Thèse
INTEGRATION DES MATERIAUX A
CHANGEMENT DE PHASE COMME
SYSTEME DE REGULATION DYNAMIQUE
EN RENOVATION THERMIQUE
Présentée devant
L’Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat
pour obtenir
le grade de docteur
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Acoustique
(MEGA)
Spécialité : Génie Civil
Laboratoire d’accueil : Laboratoire des Sciences de l’Habitat,
Départe-ment Génie civil et BâtiDéparte-ment, ENTPE, Université de Lyon
Par Julien Borderon
(Ingénieur des Travaux Publics de l’Etat)
Soutenue le 31/10/2012 devant la Commission d’examen
Jury
CABEZA Luisa F. Professeur Examinateur
CANTIN Richard Docteur Ingénieur Co-directeur de thèse
INARD Christian Professeur Examinateur
FRAISSE Gilles Professeur Rapporteur
QUENARD Daniel Docteur Ingénieur Examinateur
« La science cherche le mouvement perpétuel.
Elle l’a trouvé : c’est elle-même. »
Victor HUGO
Energétique – Bâtiment – Matériaux à Changements de Phase – Ventila-tion – Confort d’été – ConvecVentila-tion forcée – Stockage de la chaleur – Si-mulation thermique dynamique – Rénovation thermique – Rafraîchisse-ment passif.
Dans le contexte actuel de l’amélioration thermique des bâtiments, la re-cherche de nouvelles solutions à intégrer au processus de rénovations est une étape essentielle pour la réalisation d’économies d’énergie dans l’existant. Dans une optique de maintien ou d’apport du confort d’été après une rénovation, les Matériaux à Changement de Phase (MCP) peu-vent être utilisés pour apporter une inertie suffisante afin d’utiliser la fraicheur nocturne aux heures les plus chaudes de la journée. L’utilisation proposée des MCP passe par la constitution d’un système d’échangeur air/MCP couplé à la ventilation du bâtiment. Ainsi les échanges ther-miques entre des plaques de MCP et l’air de ventilation ont lieu par con-vection forcée pour assurer des échanges plus importants que par convec-tion naturelle. Le stockage se fait par chaleur latente avec des températures de fusion/solidification du MCP adaptées.
Les objectifs du système d’échangeur air/MCP sont de doter le bâtiment d’une capacité passive de régulation de la température sans alourdir sa structure, d’améliorer le confort thermique d’été avec une stratégie de ventilation couplée au système et enfin d’éviter le recours à la climatisation active.
La démarche au cours de la thèse est d’évaluer les potentiels et caractéristiques de climats Français pour y associer des systèmes d’échangeurs air/MCP bien dimensionnés. Un prototype avec un composé ternaire de paraffines microencapsulées est pré-dimensionné avec un mo-dèle simplifié avant d’être instrumenté en température, en flux et en vi-tesse d’air au laboratoire. Un banc de test spécialement conçu dans le cadre de ce travail permet de lancer des expérimentations sous différents scénarios d’utilisation.
Ces données expérimentales sont confrontées à un modèle 2D Matlab du dispositif basé sur une modélisation aux différences finies im-plicites et une capacité thermique équivalente pour le MCP. Elles sont analysées dans l’optique de mieux déterminer les coefficients d’échanges convectifs et les phénomènes d’hystérésis dans le prototype pour alimen-ter le modèle numérique. Ce modèle, validé, est couplé à un modèle glo-bal de bâtiment sous TRNSYS pour simuler et évaluer le fonctionnement de plusieurs configurations d’échangeur air/MCP sous les différents cli-mats étudiés : Nice, Lyon, Trappes et Carpentras.
namic regulation system in thermal retrofitting
Keywords:
Energy – Building – Phase Change Materials – Ventilation – Summer Comfort – Forced convection – Heat Storage – Dynamic Thermal Simula-tion – Thermal retrofitting – Passive cooling.
In the current context of thermal improvement in the building sector, re-search of new solutions to integrate to the retrofitting process is an essen-tial step in the way of saving energy in the field. With the purpose of maintaining or improving the summer comfort after a retrofitting in a res-idential building, Phase change Materials (PCM) could be used to bring enough inertia to use the freshness of night cool during the warmest hour in the day. Using PCM in the way proposed in this thesis goes through the design of a PCM/air heat exchanger able to store latent heat. This unit is coupled to the ventilation system to ensure that the heat transfers be-tween the ventilation air and the PCM stock are forced convection and then higher than the ones with natural convection. The fusion and solidi-fication temperature for the PCM needs to be carefully chosen to allow the latent heat storage.
The objectives of the air/PCM heat exchanger are to add to the building a passive capacity to regulate his internal temperature without loading the structure, to improve the summer comfort in cutting the tem-perature peak with a ventilation strategy coupled to the system and lastly to avoid active cooling system.
The process through the thesis is to evaluate the potentials and characteristics of some French climates to work on well-adapted PCM systems. A real scale prototype with a micro-encapsulated paraffin mix-ture is designed with a simple model and assembled in the lab to be in-strumented in temperatures, heat flux and air velocity. An experimental set up has been specially designed to test the prototype with different scenarios of services.
The experimental data are compared to a bidimensional Matlab model based on the finite difference method and the equivalent heat ca-pacity for the PCM. They are analyzed in order to have a better behavior for the model concerning the convective coefficients and the hysteresis phenomenon. The validated model is coupled to a global TRNSYS model of a house to simulate and evaluate the behavior of the PCM/air system in different configurations for the studied climates: Nice, Lyon, Trappes and Carpentras.
Remerciements
Je tiens à remercier mes directeurs de thèse Joseph Virgone et Richard Cantin pour leur disponibilité, leur patience et pour l’encadrement de qualité qu’ils m’ont proposé tout au long de ce travail de thèse.
Je remercie également les membres du jury pour l’intérêt porté à mon travail et pour me faire bénéficier de votre expertise.
Aujourd’hui je pense aux scientifiques de tous bords rencontrés aux grés des stages, des colloques et des conférences et qui m’ont donnés goûts à la recherche ! L’équipe du DTU à Copenhague pour ma première expé-rience dans un laboratoire, Professeur Cabeza et Albert Castell à Lleida pour m’avoir accueilli et tous les autres à Pamporovo ou ailleurs !
Merci à toute la joyeuse équipée du laboratoire B2 de TPE et aux col-lègues du CETHIL, mention spéciale à Riccardo et Andrea pour les belles années que j’ai passé à vos cotés !
Je voudrais aussi remercier Julien Burgholzer, au laboratoire de Stras-bourg pour avoir été compréhensif et m’avoir laissé du temps pour ter-miner d’écrire ce manuscrit.
Et enfin big up à tous les amis, à la famille qui ont été et sont toujours présents à mes côtés dans les bons moments comme dans les plus diffi-ciles ! Mes parents, Marion, Benoit, Grand-père, Grand-mère qui j’en suis sûr suivra ma soutenance de là-haut. Je suis fier de pouvoir écrire ces remerciements après vous avoir fait attendre ces derniers mois ! Je pense aux amis de toujours, Julien, Amandine, Clément, Thomas, Denis, Flo, Nath, Aurélie, Julie,… ; aux potes de promo ; aux éternels colloc’ Hugo et Nico ; aux anciens 7MN, Jex, Tim et aux Lyonnais et joueurs de Magic, Thomas, Rémi, Fred, Nico, Vincent et Mathieu.
