP organiques biosourcés sont disponibles commercialement. A titre d’exemple, l’entreprise Puretemp® propose toute une gamme de MCP biosourcés issus de résidus de biomasse et fabriqués aux Etats-Unis. Durant ce projet de thèse, les produits Puretemp® seront majoritairement utilisés. Différents producteurs de MCP biosourcés assurent qu’il n’y a pas de signe de dégradation après 10 000 cycles pour leurs MCP organiques. (Kalnaes and Jelle, 2015). Une étude de Behzadi et Farid en 2014 a montré que deux PCM paraffinés avaient tendance à voir leurs propriétés modifiées par vieillissement tandis que des PCM organiques biosourcés à base d’esters conservaient leurs propriétés thermiques (Behzadi and Farid, 2014).
Tableau 1.2 : Propriétés de différents MCP organiques D’après (Kośny, 2015) FORMULE CHIMIQUE TEMPÉRATURE DE FUSION (°C) ENTHALPIE DE FUSION (J/G) REFERENCES PALMITATE D'ISOPROPANOL C19H38O2 10 186 (Hawes et al., 1993) STÉARATE D'ISOPROPANOL C21H42O2 14–18 142 (Markley, 1967)
ACIDE CAPRYLIQUE C8H16O2 16.5 148.5 (Schossig et al.,
2003) STÉARATE DE BUTYLE C22H44O2 19 200 (Markley, 1967) DIMÉTHYL SÉBACATE C12H22O4 21 120–135 (Feldman et al., 1986) STÉARATE DE VINYLE C20H38O2 27–29 122 (Markley, 1967)
ACIDE CAPRIQUE C10H20O2 32 152 (Markley, 1967)
ACIDE LAURIQUE C12H24O2 42–44 178 (Markley, 1967)
ACIDE MYRISTIQUE C14H28O2 49–58 187–204 (Markley, 1967)
ACIDE PALMITIQUE C16H32O2 61–64 185–203 (Dincer and Rosen,
2002)
ACIDE STÉARIQUE C18H36O2 69–70 203 (Dincer and Rosen,
10
1.2.4 Les MCP inorganiques :
Les MCP inorganiques incluent les sels hydratés, les sels, les métaux et les alliages. Les sels hydratés sont le groupe le plus utilisé de MCP inorganiques. Ce sont des sels avec une structure cristalline qui suit la formule AB.nH2O (Kośny, 2015). Par exemple, le sulfate de sodium déca hydraté Na2SO4·10H2O. En comparaison avec
les MCP organiques, les sels hydratés ont habituellement une chaleur latente massique équivalente mais une chaleur latente volumique plus importante. Ils ne sont pas considérés comme dangereux du fait qu’ils ne sont pas inflammables et peu toxiques (Sharma et al., 2009). Ils sont disponibles en grande quantité, peu dispendieux et présentent une conductivité thermique supérieure à celle des MCP organiques. La transition solide-liquide qui permet le stockage de chaleur latente induit la déshydratation du sel, vers un sel moins hydraté ou vers sa forme anhydre (Telkes, 1978). Le tableau 1.3présente les propriétés de différents MCP inorganiques.
Les sels hydratés ne sont pas stables en environnement extérieur, ils ont besoin d’être protégés afin de ne pas se déshydrater. Un enjeu majeur de leur utilisation est la gélification du MCP. En effet, lors de la solidification, il est courant que le cristal se réhydrate dans une proportion différente de celle d’origine. Ainsi, une proportion d’atomes se désolidarise et est entrainée par la gravité. La gélification de la mixture permet d’éviter cet effet et ainsi d’éviter la ségrégation (Telkes, 1978).
Les sels hydratés ont cependant quelques désavantages comme une forte variation de volume au changement de phase ou encore de la surfusion qui, pour être réduite, nécessite l’addition d’agents de nucléation qui peuvent devenir inopérants après un certain nombre de cycles (Lane, 1983).
