Résumé – Abstract Résumé Abstract

57 Pages·2012·18.15 MB·French

Résumé – Abstract

Résumé

Ce Projet de Fin d’Etudes s’articule autour de l’utilisation des Matériaux à Changement de
Phase (MCP) dans le futur bâtiment 3E à Wroclaw (Pologne). Ils permettent de stocker et de
relâcher l’énergie provenant des apports solaires ou internes, et sont une solution
intéressante pour réduire les consommations énergétiques et pour améliorer le confort
thermique au sein d’un bâtiment. Le logiciel britannique TAS est utilisé pour évaluer le
potentiel du MCP Energain® de la société Dupont de Nemours que nous intègrerons dans
des plaques de plâtre de certains murs intérieurs du bâtiment 3E. Cet écrit synthétise, dans
un premier temps, l’état de l’art des MCP. Dans un second temps, il retrace les
performances de l’Energain® au sein du logiciel TAS en fonction de l’influence de la
température de consigne, des apports solaires, de l’épaisseur et de l’emplacement de ce
matériau à appliquer. Enfin, nous analyserons l’impact de l’Energain® sur le bâtiment 3E et
tenterons de trouver des solutions afin d’optimiser au maximum l’utilisation des MCP.

Mots clés : Matériau à changement de phase, stockage d’énergie, bâtiment 3E, simulation.

Abstract

This End-of-study Project is based on the use of Phase Change Materials (PCM) in the
future 3E building in Wroclaw (Poland). They can store and release energy from solar or
internal gains. They are an attractive solution to reduce the energy consumptions and to
improve the summer comfort in a building. The British software, TAS, is used to evaluate the
potential of the PCM Energain®, from Dupont de Nemours company, that we integrate in
plasterboard of some internal walls of the 3E building. Our report synthesizes, first, the state-
of-the-art of PCM. In a second time, it traces the Energain® performances in the software
TAS based on the influence of the internal temperature, the solar gain, the thickness and the
location of this applied material. Finally, we analyze the impact of Energain® on the 3E
building and try to find solutions for fully optimize the use of PCM.

Key Words: Phase change materials, storage energy, 3E building, simulation.

Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E Page 1
Tuteur : Armand ERB Août 2012
Sommaire

Résumé .................................................................................................................................1

1. Introduction à l’étude ....................................................................................................3
1.1. Contexte ...................................................................................................................3
1.2. Enjeux ......................................................................................................................4
1.3. Objectifs ...................................................................................................................5
2. Etat de l’art : utilisation des Matériaux à Changement de Phase (MCP) en tant que
matériaux de construction ...................................................................................................6
2.1. Présentation .............................................................................................................6
2.2. MCP solide/liquide....................................................................................................9
2.3. MCP solide/solide...................................................................................................13
2.4. Critères de sélection d’un MCP ..............................................................................14
2.5. Analyse des systèmes de stockage d’énergie à base de MCP dans le bâtiment ....14
3. Présentation du projet universitaire concernant le bâtiment 3E – ENERGIE
ECOLOGIE ECONOMIE ......................................................................................................23
3.1. Présentation générale du projet ..............................................................................23
3.2. Le bâtiment 3E – ENERGIE ECOLOGIE ECONOMIE ............................................25
3.3. Des installations innovantes ...................................................................................27
4. Etude des MCP à l’aide d’un outil de simulation thermique dynamique .................33
4.1. Utilisation des MCP avec le logiciel TAS ................................................................33
4.2. Performances de l’Energain® au sein du logiciel TAS ............................................36
4.3. Etude de l’influence des apports solaires ...............................................................41
4.4. Etude de l’influence de l’épaisseur de l’Energain® .................................................46
4.5. Etude de l’emplacement de l’Energain® .................................................................47
4.6. Conclusion .............................................................................................................47
5. Analyse de l’impact de l’Energain® dans le bâtiment 3E à l’aide du logiciel TAS ..48
5.1. Implantation de l’Energain® dans le bâtiment 3E ...................................................48
5.2. Résultats ................................................................................................................52

Conclusion ..........................................................................................................................54

Bibliographie ......................................................................................................................56

Sommaire des annexes ......................................................................................................57

Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E Page 2
Tuteur : Armand ERB Août 2012
1. Introduction à l’étude
1.1. Contexte
L’énergie peut être utilisée sous différentes formes telles que la chaleur, l’énergie mécanique
ou encore la lumière. 2000 ans auparavant, les Romains avaient appris à recourir à des
carrelages en céramique pour stocker la chaleur en tant que systèmes de chauffage au sol
[1]. De même, l’homme savait déjà comment garder la nourriture au frais avec la glace.
Cependant, le stockage du chaud et du froid ne jouait pas encore un rôle déterminant dans
la vie quotidienne. Cette notion a pris de l’ampleur lors de la révolution industrielle lorsque de
réels besoins de confort dans l’habitat se sont fait ressentir. De nos jours, les réfrigérateurs,
le chauffage et l’eau chaude sanitaire sont devenus une nécessité incontournable dans les
foyers.

L’avantage du stockage de la chaleur consiste à répondre à l’offre et la demande même s’ils
ne coïncident pas au même moment, en pouvant regrouper différentes énergies. L’énergie
utilisée peut provenir de différentes sources qui peuvent être renouvelables ou non.
L’énergie solaire n’est pas particulièrement continue, c’est pourquoi le stockage de la chaleur
est nécessaire pour contrôler de manière fiable les besoins de chaud et de froid, et de
réduire considérablement les consommations d’énergie dans le bâtiment ainsi que les
émissions de gaz à effet de serre résultantes.

La méthode la plus connue du stockage de l’énergie thermique (TES) résulte dans le
changement de température d’un matériau de stockage. Parce que nous ne ressentons pas
les changements de température de par nos sens, nous appelons cette méthode : le
stockage de la chaleur sensible. Une méthode alternative, celle que nous utilisons dans le
cadre de notre projet, consiste à changer la phase d’un matériau comme, par exemple, le
stockage de la glace et de la neige. Le changement de phase entre les aspects solide et
liquide est particulièrement avantageux puisque la fusion et la solidification s’effectuent à
température constante : la température de fusion. Ces matériaux sont appelés « matériaux à
changement de phase » ou encore « MCP ». Puisque la température de fusion reste
constante, le stockage de la chaleur ne peut être directement ressenti, d’où son appellation
« stockage de la chaleur latente ». Cette dernière méthode de stockage de la chaleur
possède une masse volumique de stockage plus importante que celle fournie par la méthode
de stockage de la chaleur sensible, c’est pourquoi son utilisation est largement répandue
aujourd’hui.

Dans un premier temps, les matériaux à changement de phase (MCP), dits aussi matériaux
intelligents, sont apparus sur le marché de la construction pour réduire les besoins en
climatisation durant les périodes estivales. Incorporés à l’intérieur des bâtiments, dans des
produits à base de polymères, de plâtre, ou de béton, les MCP sont capables d’améliorer les
performances énergétiques de l’enveloppe tout en augmentant l’inertie thermique. D’autre
part, complémentaires d’une isolation, ils sont une réponse au durcissement de la
réglementation thermique et à la prise en compte de la notion de confort d’été et de confort
d’hiver.

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Tuteur : Armand ERB Août 2012
Les premiers panneaux de construction de bâtiment contenant les matériaux à changement
de phase sont réalisés au Mexique par Wright et Balcomb [2]. Ils fabriquent des maisons «
passives » avec des systèmes dits à gains direct (matériaux de construction intégrant des
paraffines dans les bétons) dans les années 1970. Dans la même année, en France, est
réalisé le premier panneau plâtre à base de paraffine pour améliorer l’inertie des parois
minces. Cependant l’inflammabilité et le suintement de cette paraffine sur ces deux
matériaux ralentit le développement de l’intégration des MCP dans le secteur du bâtiment.
La mise en place de la technique de « micro-encapsulation » qui élimine ces deux problèmes
relance le regain de ces matériaux pour le bâtiment à partir des années 2000.