NOMENCLATURE 13
INTRODUCTION GENERALE 15
CHAPITRE 1 CONTEXTE, INTRODUCTION SUR LES MATERIAUX A
CHANGEMENT DE PHASE ET PROBLEMATIQUE 19
1 Contexte, enjeux et objectifs 21
1.1 Le contexte énergétique du secteur du bâtiment 21
1.2 Problématique 27
1.3 Climats Français et utilisation de MCP 28
1.4 Repères historiques pour l’utilisation de la chaleur latente 32
1.5 Conclusion 34
2 Etat de l’art sur les matériaux à changement de phase et les systèmes associés 36
2.1 Introduction 36
2.2 Eléments sur les MCP en général 36
2.3 Les systèmes intégrant des MCP dans la littérature scientifique 49 2.4 Etat de l’art sur la modélisation et l’expérimentation de MCP da ns le
bâtiment 52
2.5 Conclusion 57
CHAPITRE 2 MONTAGE EXPERIMENTAL POUR UN PROTOTYPE
D’ECHANGEUR AIR/MCP 59
1 Prototype d’échangeur testé 62
1.1 Introduction 62
1.2 Le composé Energain® comme MCP 62
1.3 L’échangeur réalisé au laboratoire 70
1.4 L’instrumentation 80
1.5 Conclusion 88
2 Montage d’un banc de test 90
2.1 Introduction 90
2.2 Dimensionnement du dispositif 90
2.3 Chaine de régulation 96
2.4 Protocole opératoire et tests réalisés 97
2.5 Conclusion 102
CHAPITRE 3 COMPORTEMENT EXPERIMENTAL DES ECHANGEURS AIR/MCP ET VALIDATION D’UN MODELE
1.4 Tests de sensibilité 116
1.5 Conclusion 128
2 Validation du modèle par les résultats expérimentaux, effet de l’hystérésis 130
2.1 Introduction 130
2.2 Coefficients d’échanges convectifs théoriques et expérimentaux 130 2.3 Confrontation entre simulations et résultats issus du banc instrumenté 135
2.4 Analyse du comportement en hystérésis du MCP 145
2.5 Conclusion 152
CHAPITRE 4 MODELISATION ET SIMULATION D’UN BATIMENT EQUIPE D’UN SYSTEME D’ECHANGEUR AIR/MCP COUPLE A LA
VENTILATION 153
1 Dimensionnement et performance du dispositif seul 155
1.1 Introduction 155
1.2 Performance de l’échangeur testé expérimentalement aux scénarios 2 c, d,
e 155
1.3 Dimensionnement d’une unité de MCP par la simulation 158
1.4 Conclusion 166
2 Simulation d’une maison équipée du système de stockage à MCP 168
2.1 Introduction 168
2.2 Modèle global de simulation de bâtiment incluant le système d’échangeur à MCP 169
2.3 Analyse et résultats sur les configurations étudiées 176
2.4 Conclusion 185
CONCLUSION GENERALE 187
BIBLIOGRAPHIE 191
INDEX DES FIGURES 199
Nomenclature
Acronymes :
MCP Matériau à Changement de Phase
TRNSYS Transient System Simulation Tool
Symboles :
b épaisseur de lame d’air m
c capacité thermique massique de l’air J.kg-1.K-1
cp capacité thermique massique du MCP J.kg-1.K-1
dh diamètre hydraulique m
dt pas de temps s
Δp perte de charge Pa
Δx longueur du petit échangeur m
D débit entre 2 plaques de MCP m3.h-1
Dt débit d’air total m3.h-1
E épaisseur des plaques de MCP m
EJ énergie disponible J
f facteur de friction -
g accélération de la pesanteur m.s-2
h coefficient de convection W.m2.K-1
hl enthalpie massique de la phase liquide J.kg-1
hs enthalpie massique de la phase solide J.kg-1
H enthalpie J
I matrice identité
l largeur de l’échangeur m
L longueur de l’échangeur m
Lf chaleur latente de fusion J
m masse kg
N nombre d’unité -
Q, P puissance de l’échangeur thermique W
t temps s
tp temps de pénétration pour le transfert de
chaleur par conduction dans le MCP
T température °C, K u vitesse de l’air m.s-1 Vol volume m3 Symboles grecs : ε coefficient de rugosité m-1 λ conductivité thermique du MCP W.m-1.K-1
ρ masse volumique de l’air kg.m-3
ρMCP masse volumique du MCP kg.m-3
θ fraction volumique fondue -
ξ petite variation de temps s
Nombres adimensionnels : Nu Nombre de Nusselt Pr Nombre de Prandtl Re Nombre de Reynolds Indices : e à l’entrée de l’échangeur f fusion
i indice de discrétisation spatiale
j, k indice de discrétisation temporelle
La raréfaction des ressources énergétiques non-renouvelables, la nécessi-té d’un meilleur partage à l’échelle mondiale et l’augmentation des rejets de dioxyde de carbone dans l’atmosphère avec comme conséquence un réchauffement climatique sont autant de raisons de travailler à une mei l-leure gestion de l’énergie et au développement de systèmes innovants. Cette nécessité d’économiser l’énergie et de maitriser les rejets de gaz à effet de serre poussent les acteurs de la construction et du bâtiment, se c-teur le plus consommac-teur d’énergie en France, à intervenir sur le parc existant. Cela se traduit en partie par le besoin d’isoler thermiquement des bâtiments. Le plus souvent cette isolation se fait par l’intérieur, r é-duisant ainsi l’impact de l’inertie thermique.
Dans un contexte de réchauffement climatique nous sommes i n-vités plus encore à nous saisir de la question du confort d’été dans nos bâtiments. Le GIEC, groupement international d’experts sur l’évolution du climat prévoit dans ses scénarii, une augmentation de la température moyenne en France comprise entre 2°C et 5°C à l’horizon 2100. La ré-duction du potentiel inertiel peut conduire à sa dégradation. L’installation de systèmes actifs de climatisation amène une surconsommation d’énergie que l’on va chercher à éviter ou à réduire au minimum. Dans certaines zones du sud de la France, la consommation d’énergie pour la climatisation est plus importante que celle pour le chauffage. Dans le cadre des travaux de la présente thèse, la conservation du confort d’été dans les bâtiments isolés par l’intérieur en rénovation thermique est la cible privilégiée.
L’idée générale développée est d’apporter un potentiel inertiel au bâtiment pour lui permettre d’utiliser la fraicheur nocturne de façon à rduire et à lisser sa température intérieure. De la masse thermique est n é-cessaire à la constitution du stock. Pour réduire le volume de l’unité de stockage, celle-ci est constituée de matériaux à changement de phase. Ainsi au stockage par chaleur sensible s’ajoute le stockage par chaleur la-tente. Pour charger et décharger les matériaux, l’air de ventilation est uti-lisé et le système obtenu échange en convection forcée pour intensifier les transferts de chaleur. Le coût des dépenses énergétiques de l’installation est donc limité à la mise en mouvement de l’air de ventila-tion.
Le potentiel des matériaux à changement de phase dans le bâti-ment sous diverses formes est un sujet traité dans la littérature scienti-fique depuis une trentaine d’année. Leur utilisation en conjonction avec la ventilation du bâtiment en situation de régulation dynamique de la température d’air dans le cadre de climats estivaux Français types est proposée et analysée. Dans ce but, une modélisation numérique du co m-portement thermique des matériaux à changement de phase permettra de perfectionner un échangeur stockeur. Un banc expérimental conçu spéci
a-lement accueille un prototype d’échangeur à plaques de matériaux à changement de phase instrumenté pour obtenir les résultats nécessaires à la validation du modèle, pour préciser les échanges convectifs aux inte r-faces entre l’air et le matériau et pour mieux comprendre certains phéno-mènes comme l’hystérésis. L’objectif du système d’échangeur air / Maté-riaux à Changement de Phase (MCP) est de garantir une température de ventilation fraiche durant les heures chaudes de la journée grâce à la réaction endothermique induite par la fusion des MCP. La nuit, la temp é-rature extérieure plus fraiche doit pouvoir garantir la solidification, réac-tion exothermique, pour que le système soit réutilisable la journée su i-vante.
Le modèle numérique de l’échangeur stockeur « à changement de phase » est couplé avec un modèle thermique multizone de bâtiment pour simuler un fonctionnement de l’installation sous différentes conditions climatiques et avec différents scénarii d’utilisation. Le comportement thermique du dispositif est analysé à travers les simulations à l’échelle du bâtiment. La capacité de régénération nocturne de la masse de matériaux à changement de phase pour les différents climats est analysée. Cela permettra de jauger du potentiel de ce type d’innovation pour ces applica-tions, de ses limites et des améliorations à apporter.