Tableau 1.3: Propriétés de différents MCP inorganiques D’après Kosny (Kośny, 2015)
NOM FORMULE CHIMIQUE TEMPÉRATURE DE FUSION (°C) CHALEUR LATENTE DE FUSION (J/G) RÉFÉRENCE DIPOTASSIUM PHOSPHATE HEXAHYDRATÉ K2HPO4 - 6H2O 14 109 (Sharma et al., 2009) FERRIC BROMIDE HEXAHYDRATÉ
FeBr3 6H2O 21 105 (Sharma et al.,
11
1.2.5 Eutectiques et mixtures MCP
Les compositions eutectiques sont des mélanges d’au moins deux composants chimiques qui se solidifient ou liquéfient simultanément. En mélangeant différents composés, il est possible d’obtenir une mixture avec les propriétés thermiques désirées, notamment une température de fusion qui convient pour un usage au sein d’un bâtiment, comme présenté au tableau 1.4. Les mixtures eutectiques ne présentent habituellement pas de
ségrégation lors du changement de phase comme l’on pourrait s’attendre de la part d’un mélange de différents composés. Chaque composant de la composition eutectique fond et se solidifie de manière congruente, formant un cristal empêchant un des composés de couler par densité (Guyer, 1999). C’est un résultat indispensable pour assurer une bonne durée de vie aux mélanges et c’est le cas pour les mixtures eutectiques d’acides gras et d’esters d’acides gras.
Tableau 1.4: Propriétés de différents mélanges eutectiques organiques Tiré de (Kośny, 2015) MANGANESE NITRATE HEXAHYDRATÉ Mn(NO3)2 6H2O 25.8 125.9 (Nagano et al., 2000) CALCIUM CHLORIDE HEXAHYDRATÉ CaCl2 6H2O
29–30 171 et 190,8 (Heine and Abhat, 1978) (Heckenkamp and Baumann, 1997) (Khudhair and Farid, 2004) LITHIUM NITRATE TRIHYDRATÉ Li NO3 3H2O 30 296 (Heckenkamp and Baumann, 1997) CALCIUM BROMIDE HEXAHYDRATÉ
CaBr2 6H2O 30.2 115.5 (Lane, 1980, Dincer
and Rosen, 2002) SODIUM SULFATE DECAHYDRATÉ Na2SO4 10H2O 32.4 254 (Telkes, 1975,
Dincer and Rosen, 2002) YAVAPAIITE DODECAHYDRATÉ KFe(SO4)2 12H2O 33 173 (Sharma et al., 2009) LITHIUM BROMITE DIHYDRATÉ
LiBr2 2H2O 34 124 (Sharma et al.,
2009) SODIUM CARBONATE DECAHYDRATÉ Na2CO3 10H2O 32,4 146,9 (Telkes, 1975,
Dincer and Rosen, 2002)
12
1.2.6 Durabilité des composites à base de MCP
La durabilité des matériaux à changement de phase dépend de l’espèce chimique considérée et de sa pureté. Les caractéristiques inhérentes aux différents types de MCP ont déjà été détaillées dans une section précédente. La stratégie d’encapsulation, la manière dont le MCP est protégé ainsi que la fréquence et l’intensité des sollicitations thermiques conditionneront sa durabilité. Rathod et Benerjee ont publié en 2013 une revue détaillée qui traite de la stabilité thermique des différents types de MCP (Rathod and Banerjee, 2013).
Dans la littérature, les essais de vieillissement sur composites MCP sont caractérisés par un nombre de cycles de fusion / solidification. Ce nombre peut aller de quelques dizaines de cycles à 5000 cycles (Ferrer et al. 2015).