Actuellement, la majorité des études concernant les matériaux à changement de phase
(MCP) sont orientés sur :
- leur utilisation, lorsqu’ils sont intégrés à l’enveloppe du bâtiment, pour des
applications de chauffage ;
- leur intégration à l’enveloppe de bâtiments à faible inertie thermique dans le but
d’améliorer le confort d’été.
1.2. Enjeux
Depuis 20 ans, nous pouvons constater que le comportement et les inquiétudes des gens
ont évolué face aux problèmes concernant le changement climatique et les consommations
d’énergies. En effet, l’être humain a finalement pris conscience qu’il jouait un rôle dominant
dans le changement climatique auquel nous faisons face, notamment dû aux émissions de
CO provenant de nos consommations d’énergie. De plus, l’épuisement des énergies
2
primaires (voir figure 1) [3], telles que le pétrole (34% de la consommation d’énergie en
2007), le charbon (26,5%) ou encore le gaz naturel (20,9%), est un phénomène de plus en
plus présent, à un tel point que, lors du printemps 2008, le prix du pétrole atteignit le record
historique de 100$/baril pour la première fois. Par conséquent, afin de réduire l’utilisation
coûteuse des énergies primaires et donc les émissions de CO , il est devenu de plus en plus
2
courant de recourir à l’utilisation d’énergies renouvelables et/ou au stockage de la chaleur.

Figure 1 : Date prévisible d’extinction des ressources d’énergie (selon IFPEN en 2009) [3].
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Ainsi, à l’heure où les questions énergétiques et environnementales sont de plus en plus
préoccupantes et où la réglementation thermique appelle à une plus grande prise en compte
du confort intérieur, les matériaux à changement de phase suscitent l’intérêt croissant des
professionnels du bâtiment. En effet, le secteur du bâtiment représente environ 40% de la
consommation d’énergie finale en Europe et contribue à 36% des émissions de gaz à effet
de serre [3]. Le chauffage et la climatisation représentent près de 70% de ces
consommations d’énergie et la majeure partie des émissions de CO du secteur [3].
2

En janvier 2007, la Commission européenne a mis en place une politique énergétique pour
l’Europe, qui vise à lutter contre les changements climatiques et à stimuler la compétitivité et
la sécurité dans le secteur de l’énergie de l’UE. C’est dans cette optique que la nécessité
d’augmenter l’efficacité énergétique fait partie du triple objectif de l’initiative « 20-20-20 » d’ici
2020, ce qui signifie une réduction de 20% de la consommation d’énergie primaire de l’Union
et des émissions de gaz à effet de serre, ainsi que l’inclusion de 20% d’énergies
renouvelables dans la consommation d’énergie. En maîtrisant ces différents enjeux,
s’instaure une volonté politique afin que la température moyenne mondiale n’augmente pas
plus de 2°C.
1.3. Objectifs
Situé à l’intérieur du campus de l’Université Polytechnique de Wroclaw, le futur bâtiment 3E
a été imaginé comme un bâtiment novateur et précurseur d’une forte tendance
environnementale. Il sera le premier bâtiment public en Pologne à répondre à des critères
aussi élevés en matière d’économie d’énergie.

Dans le cadre de notre étude, certaines pièces de ce bâtiment, composé de trois étages,
seront équipées de matériaux à changement de phase (MCP) pour répondre à la double
problématique du confort d’hiver et d’été en maîtrisant les consommations d’énergie.

Ce projet vise donc à l’utilisation rationnelle dans le bâtiment de l’inertie thermique contenue
dans les MCP. La société Dupont de Nemours [4] a mis en œuvre de manière industrialisée
la production de plaques de MCP encapsulées. Quelques pré-études ont permis de montrer
que des applications de ce type de produit dans le bâtiment pourraient conduire à des gains,
à la fois en confort et en économie d’énergie.

Après avoir fait l’état de l’art des matériaux à changement de phase en tant que matériaux
de construction, nous réaliserons des études numériques, à l’aide du logiciel britannique
TAS, pour montrer l’intérêt des solutions envisagées et les optimiser. Nous étudierons
d’abord les performances de l’Energain® au sein du logiciel TAS en fonction de l’influence
de la température de consigne, des apports solaires, de l’épaisseur et de l’emplacement de
ce matériau à appliquer. Ce travail influera sur l’utilisation que nous ferons du MCP dans le
bâtiment 3E par la suite. Enfin, nous analyserons l’impact de l’Energain® sur le bâtiment 3E
et déciderons des modifications à apporter ou non quant aux hypothèses de fonctionnement
dont il dispose, afin d’optimiser au maximum l’utilisation des MCP.

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2. Etat de l’art : utilisation des Matériaux à Changement de
Phase (MCP) en tant que matériaux de construction
2.1. Présentation
2.1.1. Des matériaux dits « intelligents »

A l’heure actuelle, nous pouvons distinguer deux grandes catégories de matériaux :
- Matériaux de structure.
- Matériaux « dits intelligents ».