Ainsi la thèse se décompose en quatre chapitres. Le premier donne plus en détails le contexte du domaine d’étude et les objectifs de la thèse. Avec une synthèse de l’état de l’art sur les matériaux à changement de phase, leur utilisation dans les bâtiments et sur les travaux publiés avec des modèles de MCP pour la simulation.
Le second chapitre présente le MCP étudié au laboratoire, com-ment est ce qu’il a été mis en œuvre dans un prototype d’échangeur pour le système envisagé. Le banc d’essai et les expérimentations réalisées sont développés ici avec l’instrumentation utilisée et le protocole opéra-toire.
Au troisième chapitre, nous passons sur le volet numérique avec la présentation du modèle de l’échangeur avec le MCP. Celle-ci est ac-compagnée d’une étude de l’influence des différents paramètres d’entrée. Les données expérimentales du chapitre 2 sont confrontées aux résultats de simulation pour valider le modèle.
Lors du quatrième chapitre, l’insertion du modèle d’échangeur du chapitre 3 dans une modélisation complète de bâtiment fait l’objet d’un développement. Suivi par des éléments de dimensionnement du dis-positif à MCP par rapport aux contraintes climatiques et aux besoins. En-fin le comportement thermique d’un bâtiment rénové en isolation et équi-pé du système de ventilation couplé à l’échangeur air / MCP est analysé à travers les résultats de simulations pour différentes configurations et di f-férents climats.
Chapitre 1
Contexte, introduction sur les
Maté-riaux à Changement de Phase et
problématique
1
Contexte, enjeux et objectifs
1.1 Le contexte énergétique du secteur du bâtiment 1.1.1 Contexte énergétique et développement durable
1.1.1.1 Une prise de conscience collective
1.1.1.2 Textes fondamentaux sur l’énergie et le développement durable
1.1.2 Enjeux au niveau mondial et européen 1.1.2.1 Le protocole de Kyoto
1.1.2.2 Objectif global au niveau européen
1.1.3 A l’échelle de la France, le Grenelle de l’environnement 1.1.4 Secteur du bâtiment et parc de bâtiment existant
1.1.4.1 Le secteur du bâtiment : un gros consommateur d’énergie
1.1.4.2 Etat des lieux du parc existant 1.2 Problématique
1.3 Climats Français et utilisation de MCP 1.3.1 Période estivale
1.3.2 Période hivernale
1.4 Repères historiques pour l’utilisation de la chaleur latente 1.5 Conclusion
1 Contexte, enjeux et objectifs
1.1 Le contexte énergétique du secteur dubâtiment
1.1.1 Contexte énergétique et développement durable
1.1.1.1 Une prise de conscience collective
Les chocs pétroliers de 1973 et 1979 ont initié les premières réflexions nationales sur les économies d’énergie. Celles-ci ont eu exclusivement des raisons économiques dans un premier temps. Avec la prise de cons-cience des risques liés aux changements climatiques d’origine humaine, le GIEC (Groupe Intergouvernemental d’expert pour l’Etude du Climat) est créé en 1988. Leur dernier rapport a confirmé une augmentation de la température moyenne de l’atmosphère terrestre de 1,5 à 6 °C d’ici à la fin du siècle. La valeur réelle sera fonction du succès et des ambitions des actions menées pour réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre (ADEME, 2008).
Aujourd’hui les raisons économiques sont toujours présentes pour l’économie d’énergie tandis que les raisons environnementales sont de plus en plus considérées comme primordiales.
Cela se traduit par l’entrée en vigueur de nombreux textes visant à une politique nationale, mais également à une coopération internatio-nale pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre et les con-sommations énergétiques.
1.1.1.2 Textes fondamentaux sur l’énergie et le développement durable
Sur le plan international :
La convention cadre des Nations Unies sur les changements climatiques de 1992 (Nations-Unies, 1992)
Le protocole de Kyoto entré en vigueur le 16 février 2005. La déclaration commune des Académies des sciences pour le
Sommet du G8 de juillet 2005 sur la réponse globale au chan-gement climatique. (Académie des sciences, 2005)
Sur le plan Européen :
La directive 2002/91/CE du 16 décembre 2002 sur les perfor-mances énergétiques des bâtiments. (Parlement Européen, 2002)
La directive 2003/87/CE du 13 octobre 2003 établissant un sys-tème d’échange de quotas d’émission de gaz à effet de serre. (Parlement Européen, 2003)
Sur le plan National :
Le plan climat 2004-2012.
La Charte de l’environnement du conseil constitutionnel Les différentes lois Grenelle et réglementations thermiques
1.1.2 Enjeux au niveau mondial et européen
1.1.2.1 Le protocole de Kyoto
Le protocole de Kyoto est un programme international de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les pays industrialisés qui ont ratifié ce traité se sont engagés à réduire leurs émissions selon des objectifs chif-frés. Ainsi, les pays signataires se sont engagés à diminuer leurs émis-sions d’au moins 5% sur la période 2008-2012 par rapport à leur niveau de 1990, année de référence. Le traité est entré en vigueur en Février 2005. L’Europe s’est engagée de son côté à aller au-delà, en se fixant pour objectif une réduction de 8%.
Aujourd’hui, en 2012, la suite à donner au protocole de Kyoto n’est pas encore défini au niveau mondial et un nouveau traité contrai-gnant en terme de rejet de CO2 n’est pas à l’ordre du jour suite au refus des Etats-Unis, de la Chine et au retrait du Canada.
1.1.2.2 Objectif global au niveau européen
L’objectif global au niveau européen est de continuer à respecter le pro-tocole de Kyoto et de freiner le changement climatique ainsi que son coût et ses effets néfastes pour la santé et l’environnement. A l’issue du proto-cole de Kyoto, l’Union Européenne s’est engagée à une réduction de 8% de ses émissions à l’horizon 2012. Mais au sein de la communauté, les si-tuations nationales ne sont pas les mêmes. Ainsi, la France, en raison principalement de sa proportion de nucléaire dans sa production d’énergie, doit pour sa part stabiliser ses émissions sur la période 2008-2012 au même niveau que ses émissions de 1990.
La directive 2002/91/CE, appelée directive sur la performance énergétique des bâtiments, s’inscrit dans le cadre du protocole de Kyoto appliqué au sein de l’U.E. Une réduction de la consommation de l’énergie grâce à l’amélioration de l’efficacité énergétique dans le bâti-ment constitue une solution à appliquer et à développer dès à présent. Cette directive est entrée en vigueur en France le 1er Juillet 2006.
1.1.3 A l’échelle de la France, le Grenelle de l’environnement
Le Grenelle de l’environnement (Ministère de l'écologie, du développement durable, des transports et du logement, 2007) s’est tenu à Paris à l’automne 2007. Le groupe de travail numéro un : Lutter contre les changements climatiques et maitriser l’énergie s’est fixé comme ob-jectif premier « de permettre aux générations futures de disposer des res-sources dont elles auront besoin pour leur développement ». Le premier élément pour atteindre cet objectif en France est de se placer le plus tôt possible sur une trajectoire de division par 4 des émissions de gaz à effets de serre d’ici 2050. Le groupe rappelle l’étape des « 3x20 »fixé par le conseil européen pour l’horizon 2020 : réduction de 20% des émissions de gaz à effets de serre ou 30% en cas d’engagements d’autres pays in-dustrialisés, baisse de 20% de la consommation d’énergie, et proportion de 20% des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie. La force du Grenelle de l’environnement réside en la mobilisation de tous les acteurs autour de ces objectifs et autour d’actions volontaristes sup-plémentaires.
Une des thématiques phares des travaux du groupe s’intitule « Vers une société sobre en énergie et en ressources ». Les réflexions et les actions sur le bâtiment s’inscrivent dans cette thématique, à la fois sur le bâti neuf, pour « lancer un programme de rupture technologique » et sur le bâti existant pour « engager dès maintenant un chantier très ambi-tieux de rénovation énergétique des bâtiments existants ». Une ambition affichée lors du Grenelle est de réduire de 12% d’ici 2012 la consomma-tion énergétique du secteur du bâtiment existant et d’aller jusqu’à 38% de réduction en 2020.