ESPÈCES CHIMIQUES PROPORTIONS (%) TEMPÉRATURE DE FUSION (°C) CHALEUR LATENTE DE FUSION (J/G) RÉFERENCES ACIDES CAPRIQUE– LAURIQUE 65–35 18 148 (Roxas-Dimaano and Watanabe, 2002) ACIDES CAPRIQUE - MYRISTIQUE 73.5–26.5 21.4 152 (Karaipekli and Sarı, 2008) ACIDES CAPRIQUE - PALMITIQUE 76.5–23.5 21.8 171.2 (Karaipekli and Sarı, 2008) ACIDES CAPRIQUE - MYRISTIQUE 66–54 24 147 (Lane, 1980) ACIDES CAPRIQUE - STÉARIQUE 82–17 24.7 178.6 (Karaipekli and Sarı, 2009) ACIDES LAURIQUE - PALMITIQUE 77–23 33 150.6 (Nikolić et al., 2003) STEARATE DE MÉTHYLE – STEARATE DE CÉTYLE 91–9 22.2 180 (Nikolić et al., 2003) STEARATE DE MÉTHYLE – PALMITATE DE MÉTHYLE 86–14 23.9 220 (Nikolić et al., 2003) STEARATE DE MÉTHYLE – PALMITATE DE CÉTYLE 91–9 28.2 189 (Nikolić et al., 2003)
13
Selon le « Guidelin Durability in Buildings » (CSA S478-95, Rev. 1997), la définition de la durabilité d’un système d’habitation est sa capacité pour une période de temps donnée à fonctionner sans subir d’endommagement significatif ou de défaut de fonctionnement et ce sans coût de maintenance non initialement prévu. C’est une donnée primordiale pour décider de l’investissement dans la technologie. L’objectif en durabilité dépend de l’emplacement du MCP dans l’enveloppe du bâtiment. En effet, la fréquence et l’intensité des sollicitations seront différents selon le positionnement du MCP. L’ANNEXE 1 présente une estimation de la durée de vie raisonnable pour des MCP positionnés de différentes manières au sein d’un bâtiment. En cas de vieillissement d’un composite MCP, les principaux défauts attendus sont : une perte de chaleur latente, une modification de la température de transition, de la corrosion et des fuites (Kośny, 2015).
1.3 Conditionnement du MCP
1.3.1 Enjeux du conditionnement
Un conditionnement du MCP est nécessaire afin de prévenir les fuites quand celui-ci est en phase liquide mais également afin de le protéger de son environnement. En outre, le conditionnement peut avoir d’autres fonctions, comme augmenter les caractéristiques thermiques de l’ensemble, servir de barrière ignifuge, ou nuancer les caractéristiques radiatives. Diverses techniques de conditionnement sont détaillées dans les paragraphes ci-après.
1.3.2 Macro-encapsulation
Des tubes, des parallélépipèdes, des poches et des sphères de différentes tailles permettent de conditionner des MCP. Cette voie est appelée la macroencapsulation. Un exemple de MCP macro-encapsulé dans une poche en plastique est visible en figure 1.3.
14
Le plus souvent, l’utilisation de matières plastiques est privilégiée (Kośny, 2015), en raison du faible coût et de la facilité de mise en œuvre. Barba et Spiga ont démontré en 2003 que le temps de transformation de changement de phase s’accroît proportionnellement au carré du rayon de la capsule (Barba and Spiga, 2003). C’est pourquoi il est préférable de macroencapsuler en poches de faibles épaisseurs ou en billes de faibles diamètres. Dans cette optique, l’enfilmage est une voie efficace.
En effet, il est possible d’envelopper le matériau à changement de phase avec un film plastique ou métallique et d’aboutir à une poche de faible épaisseur pour une grande surface. Cette technique peut se révéler économique tant elle est maîtrisée dans l’industrie alimentaire et de la santé. Il faut considérer que lors de la transition solide vers liquide, le matériau à changement de phase gagne en volume, ce qui peut poser problème avec un enfilmage sous vide. Avec la macroencapsulation, des problèmes de corrosion peuvent survenir, notamment au contact de certains métaux. Des études existent sur ce sujet et ont montré que les mélanges eutectiques d’acides gras corrodent le cuivre tandis que les sels hydratés peuvent corroder l’aluminium (Ferrer et al., 2015a, Oro et al., 2013). Des intégrations directes de MCP macroencapsulés au sein de bâtiments ont été réalisées pour des murs et des plafonds (Muruganantham et al., 2010b)mais aussi pour des greniers et des toits (Kosny et al., 2012).
Il est également possible d’utiliser des plus gros containers. Historiquement, la première utilisation documentée d’un matériau à changement de phase avait été faite en 1948 au Massachusetts Institute of Technology par Dr. Maria Telkes. Son idée avait été d’intégrer dans une maison des fûts métalliques contenant un MCP inorganique : le sel de Glauber, du sulfate de sodium déca hydraté de formule Na2SO4·10H2O (Telkes,
Figure 1.3: MCP macroencapsulé dans un sachet en Polyéthylène (PE)
15
1978). Elle avait rencontré un problème avec cette technique : une fuite de MCP quand les fûts montaient en température. Ce dysfonctionnement était dû à la corrosion des fûts. L’utilisation de gros containers est de nos jours privilégiée pour des systèmes actifs qui embarquent un mécanisme permettant un bon échange thermique entre le MCP et un fluide convecteur.