Un matériau intelligent est sensible, adaptatif, et évolutif. Il peut être à la fois :
- Un capteur : détecter des signaux.
- Un actionneur : effectuer une action sur son environnement.
- Un processeur : traiter, comparer, stocker des informations.

Nous pouvons dénombrer 3 grandes familles pour ce type de matériau :
- Les alliages à mémoire de forme (AMF).
- Les matériaux piézoélectriques, électrostrictifs et magnétostrictifs.
- Les matériaux à changement de phase (MCP) qui sont l’objet de notre étude ici.
2.1.2. Méthode de stockage de l’énergie thermique

Le stockage de l’énergie thermique, appelé plus communément « stockage du chaud et du
froid », permet le stockage du chaud ou du froid pour être utilisé plus tard. Afin de pouvoir
restituer le chaud ou le froid après quelques temps, cette méthode de stockage nécessite
une réversibilité. La figure 2 montre les différentes méthodes possibles qui peuvent être
divisées en procédés physiques ou chimiques.

Différentes méthodes du stockage de l'énergie thermique
Procédés
Procédés physiques
chimiques
Chaleur
Chaleur latente
sensible
Changement Changement Changement
de phase de phase de phase
solide-liquide liquide-vapeur solide-solide

Figure 2 : Différentes méthodes possibles du stockage du chaud et du froid [1].
2.1.3. Définition

Il s’agit de matériaux ayant la particularité de pouvoir stocker de l’énergie sous forme de
chaleur latente. Dans le cadre du bâtiment, les matériaux à changement de phase (MCP)
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absorbent et libèrent la chaleur en fonction des variations de température, dues aux apports
ou pertes énergétiques en provenance du milieu ambiant, qui font réagir le composé en
provoquant « un changement de phase ». Le milieu localisé de l’autre côté de la paroi où est
intégré le MCP ne ressent pas l’effet de la variation de température.

L’utilisation des MCP s’articule principalement autour de 3 fonctionnalités :
- Capacité de garder au froid.
- Capacité de garder au chaud.
- Capacité de stocker la chaleur.

D’après le fabricant de MCP, BASF [5], une paroi contenant 2 cm du produit Micronal® a la
même performance en terme d’inertie thermique qu’une brique d’épaisseur de 36 cm ou un
mur en béton d’épaisseur de 24 cm ou encore du bois massif d’épaisseur 38 cm (figure 3).

Figure 3 : Schéma comparatif des inerties thermiques
en fonction de l’épaisseur et de la nature du matériau [5].

Le tableau 1 ci-dessous décrit les points forts et faibles relatifs à l’emploi des MCP dans le
bâtiment.

POINTS FORTS POINTS FAIBLES
- Capacité relative à emmagasiner des - Importante énergie grise requise pour
calories, puis à les restituer. la fabrication du produit.
- Enthalpies de changement de phase - Diffusion dans les bâtiments encore
élevées et expansions volumiques limitée, peu de retour d’expériences
réduites (<10%) lors de la fusion. et peu de produits concrets existent
- Apport d’inertie à un bâtiment avec sur le marché.
faible encombrement. - Il faudrait un produit spécifique en
- Amélioration du confort (seulement fonction du lieu géographique et du
possible dans le cas où le MCP est climat.
accouplé à une surventilation - D’un point de vue sanitaire et
nocturne, une régulation précise et environnement, aucune ACV n’est
une bonne isolation) due à : connue à ce jour.
▪ Une réduction de la température
maximale à l’air,

▪ Une température de surface du

mur plus basse.

- Utilisation sous diverses formes :

microcapsules intégrées dans des

plaques de plâtre, des enduits, du
béton ou mélange avec un polymère
laminé de chaque côté par deux
feuilles d’aluminium.
Tableau 1 : Distinction des points forts et faibles de l’emploi des MCP dans le bâtiment.
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Actuellement, deux types de MCP sont présents dans le domaine du bâtiment :
- Phase solide/liquide.
- Phase solide/solide.
2.1.4. Principales applications

Les principales applications industrielles des matériaux à changement de phase (MCP) sont
les suivantes :
- Supplément d’isolation des bâtiments.
- Climatisation passive.
- Stockage d’énergie thermique.
- Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles
pharmaceutiques ou médicaux.
- Industrie textile