1.1.4 Secteur du bâtiment et parc de bâtiment existant
1.1.4.1 Le secteur du bâtiment : un gros consommateur d’énergie
Le secteur du bâtiment représente aujourd’hui un peu plus de 43% de la consommation d’énergie nationale, ce qui en fait le premier consomma-teur d’énergie, loin devant le transport et l’industrie (respectivement 32 et 23% de la consommation d’énergie nationale) (ADEME, 2008). De plus, 23% des émissions de gaz à effets de serre sont imputables au sec-teur du bâtiment d’après le Grenelle de l’environnement. La Figure 1 pré-sente quelques chiffres clés.
Figure 1: Répartition des consommations énergétiques finales françaises par secteur en 2005
L’évolution du parc immobilier Français est relativement lente. Le flux annuel de construction s’élève à 300 000 logements alors que la France compte 30 millions de logements (Ministère de l'écologie du développement durable des transport et du logement, 2007). Cela repré-sente un renouvellement de 1% par an. En France 2/3 de l’énergie totale consommée par le secteur du bâtiment l’est pour le logement. Dans ce contexte, il est évident que la réhabilitation de ces bâtiments constitue un enjeu majeur pour atteindre les objectifs de diminution des consomma-tions énergétiques et de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
1.1.4.2 Etat des lieux du parc existant
Le parc de logements et des bâtiments tertiaires représente environ 3,5 milliards de mètres carrés chauffés se répartissant de la façon suivante : les ¾ de cette surface sont affectés aux logements, le quart restant au bâ-timent tertiaire. L’énergie est consommée pour les 2/3 dans les logements et pour 1/3 dans les bâtiments tertiaires. La part des émissions de CO2
suit une répartition identique. Le Tableau 1 synthétise les données chif-frées sur le parc de logement existant pour la décomposition par usage et les consommations énergétiques finales.
On compte en France d’après les comptes du logement de 2007 (Ministère de l'écologie du développement durable des transport et du logement, 2007) 31,6 millions de logements dont 17,9 millions de loge-ments individuels et 13,7 millions de logeloge-ments collectifs. Il y a 26,51 millions de résidences principales, 3,11 millions de résidences secon-daires et 1,94 million de logements vacants.
Tableau 1: Décomposition par usage et consommations énergétiques finales (CEREN – rapport ministériel 2008)
Nombre (millions de lo-gements) Surface (millions de m²) Total Consomma-tions (TWH) Maisons Indivi-duelles (MI) 17,3 1782 285,7 Immeubles Collec-tifs (IC) 13,4 884 152,1 Total - Résidences 30,7 2666 437,8 Bat. Tertiaire 850 221,2 Total 3516 659
Les dépenses engagées pour l’amélioration et l’entretien des lo-gements en France s’élèvent à plus de 58,6 milliards d’€ TTC en 2006 (+4,2% en moyenne annuelle depuis 1996) pour près de 16 millions d’opérations. Cette évolution concerne davantage le parc concerné par les gros travaux liés à des interventions plus complexes comme les copro-priétés dégradées, les sorties d’insalubrité ou encore les travaux spéci-fiques au développement durable (adaptation du logement au vieillisse-ment, économies d’énergie, etc.)… le plus facile ayant été fait. (L’observatoire de l’habitat existant – Anah/FFB -2008).
Malgré l’importance des économies déjà réalisées notamment sous l’effet des politiques d’énergie impulsées par les pouvoirs publics et des travaux de maîtrise de l’énergie réalisés par les ménages, il faut noter que le chauffage représente encore aujourd'hui plus des 2/3 (Tableau 1 et Tableau 2) de la consommation d'énergie et la majeure partie des émis-sions de CO2 en raison du contenu élevé en carbone des combustibles
fossiles et de l'électricité utilisée lors des périodes très froides.
Tableau 2: Répartition des résidences principales par usage (MI : maisons in-dividuelles, IC : immeubles collectifs)
Chauffage ECS Cuisson Electricité spécifique MI 200,3 28,4 19,1 37,3
IC 117 18,8 10,1 21,1
Total 317,3 47,3 29,2 58,3
% 70.2 10.5 6.5 12.8
L’action essentielle liée à la réduction des consommations éner-gétiques du parc existant doit être accompagnée d’une prise en considéra-tion de différentes exigences :
a. les exigences de confort d’été : la réhabilitation doit se faire selon une approche globale du bâtiment, intégrant
no-tamment son comportement d’hiver et son comportement d’été ;
b. les exigences économiques liées à des réhabilitations qui pourraient être lourdes, peu rentables voire inadaptées au bâti ancien ;
c. les exigences du développement durable directement asso-ciées à la pérennité du patrimoine bâti : des réaménage-ments brutaux ou inadaptés peuvent entrainer une perte de qualités intrinsèques, voire des pathologies ou une réduc-tion de la durée de vie de ces construcréduc-tions.
Ainsi, des caractéristiques constructives sont spécifiques au bâti ancien : d. organisation intérieure des pièces selon leur destination et
leur orientation avec des espaces tampons selon les types d’activités, des ouvertures dimensionnées selon les besoins spécifiques en matière de renouvellement d’air et de venti-lation hygiénique du logement;
e. des plans de logements généralement traversants ; f. des hauteurs sous-plafond relativement importantes ; g. des structures lourdes avec une forte inertie thermique ; h. parois hétérogènes avec des matériaux sensibles à
l’humidité ;
Si les façades des bâtiments anciens ne peuvent pas être isolées aussi facilement que les façades des bâtiments récents, il apparaît que les spécificités des structures et des volumes intérieurs des bâtiments anciens offrent des opportunités en matière de rénovation thermique.
Les différents travaux déjà réalisés par le DGCB ces dernières années avec l’Agence Internationale de l’Energie pour la rénovation énergétique des bâtiments d’Etats dans le cadre de l’annexe 46 (Cantin & Guarracino, 2006) ont montré qu’il est primordial de trouver des solu-tions innovantes adaptées au bâtiment ancien et qui ne consistent pas à simplement isoler. Les Etats doivent faire preuve aujourd’hui d’exemplarité avec des projets de rénovation énergétique ambitieux pour faire évoluer les pratiques applicables dans leurs pays.
La recherche de nouvelles solutions à intégrer au processus de rénovation énergétique étant une étape essentielle à l’atteinte des objec-tifs nationaux et internationaux, une rupture technologique pour le bâti-ment comme les matériaux à changebâti-ment de phase pourraient contribuer à des réhabilitations très performantes qui diminueront la facture énergé-tique tout en garantissant le confort de l’usager aussi bien en hiver (ou du moins en mi-saison par la valorisation des périodes favorables à la récu-pération d’énergie gratuite) qu’en été. De plus, l’emploi de telles tech-niques innovantes permettra une revalorisation du bâti existant.
1.2 Problématique
Toutes les possibilités disponibles dans l'environnement local du bâti-ment doivent être exploitées pour réduire le recours à des énergies fos-siles. Mais dans tous les cas les aspects ventilation et de confort d'été res-tent des exigences essentielles.
Il est en effet possible d’améliorer la performance énergétique des bâtiments en jouant sur les variations temporelles des énergies gra-tuites et le stockage de ces énergies dans un dispositif adapté et bien géré. Cela revient à une amélioration de la régulation thermique du bâtiment, celui-ci ayant souffert au fil des années des pratiques architecturales pri-vilégiant les parois légères et trop isolantes : ces pratiques conduisent à des amplitudes de températures incompatibles avec le confort des usagers et nécessitent la mise en fonctionnement intempestif à la fois du chauf-fage et de la climatisation. L’idée centrale est donc de doter le bâtiment existant d’une meilleure capacité d’autorégulation thermique sans pour autant alourdir sa structure ou nuire à la surface utilisable du bâtiment.