1.3.3 Microencapsulation
La microencapsulation consiste à protéger un composé en l’enrobant d’une barrière. Si ces microparticules sont creuses on parle de microcapsules et si elles sont pleines on parle de microsphères. La taille des particules ainsi formées varie entre 1 µm et 1 mm. Selon leur composition interne, les microcapsules peuvent être définies comme mononucléaires, polynucléaires ou matricielles, comme visible en figure 1.4 (Tyagi et al., 2011b).
Figure 1.4: Types de microcapsules Tiré de (Tyagi et al., 2011b)
Il existe des procédés de microencapsulation physiques, chimiques, physico chimiques etphysico-mécaniques (Giro-Paloma et al, 2016). La microencapsulation peut par exemple être réalisée par spray-drying (Hawlader et al., 2003), via un procédé de revêtement (Kaygusuz et al., 2008),par coacervation (Saihi et al., 2005) ou par polymérisation interfaciale (Cho et al., 2002). La coquille peut être composée de différents types de matériaux. Dans le cas de la méthode sol-gel par exemple, la coquille sera faite de silice. Pour des MCP, outre la protection, un avantage supplémentaire est l’augmentation de la surface d’échange i.e. du transfert thermique (Tyagi et al., 2011a).Toutefois, la coquille ne contribuant pas à la chaleur latente des particules, la microencapsulation est un procédé qui réduit le stockage latent de chaleur d’un composé. Un fort taux de chargement des microcapsules est primordial pour maintenir une forte chaleur latente et la rentabilité de la solution.
Dans le domaine des MCP, cette technique présente plusieurs avantages. Elle permet que la fonte du MCP se fasse à l’intérieur de la microcapsule, permettant au MCP de changer faiblement de volume lors de la transition de phase(Tyagi et al., 2011a). La microcapsule ainsi formée protège le MCP de son environnement. Ces
16
microcapsules peuvent ainsi être ajoutées dans la masse d’un matériau que l’on veut mettre en forme, sans risque de fuite. En revanche, ajouter des microcapsules dans la masse du matériau peut détériorer ses propriétés mécaniques (Guo et al., 2016). Elles peuvent également être directement ajoutées dans un isolant classique, comme la cellulose. D’autre part, la microencapsulation permet d’obtenir des petites particules, ce qui favorise l’échange thermique. Pour les MCP, le taux d’encapsulation est dépendant des espèces chimiques considérées mais également de la méthode de synthèse. Le taux d’encapsulation peut par exemple atteindre 88% par polymérisation interfaciale. (Konuklu et al., 2015)
.
Il est possible d’inclure une fonction d’ignifugation à la microencapsulation (Kośny et al., 2009). La figure 1.5 présente à titre d’exemple des microcapsules contenant du Rubitherm®27 (RT27) qui ont été synthétisées par spray-drying en 2011 par Borreguero et al., (Borreguero et al., 2011). La coquille est composée de polyéthylène basse densité et d’un copolymère d’éthylène-acétate de vinyle (EVA).Figure 1.5: Image MEB de microcapsules de PE-LD - EVA contenant du RT27 Tiré de (Borreguero et al., 2011)
La microencapsulation est une technique efficace mais elle est coûteuse. D’autre part, elle est difficile à mettre en place dans le cadre de sels hydratés du fait de leur hydrophilie : la barrière créée doit être une barrière hydrique pour ne pas modifier l’hydratation des sels au sein de la capsule (Hessbrugge and Vaidya, 1997). Elle est également complexe à mettre en œuvre dans le cas des mélanges eutectiques tant ceux-ci sont un mélange d’espèces chimiques. Cela dit, en 2017, Alva et al., ont réussi à microencapsuler un mélange eutectique d’acides myristiques et palmitiques avec une méthode sol-gel. Ils ont obtenu des microcapsules dotées d’une importante chaleur latente de fusion : 169.69 kJ/kg (Alva et al., 2017). C’est un excellent résultat mais dans leur méthodologie ils ne décrivent pas d’étape de rinçage après synthèse. Si le rinçage a été omis, la forte chaleur latente pourrait être due aux acides gras résiduels présents dans leur composé à la fin de leur synthèse.