Le renforcement de l’isolation peut conduire à des surchauffes des locaux dès que l’on a des charges internes (cas des bâtiments ter-tiaires par exemple).Une solution, déjà envisagée au niveau des parois de bâtiments de faible inertie, consiste à implanter des MCP (Matériaux à Changement de Phase) que l’on peut qualifier de « thermiquement actifs ». Les résultats prometteurs sont issus du projet : PREBAT 2005 « IMCPBAT » (Virgone, et al., 2010). Les économies d’énergie poten-tielles démontrées peuvent atteindre 10% sur le chauffage et 30% sur la climatisation.
Ces résultats, obtenus avec des matériaux placés derrière le pa-rement intérieur, sans aucune activation particulière, incitent à continuer sur la voie de l’intégration, en tirant parti des enseignements qui en ont découlé : agir sur le choix et la nature des MCP à mettre en œuvre, aug-menter leur efficacité à l’aide d’une ventilation forcée qui améliore la ré-génération et réduit les problèmes d’hystérésis.
Cela a conduit à imaginer une configuration consistant à faire passer l’air de ventilation par un stock de matériaux à changement de phase placés dans un sous-plafond et qui sera régénéré pendant la nuit.
La problématique va consister à analyser les performances de l’intégration de MCP comme solution pour les bâtiments à réhabiliter. Peut-on les utiliser pour les intégrer dans les bâtiments existants ayant une grande hauteur sous plafond? Quel potentiel ont les MCP pour ré-pondre aux besoins en rafraichissement de différents climats estivaux Français en plus de mieux appréhender les transferts thermiques entre fluide circulant et MCP ?
1.3 Climats Français et utilisation de MCP
Les fichiers météo Meteonorm de 4 villes Françaises, Trappes, Nice, Lyon et Carpentras sont analysés pour examiner dans quelles conditions les matériaux à changement de phase seront sollicités. Les variables étu-diées sont l’amplitude quotidienne de variation de la température de l’air et la température moyenne quotidienne de l’air. Celles-ci sont impor-tantes pour pouvoir cibler les températures de fusion compatibles pour les MCP ainsi que pour évaluer les différences de températures entre les jours et les nuits. Cette amplitude de variation de température quoti-dienne doit être la plus importante possible pour permettre les cycles de liquéfaction / solidification du MCP.
L’hiver et l’été sont observés à la lumière de ces variables. La Figure 2 et la Figure 3 rendent compte des statistiques sur la période Juin, Juillet, Aout, Septembre. La Figure 4 et la Figure 5 donnent ces statis-tiques sur la période Décembre, Janvier, Février, Mars.
1.3.1 Période estivale
Figure 2: Statistiques sur l'amplitude des variations de température quoti-dienne sur 4 mois d'été (122 jours) de Juin à Septembre inclus
Sur la période estivale, Carpentras est le climat le plus chaud, suivi de près par Nice avec des moyennes quotidiennes de température d’air comprises entre 15°C et 26°C. Pour Nice il y a 56 jours avec une
2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 20 40 60 80 100 120 140
Amplitude quotidienne de la température deltaT(°C)
N o m b re d e j o u r o ù d e lt a T > = Lyon Nice Trappes Carpentras
température moyenne supérieure ou égale à 22°C et pour Carpentras 62 jours, ce qui correspond respectivement à 46% et 51% des jours de la pé-riode. A Carpentras, il y a 16 jours avec une température moyenne supé-rieure ou égale à 25°C soit 13% de la période. Pour Nice c’est 5 jours soit 4% de la période. Le climat de Lyon comprend des températures moyennes quotidiennes comprises entre 11°C et 26°C avec 27 jours où cette moyenne est supérieure ou égale à 22°C (22% des jours). Enfin le climat de Trappes est le plus frais avec des moyennes quotidiennes com-prises entre 11°C et 25°C mais seulement 8 jours où cette moyenne est supérieure ou égale à 22°C (6,6% des jours).
Ces informations permettent de cibler des températures de fusion comprises entre 21°C et 25°C, dans le haut de la fourchette pour Carpen-tras et dans le bas pour Trappes. Avec le climat de Nice, la régénération du MCP ne sera pas acquise puisque la température d’air la nuit est moins fraiche que pour un climat plus continental.
Figure 3: Statistiques sur les températures moyennes quotidiennes sur 4 mois d'été (122 jours) de Juin à Septembre inclus
Concernant les amplitudes des variations quotidiennes de tempé-ratures, Carpentras est le climat où elles sont les plus marquées, suivi par Lyon. 70 jours sur 122, cette amplitude est supérieure ou égale à 10°C à Carpentras. Pour Lyon c’est 60 jours sur 122. 108 jours sur 122, elle est supérieure ou égale à 8°C à Carpentras et c’est 95 jours sur 122 pour
10 15 20 25 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Température moyenne quotidienne (°C)
N o m b re d e j o u rs ( s u r 1 2 2 ) Lyon Nice Trappes Carpentras
Lyon. A Trappes, ces amplitudes peuvent être plus importantes pour cer-tains jours, jusqu’à 13°C 20 jours sur l’été mais aussi plus faibles sur d’autres jours : 22 jours où l’amplitude est inférieure ou égale à 6°C. Pour le climat de Nice, l’influence de la mer sans doute, fait que les va-riations quotidiennes de températures sont plus faibles. Les amplitudes de ces variations sont supérieures ou égale à 8°C seulement 41 jours sur 122 et comme à Trappes, sont inférieures ou égales à 6°C 20 jours.
1.3.2 Période hivernale
Figure 4: Statistiques sur l'amplitude des variations de température quoti-dienne sur 4 mois d'hiver (122 jours) de Décembre à Mars inclus
Sur la période hivernale, Nice est clairement un climat plus clé-ment en termes de moyennes de température quotidienne. Elles vont de 3°C à 13°C avec 46% des jours où cette moyenne est supérieure ou égale à 10°C. Vient ensuite Carpentras avec des moyennes quotidiennes de température comprises entre –2°C et 14°C avec une médiane à 6°C. Lyon et Trappes sont quasiment au même niveau. Les moyennes vont de –7°C à 13°C pour Lyon et de –5°C à 11°C pour Trappes. Les médianes sont respectivement à 2,5°C et 4,5°C.
Au sujet des variations de températures jours / nuits, globalement celle-ci sont plus faibles qu’en été. C’est toujours Carpentras qui donne
2 4 6 8 10 12 14 16 0 20 40 60 80 100 120 140
Amplitude quotidienne de la température deltaT(°C)
N o m b re d e j o u r o ù d e lt a T > = Lyon Nice Trappes Carpentras
les plus fortes amplitudes avec plus de 10°C 50% des jours de la période. Pour les autres, les valeurs sont moins grandes, avec des amplitudes su-périeures ou égales à 8°C 50% des jours pour Nice, susu-périeures ou égales à 7°C 50% du temps pour Lyon et supérieures ou égales à 6,5°C 50% du temps pour Trappes. A Carpentras, les amplitudes sont inférieures ou égales à 7°C 24% des jours. A Nice, elles sont inférieures ou égales à 6°C 25% des jours. A Lyon, elles sont inférieures ou égales à 5°C 27% des jours. Et à Trappes, elles sont inférieures ou égales à 5°C 33% des jours.
Figure 5: Statistiques sur les températures moyennes quotidiennes sur 4 mois d'hiver (122 jours) de Décembre à Mars inclus
Pour traiter l’hiver, les plages de température de fusion pour les MCP à considérer sont donc bien différentes de celles qui concernent l’été. Les faibles amplitudes des variations journalières de températures ne sont pas favorables à l’usage de matériaux à changement de phase couplés à l’air extérieur sur des cycles quotidiens.
-100 -5 0 5 10 15 5 10 15 20 25
Température moyenne quotidienne (°C)
N o m b re d e j o u rs ( s u r 1 2 2 ) Lyon Nice Trappes Carpentras
1.4 Repères historiques pour l’utilisation de la chaleur latente
L’histoire des MCP est assez ancienne, puisqu’il apparaît que la glace était déjà utilisée au Moyen Âge, aux alentours des années 1200, comme stockage d’énergie thermique en Iran pour refroidir les aliments. La glace était prélevée des lacs ou rivières gelées en hiver, et la fonte était limitée par des dispositifs d’isolation à base de sciures de bois et/ou de paille. De nos jours, l’utilisation de la glace pour refroidir les bâtiments est la seule application véritablement diffusée du stockage d’énergie thermique par chaleur latente.
Le développement des MCP est quant à lui plus récent puisqu’il a fallu attendre l’année 1949 pour que Maria Telkes, ingénieur hongroise, ne conçoive une maison solaire à Boston, aux Etats Unis, dans laquelle un système de chauffage utilisant les MCP soit intégré. Parmi les pre-mières installations réalisées à base de MCP, 3 containers en acier de 21 tonnes (au total) de sulfate de sodium décahydraté (ou sel de Glauber) ont été utilisés pour chauffer une zone de 135 m2 de plancher. Le système tel qu’il était conçu, permettait de stocker l’équivalent de 12 jours de chauf-fage et a relativement bien fonctionné durant 2 saisons de chaufchauf-fage. En-suite, le fonctionnement a été altéré à cause de la ségrégation et de la déshydratation du sel. A la suite de ces constats, Maria Telkes ainsi que nombreux chercheurs ont orienté leurs recherches sur l’encapsulation et la stabilisation des MCP.
En parallèle, à partir du milieu des années 1940, les industries alimentaires ont commencé à comprendre l’intérêt des MCP pour la con-servation de la nourriture pendant le transport et le stockage. Pour cette application des MCP ont été encapsulés dans du métal. Les héritiers di-rects de cette technologie sont les accumulateurs de froid que chacun a déjà placé dans sa glacière comme ceux présentés sur la Figure 6. Ces ac-cumulateurs sont composés d’un gel eutectique, c'est-à-dire un mélange de 2 corps purs capables de changer d’état, protégé par une enveloppe ri-gide en polyéthylène.
Figure 6: Accumulateurs de froid à base de gel eutectique
Des blocs de chaleur à usage thérapeutique ont été également commercialisés à la même période, et des produits similaires sont tou-jours utilisés actuellement pour conserver la chaleur des pizzas pendant la livraison par exemple.
Au milieu des années 1950, les MCP ont été utilisés avec succès pour stocker l’électricité aux heures de pointe, comme par exemple par Philadelphia Electric Company. Aussi des accumulateurs de froids cons-titués de sels à basse température de fusion (sulfates de magnésium, de sodium, de potassium, et/ ou chlorures de sodium, d’ammonium, de cal-cium et de magnésium) ont servi à stocker les produits pharmaceutiques et les denrées médicales périssables telles que le sang par exemple. Des dérivés de ces produits sont toujours en cours d’utilisation.
Au cours des années 1960, ce sont les applications pour réchauffer et re-froidir le corps humain qui ont vu le jour comme une combinaison de plongée chauffante. Cette application est également toujours utilisée avec notamment des gammes de vêtements, dont les fibres conçues par la so-ciété américaine Outlast Technologies, initialement pour protéger les as-tronautes de la NASA des variations extrêmes de températures de l’espace, sont constituées de microbilles encapsulées à l’intérieur des-quelles se trouve un MCP comme indiqué sur la Figure 7.
Lors de la mission d’Apollo 15 en 1971, la NASA a déjà utilisé les MCP pour refroidir les équipements électriques de la navette.
A fur et à mesure que les préoccupations envers l’approvisionnement en énergie grandissaient, les programmes de re-cherche s’orientaient, d’une manière générale, vers le développement du-rable et dans une moindre mesure vers les MCP. Aussi les crises énergé-tiques des années 70 ont eu pour effet de recentrer les domaines de recherche sur le stockage d’énergie thermique.
Depuis, différents programmes de recherche ont été menés dans différents pays, que ce soit de la part de laboratoires privés ou universi-taires, et une base de données importante sur les MCP a été constituée.
Figure 7: Schéma de fonctionnement des thermocules PCM OUTLAST®
1.5 Conclusion
La recherche de solutions innovantes pour la rénovation thermique de bâ-timent existant est un enjeu fort en cette période de prise de conscience de la nécessité d’économiser l’énergie et de limiter au maximum les re-jets de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. L’introduction de MCP dans le bâtiment comme organe de stockage thermique pour bénéficier d’un grand potentiel inertiel est une piste à fort potentiel lorsque les con-ditions climatiques, les besoins et les caractéristiques du matériau sont en adéquation. Des climats tels ceux de Carpentras où Lyon pour la période estivale où il y a un besoin en rafraichissement peuvent être intéressants pour cette méthode.
L’idée d’utiliser les MCP dans le bâtiment n’est pas neuve et la partie suivante dresse un bilan de l’état de l’art dans ce domaine.
2
Etat de l’art sur les matériaux à
changement de phase et les
sys-tèmes associés
2.1 Introduction
2.2 Eléments sur les MCP en général 2.2.1 Le stockage d’énergie thermique
2.2.1.1 Le changement de phase d’un point de vue énergétique 2.2.1.1.1 Changement de phase d’un corps pur idéal 2.2.1.1.2 Changement de phase d’un corps pur réel 2.2.1.2 Potentiel de stockage par chaleur latente et sensible 2.2.2 Matériaux utilisables pour le stockage d’énergie par chaleur
latente
2.2.2.1 Les paraffines comme MCP 2.2.2.2 Les non-paraffines comme MCP
2.2.2.2.1 Les Acides gras 2.2.2.2.2 Les sels hydratés 2.2.2.2.3 Les eutectiques 2.2.3 Le conditionnement des MCP
2.2.4 Conclusion sur les MCP utilisables dans le bâtiment 2.3 Les systèmes intégrant des MCP dans la littérature
scientifique
2.3.1 Les MCP en situation passive en paroi
2.3.2 Les MCP en combinaison avec un système énergétique, solaire ou autre
2.3.3 Rafraichissement d’air à l’aide de MCP
2.4 Etat de l’art sur la modélisation et l’expérimentation de MCP dans le bâtiment
2 Etat de l’art sur les matériaux à
changement de phase et les
systèmes associés
2.1 IntroductionLe stockage d’énergie thermique par chaleur latente intéresse la commu-nauté scientifique depuis plusieurs décennies. Les utilisations et les déve-loppements sont multiples et dans plusieurs domaines. Les matériaux à changement de phase (MCP) sont un vecteur prometteur pour le stockage de chaleur dans les matériaux puisqu’ils permettent le stockage par cha-leur sensible et par chacha-leur latente. Un livre sur le sujet a été écrit par Mehling et Cabeza (Mehling & Cabeza, 2008). Il permet de bien cerner cette technologie.
L’état de l’art sur les matériaux à changement de phase et leurs utilisations en bâtiments est décliné en trois parties. Premièrement, une présentation des matériaux qui composent le groupe dit de MCP ainsi que ceux qui retiennent l’attention pour le domaine du bâtiment. Ensuite des applications directes ou en système utilisant les MCP pour le bâtiment sont présentées. Puis une revue de travaux scientifiques publiés sur l’intégration de matériaux à changement de phase dans le bâtiment en termes de modélisation et d’expérimentation est réalisée.
2.2 Eléments sur les MCP en général
2.2.1 Le stockage d’énergie thermique
Stocker l’énergie thermique présente de nombreux avantages. Notamment de pouvoir palier à l’inadéquation entre la disponibilité de l’énergie et la demande. Tout matériau stocke de l’énergie thermique via l’augmentation de la température environnante. Ce stockage peut être de nature sensible ou de nature latente. Dans le bâtiment, le stockage d’énergie dans des MCP permet de mettre à profit le comportement énergétique des maté-riaux lors du changement d’état solide à liquide et inversement de liquide à solide. Les autres changements d’état présentent d’autres intérêts moins compatibles avec le cadre de l’habitat et du bâtiment. La revue bibliogra-phique de Felix Regin propose plus d’informations sur les différents changements de phase solide, liquide, gaz (Felix Regin, Solanki, & Saini,
Heat transfer characteristics of thermal energy storage system using PCM capsules: a review, 2008).