17
1.3.4 Composite MCP Shape-stabilized (SS-PCM)
Une autre technique consiste à mettre en forme un matériau doté d’une microstructure qui permet au MCP de changer de phase sans qu’il n’y ait de soucis de fuite ou de corrosion. La structure du matériau suffit à créer un conditionnement efficace en permettant la transition solide/liquide sans avoir recours à la microencapsulation. Un tel matériau est couramment appelé SS-PCM. Par exemple, de la paraffine microscopique peut être incorporée à une matrice PEHD (Li et al., 2009). Cela dit dans cette étude l’impact environnemental du matériau ne semble pas être une question de premier plan. Dans un autre projet, Yinpinga et al. ont réussi à préparer un
SS-PCM qui contenait 80 % de MCP également dans du PEHD (Yinpinga et al., 2006). C’est un résultat
prometteur tant la quantité de MCP intégrée est élevée. En 2018,Ma et al., ont imprégné de la farine de bois avec un mélange eutectique d’acides lauriques et myristiques (Ma et al., 2018). Ils ont ajouté un sel complexe afin d’assurer la stabilité du matériau. Le résultat est un SS-PCM, sur lequel ils ont réalisé des tests de fuite en montée de température. Aucune fuite n’est survenue. C’est un bon résultat mais le composé qu’ils ont mis en forme est sous forme de poudre. Afin d’intégrer leur matériau dans un bâtiment, il conviendrait de mettre en forme des composites, par exemple sous forme de panneaux et de s’assurer de leur bonne tenue mécanique.
Mettre en forme un SS-PCM de conditionnement peut permettre un conditionnement efficace du matériau mais il convient dès lors de s’assurer de sa durabilité, notamment qu’il n’y aura pas de fuite de MCP.
1.4 Enjeux et stratégies d’intégration dans un bâtiment
1.4.1 Généralités sur l’intégration de MCP dans un bâtiment
La réussite d’une intégration de MCP est tributaire de beaucoup de paramètres. La zone climatique, la saison, la température de changement de phase, l’architecture du bâtiment, la localisation dans l’enveloppe et la quantité de MCP intégrée influent sur l’efficacité réelle de cette technologie (Soares et al., 2014). Une mauvaise intégration pourrait réduire à néant tout bénéfice énergétique et même provoquer l’effet inverse (Soares et al., 2013). Cette complexité d’intégration, couplée au manque de rentabilité des technologies actuelles, freine le développement des MCP à l’échelle de l’industrie du bâtiment. (Kośny, 2015). Très peu d’architectes et d’entrepreneurs généraux sont au fait des enjeux et besoins de cette technologie.
Différents objectifs peuvent justifier l’intégration de MCP dans un bâtiment. Suivant le climat, l’architecture et l’occupation du bâtiment, différentes stratégies d’intégration peuvent permettre une économie d’énergie ou une amélioration du confort thermique.
18
1.4.2 Déplacement du pic de consommation
Par leur liquéfaction les MCP peuvent déplacer le pic de consommation énergétique et ainsi permettre une meilleure gestion des pointes. Ce phénomène, couramment appelé peak load shifting, observable en figure 1.6, peut permettre une économie énergétique, monétaire et environnementale. Les conditions climatiques et les horaires régulières de travail amènent les usagers à utiliser massivement de l’énergie au même moment. Cela nécessite une forte capacité de production des générateurs d’électricité sur un temps court. Grâce aux MCP, ce pic de consommation est déplacé, lissant la courbe de consommation électrique globale. Grâce à cette masse thermique, en été, la climatisation sera nécessaire plus tard dans la journée. Par ailleurs en saison de chauffe, l’utilisateur a la possibilité de chauffer sa maison avant que le pic de consommation ne survienne (Khudhair and Farid, 2007). Cela peut se traduire par une économie monétaire directe puisque dans de nombreux pays, le coût de l’énergie est plus élevé durant la période de forte consommation journalière. Cela peut également permettre de stocker de l’énergie qui n’est disponible qu’à certaines périodes de la journée, ce qui est le cas avec différentes énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien (Soares et al., 2013).