La chaleur latente représente la grande quantité de chaleur déga-gée lors de la solidification d’un matériau et à l’inverse la même quantité d’énergie absorbée lors de la fusion du matériau.
2.2.1.1 Le changement de phase d’un point de vue énergétique
2.2.1.1.1 Changement de phase d’un corps pur idéal
Une phase d’un corps pur est définie comme : « une zone dans l’espace des paramètres thermodynamiques (T, P, V) d’un système composé uni-quement d’un corps pur, dans lequel l’énergie libre est une fonction ana-lytique ». Pour un volume V d’un corps pur, le diagramme des phases re-présente l’espace occupé par chacune des phases dans le plan d’abscisse la température et d’ordonnée la Pression. Les trois états les plus répandus pour la matière sont solide, liquide et gazeux. Ces états sont directement associés aux phases du diagramme des phases. Les frontières entre les différentes phases représentent les changements d’état, solidification pour le passage de l’état liquide à l’état solide, fusion pour le passage de l’état solide à l’état liquide, voir la Figure 8 pour tous les changements d’états.
Figure 8: Nomenclature des changements d’état
La pression peut être considérée comme constante durant le pro-cessus de transformation pour les mises en œuvre de matériaux qui nous intéressent. Il s’agit soit de la pression atmosphérique soit de la pression dans le système pour les cas d’intégration de MCP dans des systèmes
ac-tifs. La Figure 9 représente un changement d’état à une pression donnée pour un passage de l’état solide à l’état liquide repéré sur le diagramme des phases. L’évolution de la température du système se traduit par un déplacement sur la ligne bleue horizontale. Cette ligne coupe la frontière liquide / solide donc lorsque la température du système atteint ce point sur la frontière, il y a changement de phase et la température est appelée température de fusion.
Figure 9: Transformation représentée dans le diagramme des phases
D’un point du vue dynamique, le passage d’un équilibre thermo-dynamique à un autre, pour une perturbation à l’instant t va s’achever à
t+∆t. Soit un échelon de température ∆T imposé à un corps pur idéal de
masse m. Cet échelon permet la solidification du matériau. Le passage de l’état thermodynamique initial stable à l’état thermodynamique final stable se fait en trois étapes comme décrites sur la Figure 10. Première-ment, il y a le refroidissement du liquide où le corps pur libère de la cha-leur sensible pour abaisser sa température de manière à revenir à l’équilibre. Cette étape s’achève lorsque la température de fusion est at-teinte. Ensuite, c’est le changement de phase à température constante égale à la température de fusion. La chaleur latente est dégagée. Cette étape s’achève quand tout le corps pur est en phase solide. Troisième étape, le corps pur à l’état solide se refroidit en libérant de la chaleur sen-sible pour atteindre la température finale d’équilibre T2.
L’énergie totale libérée pendant cette transformation avec le pas-sage de T1 à T2 vaut : 1ère étape : (1) 2ème étape : (2) 3ème étape :
(3) Avec cpl la capacité calorifique massique du liquide, cps la
capa-cité calorifique massique du solide et Lf la chaleur latente de fusion.
L’aire sous la courbe de flux représente cette énergie échangée.
Figure 10: Réponse en température et en flux d’un corps pur idéal lors d’une solidification (source : (David, 2010))
2.2.1.1.2 Changement de phase d’un corps pur réel
Figure 11:Solidification d'un corps réel (source: (David, 2010))
Dans le cas précédent d’un corps pur idéal le changement de phase a lieu à température constante. Dans le cas d’un corps pur réel et encore plus pour des mélanges, le changement de phase a lieu sur une plage de
tem-pérature plus ou moins étroite suivant les cas. La Figure 11 montre cette plage de température dans la deuxième étape.
Un autre phénomène peut également apparaitre lors de change-ment de phase de corps réels, il s’agit du phénomène de surfusion. La so-lidification d’un matériau est amorcée par la formation de petits cristaux, les nucléis qui s’étendent pour former la phase solide. Le taux de nucléa-tion d’un matériau est sa capacité à former des nucléis lorsque sa tempé-rature descend sous sa tempétempé-rature de fusion. Si ce taux de nucléation est trop bas, alors la température du matériau peut descendre sous la tempé-rature de fusion sans que la phase liquide devienne solide. Alors la solidi-fication s’amorce un peu plus tard dès que le nombre de nucléis formé est suffisant et subitement la température interne du matériau remonte à la température de fusion.
2.2.1.2 Potentiel de stockage par chaleur latente et sensible
Le principal intérêt de la chaleur latente par rapport à la chaleur sensible est la plus grande quantité d’énergie stockable dans le même volume de matière. Pour la même variation de température englobant la plage de fu-sion / solidification du MCP, la chaleur latente permet de stocker jusqu’à 15 fois plus d’énergie que la chaleur sensible qu’un matériau type ma-çonnerie avec un MCP pur performant.
Tableau 3: Quelques matériaux pour le stockage par chaleur sensible Matière Gamme de
tem-pérature (°C)
Densité (kg/m3) Capacité ther-mique massique (J/(kg.K)) Pierres communes 20 2560 879 Briques 20 1600 840 Béton 20 1900-2300 880 Eau 0-100 1000 4190 Caloriea HT 43 12-260 867 2200 Huile de moteur Jusqu’à 160 888 1880 Ethanol Jusqu’à 78 790 2400
La quantité d’énergie stockée par chaleur sensible dépend de la masse de matériau, de sa capacité thermique massique et du différentiel de température. Le Tableau 3 donne des valeurs pour la capacité de stoc-kage par chaleur sensible pour quelques matériaux sélectionnés. Les va-leurs sont issues de la revue de Sharma sur le stockage d’énergie ther-mique (Sharma, Tyagi, Chen, & Buddhi, 2009). L’eau apparait comme le meilleur medium liquide pour le stockage par chaleur sensible vu sa haute capacité thermique massique et sa disponibilité. Pour des
applica-tions nécessitant un medium solide, la roche propose un couple Densité Capacité thermique massique le plus intéressant. Si l’on considère un dif-férentiel de 30°C, 1 m3 d’eau peut stocker 125700 kJ et 1 m3 de roche peut stocker 67507 kJ. Par comparaison, le MCP Energain® constitué d’un mélange de paraffines micro-encapsulées avec un polymère et étudié plus en détail dans le chapitre 2 permet de stocker sur ce différentiel de 30 C si celui-ci intègre la plage de fusion :
En chaleur sensible avec une densité de 900 kg/m3 et une capacité thermique massique de 2430 J/(Kg.K) : 65610 kJ.
En chaleur latente (71 J/g) : 63900 kJ.
Soit un total de 129510 kJ pour ce différentiel de 30°C avec fusion de la paraffine.
Sur ce différentiel de température de 30°C, le MCP permet de stocker 2 fois plus de chaleur que la roche et autant de chaleur que l’eau tout en s’affranchissant de la nature liquide du medium. Sur des différen-tiels de température plus resserrés autour du pic de température de fusion, le MCP se démarquera d’autant plus. Avec le MCP type utilisé au cha-pitre 4, avec sa chaleur latente de fusion de 170 J/g, sa masse volumique de 1000 kg/m3 et sa plage de fusion comprise entre 19°C et 24°C la com-paraison avec l’eau et la roche donne les résultats suivants pour le diffé-rentiel de 5°C entre 19°C et 24°C :
Energie emmagasinée par 1 m3 de roche : 11251 kJ.
Energie emmagasinée par 1 m3 d’eau : 20950 kJ.
Energie emmagasinée par 1 m3 de MCP : 15850 kJ en sensible, 170000 kJ en latent et 185850 kJ au total.
Soit 16 fois plus que la roche et 9 fois plus que l’eau liquide.
2.2.2 Matériaux utilisables pour le stockage d’énergie par chaleur latente
Dès 1983, Abhat a établi une classification des substances utilisables pour le stockage par chaleur latente (Abhat, 1983). Cabeza a publié une revue spécialement sur les matériaux à changement de phase utilisés dans le bâtiment (Cabeza, Castell, Barreneche, De Gracia, & Fernandez, 2011). La Figure 12 est une classification des substances utilisées pour le stockage d’énergie. Dans le cadre du stockage par chaleur latente pour un système associé au bâtiment, sont retenus :
Les matériaux organiques, notamment paraffines (CnH2n+2) et
Acides gras (CH3(CH2)2nCOOH).
Les matériaux inorganiques : notamment sels hydratés (MnH2O).
Les mélanges eutectiques de corps organiques et/ou inorganiques.
Figure 12: Classification des substances pour le stockage d’énergie (traduit de (Cabeza, Castell, Barreneche, De Gracia, & Fernandez, 2011))
Sharma précise les différentes propriétés que devraient avoir les MCP utilisés dans les systèmes de stockage d’énergie (Sharma, Tyagi, Chen, & Buddhi, 2009). Il s’agit de propriétés thermophysiques, ciné-tiques et chimiques.
Les propriétés thermiques recherchées couvrent :
Une plage ou une température de changement de phase adaptée.
La chaleur latente volumique doit être la plus grande pos-sible.
La conductivité thermique doit être suffisante pour assurer les transferts de chaleur dans le matériau.
Les propriétés physiques recherchées sont : Une grande densité.
Une dilatation volumique raisonnable pour limiter les pro-blèmes de conditionnement.
Les propriétés cinétiques recherchées sont : Pas d’effet de surfusion.
Un taux de cristallisation suffisant.
Une stabilité chimique à long terme Pas de toxicité.
Une résistance au feu suffisante pour les normes en vigueur dans la construction.
Les prix pratiqués pour les MCP disponibles sur le marché va-rient de 0,5 à 10 € le kg (Cabeza, Castell, Barreneche, De Gracia, & Fernandez, 2011).
2.2.2.1 Les paraffines comme MCP
Les paraffines sont une famille d’hydrocarbonés saturés. Au-delà de C15H32 elles sont solides sous formes de cires. Globalement, plus la
chaîne carbonée est longue plus la température de fusion est élevée et plus la chaleur latente est grande (Hiran, Suwondo, & Mansoori, 1994). La plupart des paraffines commerciales sont obtenues par distillation à base de pétrole et ne sont pas pures mais des mélanges de plusieurs h y-drocarbures. Le Tableau 4 indique les propriétés de paraffines pures usuelles.
Tableau 4: Points de fusion et chaleur latente pour quelques paraffines pures, solides sous forme de cires ((Abhat, 1983)et (Younsi, 2008))
Nom Point de fusion (°C) Densité (kg/m3) Chaleur latente
(J/g) C16H34 18,2 774 238 C17H34 22 778 215 C18H34 28,2 814S-775L 245 C19H34 31,9 912S-769L 222 C20H34 37 n.a. 247 C21H34 41 n.a. 215 C22H34 44 n.a. 249
L : Liquide ; S : Solide ; n.a. : pas de donnée
Sharma synthétise les avantages et inconvénients des paraffines pour leur usage comme MCP (Sharma & Sagara, 2005).
Les avantages sont la grande stabilité chimique des paraffines ;
elles n’ont pas tendance à la ségrégation des phases donc permettent de grands nombres de cycles fusion/solidification consécutifs. La chaleur la-tente de fusion / solidification est grande. Il n’y a quasiment pas de sur-fusion avec les paraffines et les agents de nucléation ne sont pas néces-saires. De plus les paraffines ne sont pas toxiques et 100% recyclables.
Les inconvénients sont l’origine pétrolière des paraffines
com-merciales ; ainsi que le fait que la conductivité thermique à l’état solide soit assez faible. Le volume occupé par la paraffine peut varier
significa-tivement avec le changement d’état. Contrairement aux sels hydratés la zone de température de changement de phase est assez étalée sur plu-sieurs degrés, le pic est plus large et moins élevé. Enfin les paraffines sont inflammables donc elles doivent être conditionnées en conséquence pour l’usage en bâtiment.
2.2.2.2 Les non-paraffines comme MCP
Des esters, acides gras ; alcools et glycols peuvent être utilisés comme medium organiques de stockage thermique par chaleur latente. Ces maté-riaux doivent être conditionnés car ils sont inflammables et ne doivent pas être exposés à des agents oxydants. Leurs caractéristiques sont assez différentes d’une substance à l’autre contrairement aux paraffines. Le Tableau 5 répertorie quelques unes de ces substances organiques utili-sables comme MCP. Feldman a publié des travaux sur les MCP obtenus avec l’estérification d’acide stéarique et palmitique pour des points de fu-sion entre 17°C et 34°C et des chaleurs latentes entre 140 et 190 J/g (Feldman, Banu, & Hawes, 1995).
Tableau 5: Chaleur latente et température de fusion de quelques substances or-ganiques non-paraffines (traduit de (Sharma & Sagara, 2005))
Nom Point de fusion
(°C) Densité (kg/m3) Chaleur latente (J/g) Acide formique 7,8 1226,715C 247 Acide Acétique 16,7 105020C 187 Glycérine 17,9 126020C 198,7 Ethanolate de
chloride lithium 21 n.a. 188 Polyéthylène gly-col 600 20-25 110020C 146 Acide D-Lactique 26 124920C 184 1-3 Methyl pen-tacosane 29 n.a. 197 Camphenilone 39 n.a. 205
2.2.2.2.1 Les Acides gras
Les acides gras forment un ensemble avec des propriétés proches. Ils ressemblent aux paraffines avec des variances dans les avan-tages / inconvénients. Les voici :
Les avantages sont un pic de fusion souvent étroit et bien
dé-marqué sur une plage de température réduite et une stabilité dans les cycles fusion / solidification (Sharma, Sharma, & Buddhi, 2002). La cha-leur latente est assez grande sur les acides gras. Le Tableau 6 indique
quelques valeurs de points de fusion et de chaleurs latentes pour une sé-lection d’acide gras.
Les inconvénients sont les mêmes que pour les paraffines avec
en plus une légère corrosivité et un coût deux à trois fois supérieur.
Tableau 6: Chaleur latente et température de fusion pour quelques acides gras (traduit et extrait de (Sharma & Sagara, 2005))
Nom Point de fusion (°C) Densité (kg/m3) Chaleur latente
(J/g)
Acide Oléique 13,5-16,3 86360C n.a.
Isopropyle
stéa-rate 14-19 n.a. 140-142 Butyle stéarate 19 n.a. 140 Diméthyle
saba-cate 21 n.a. 120-135 Vinyle stéarate 27-29 n.a. 122 Méthyle
palmi-tate 29 n.a. 205
Acide Caprique 32 87845C 152,7
2.2.2.2.2 Les sels hydratés
La famille des sels hydratés constitue un réservoir à MCP avec les avan-tages les plus nombreux mais aussi de gros inconvénients. Ces substances sont constituées d’un sel et d’eau qui forment une matrice cristalline lors de la solidification. Lors de la liquéfaction certains sels hydratés forment un ensemble congruent mais pas tous, c’est un point délicat pour l’usage de ces matériaux. Le Tableau 7 répertorie quelques uns des sels hydratés indiqués dans la littérature.
Tableau 7: Points de fusion et chaleur latente d’une sélection de sels hydratés (traduit et extrait de (Sharma & Sagara, 2005))
Nom Point de fusion (°C) Densité (kg/m3) Chaleur latente
(J/g) LiClO3.3H2O 8 n.a 253 NH4Cl.Na2SO4.10H2O 11 n.a 163 K2HO4.6H2O 14 n.a 108 NaCl.Na2SO4.10H2O 18 n.a 286 KF.4H2O 18 n.a 330 K2HO4.4H2O 18,5 144720C 231 Mn(NO3)2.6H2O 25 173820C 148 LiBO2.8H2O 25,7 n.a 289 FeBr3.6H2O 27 n.a 105 CaCl2.6H2O 29-30 180224C 170-192