Figure 1.6 : Peak load shifting et variation du cout de l’électricité au cours d’une journée
19
1.4.3 Réduction de la consommation en chauffage
En saison de chauffe, les MCP peuvent stocker de l’énergie solaire durant la journée. La liquéfaction survient grâce à la hausse de la température intérieure du bâtiment mais également grâce au rayonnement solaire direct. La nuit venue, la température de la pièce baisse et la solidification survient : la consommation de chauffage peut ainsi être réduite (Zhou et al., 2015, Telkes, 1978).
Par exemple, Muruganantham et al. (2010) ont testé l’efficacité de MCP intégrés dans un plafond. Ils ont construit deux maisonnettes qui ont été placées à l’Université d’état d’Arizona, Tempe, USA. Une maisonnette était équipée de MCP tandis que l’autre n’en avait pas. Un maximum d’économie d’énergie de chauffage de 29.3 % a été enregistré pour le mois de novembre 2008. L’économie minimale d’énergie a été enregistrée en mars 2008 et elle était de 9.2 %. (Muruganantham et al., 2010b). Par simulation numérique, en 2017, Devaux et Farid ont calculé qu’intégrer des MCP dans une maisonnette en climat néozélandais, à Auckland, permettait de réaliser une économie d’énergie de 32 % pour une économie monétaire de 42% (Devaux and Farid, 2017). Ils avaient auparavant validé leur modèle en construisant ces deux mêmes huttes d’une taille de 2.63 m x 2.64 m x 2.64 m. Ces deux études présentées ci-dessus démontrent que les MCP ont un réel potentiel pour économiser de l’énergie de chauffage.
1.4.4 Réduction du besoin en climatisation
L’intégration de MCP dans un bâtiment peut permettre de limiter le besoin en climatisation. En se liquéfiant, le MCP absorbe le surplus d’énergie qui aurait conduit à la surchauffe du bâtiment. Le recours à la climatisation est réduit ou annulé (Zalba et al., 2004, Mehling and Cabeza, 2008). En étant décalé, le pic maximal de température est également réduit, puisque lorsque le pic atteint son maximum, les heures sont passées et les conditions climatiques extérieures sont plus froides (Halford and Boehm, 2007). Un schéma théorique est visible en figure 1.7.
20
Figure 1.7 : Schéma théorique : réduction du pic maximum de température grâce aux MCP
L’investissement dans une technologie MCP peut éventuellement être amorti par la réduction de la consommation énergétique et de par le fait qu’il n’est plus nécessaire d’installer un système de climatisation, ou bien si un système est installé, il pourra être de plus petite dimension (Akeiber et al., 2016).
1.4.5 Bénéfice en confort thermique
Le confort thermique est quantifiable de différentes manières. Une première méthode consiste à solliciter des usagers via un questionnaire qui évalue leur ressenti. Une deuxième façon requiert d’instrumenter une pièce et d’utiliser des modèles prévisionnels. Parmi les modèles existants, deux théories s’opposent : les modèles statiques et les modèles dynamiques (ou adaptatifs). Les modèles dynamiques, contrairement aux modèles statiques, font l’hypothèse que le ressenti de l’usager est fonction de son historique thermique des derniers jours (De Dear and Brager, 1998). Dans une période chaude, nos attentes en termes de température seraient revues à la hausse et inversement. Différents modèles et normes ont été créés. L’ASHRAE-55 dispose par exemple d’un modèle statique et d’un modèle adaptatif (De Dear, 1998, de Dear, 2011).
Les MCP peuvent permettre d’améliorer le confort thermique des occupants d’un bâtiment. Comme détaillé au-dessus, ils peuvent premièrement réduire la surchauffe d’un bâtiment. De plus, si les MCP sont intégrés dans une surface qui échange par rayonnement avec l’utilisateur, ils influeront également sur la température opérative d’une pièce. Cela augmente le confort thermique de l’utilisateur, comme précédemment décrit dans la section « Intérêt du projet ». 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Te m p érature (° C)