Mais également :
- Récupération de la chaleur issue de l’incinération des déchets
- Diminuer les effets exothermiques de réactions chimiques
- Energie solaire
- Système thermique dans l’aérospatiale
- Refroidissement de moteur dans l’industrie automobile
- Protection thermique de composants et circuits électroniques
2.1.5. La recherche en Europe

Depuis la crise du pétrole dans les années 70, plusieurs recherches concernant
l’élargissement des plages des températures de fusion ont été effectuées. Aussi, nous
disposons actuellement d’une large palette de matériaux de stockage et d’un grand nombre
de produits pour différentes applications sur le marché international. Toutes ces perspectives
sont en constante amélioration en raison du développement du marché de l’énergie et des
nouvelles politiques environnementales tant au plan national qu’international.

De nombreux centres de recherche européens ont des projets autour des matériaux à
changement de phase. La plupart sont tournés dans l’amélioration des propriétés des MCP
notamment sur :
- Le nombre de cycles fusion/solidification qu’ils peuvent subir sans se dégrader,
- Une meilleure définition de la plage fusion/liquéfaction,
- Le comportement au feu,
- Le comportement général et la nocivité potentielle,
- Etc.

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2.2. MCP solide/liquide
2.2.1. Répertoire

Parmi les MCP disponibles utilisés dans le bâtiment, ce sont les plus populaires. Ils se
déclinent en trois groupes : les composés organiques, inorganiques et eutectiques.

MCP
solide-liquide solide-solide
Composés Composés Composés
organiques inorganiques eutectiques
organique-
Paraffines Sels hydratés organique
organique-
Acides gras inorganique
inorganique-
inorganique

Figure 4 : Famille de matériaux des MCP.

Composés organiques :
Les substances organiques ont une température ou une plage de températures de fusion
comprise entre 0° C et 150°. Ils peuvent être à base de paraffine ou d’acides gras.
Néanmoins, les acides gras ont été écartés des études sur les composés organiques car ils
présentent des fuites de mauvaise odeur lors de leur transition de phase contrairement à la
paraffine qui n’en a pas.

POINTS FORTS POINTS FAIBLES
- Pas de corrosion. - Faible enthalpie de transition.
- Pas de problème de surfusion. - Faibles conductivités thermiques à
- Stabilité thermique et chimique. l’état solide et à l’état liquide.
- Compatibilité avec les matériaux - Inflammabilité.
conventionnels de construction. - Exigent un large rapport
- Faible coût. surface/volume.
- Recyclable.
Tableau 2 : Distinction des points forts et faibles des composés organiques.

La paraffine ou molécule linéaire d’hydrocarbures saturés (C H ) est donc le MCP à phase
n 2n+2
solide/liquide le plus couramment utilisé. Leurs cristallisations libèrent une grande quantité
de chaleur latente. Après plusieurs expérimentations, les paraffines sont devenues
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chimiquement stables et montrent peu de changement de volume sur la fusion, facilitant
ainsi leur utilisation dans le bâtiment. Ils sont disponibles dans une large gamme de
températures et on peut les obtenir facilement.

Composés inorganiques :
Les matériaux ou substances inorganiques ont une température ou une plage de
température de fusion comprise entre -100°C et 1000°C. Les plus utilisés sont : l’eau
(température de fusion à 0°C), les solutions aqueuses de sel (température de fusion
inférieure à 0°C), des sels hydratés (température de fusion comprise entre 5°C et 130°C),
des mélanges de sels ou encore des mélanges de métaux (température de fusion supérieure
à 150°C).

POINTS FORTS POINTS FAIBLES
- Importante enthalpie de transition - Corrosion.
(équivalente à environ deux fois la - Phénomène de surfusion important
valeur de celle des composés nécessitant l’utilisation d’agent de
organiques). nucléation afin d’être fiables.
- Haute conductivité thermique. - Manque de stabilité thermique.
- Plage de fusion étroite.
- Faible coût et facilement disponible.
- Non-inflammable.
Tableau 3 : Distinction des points forts et faibles des composés inorganiques.

Dans le domaine du bâtiment, les substances inorganiques utilisées sont les sels hydratés
de par leur stabilité chimique. Ils ne se décomposent pas même sous l'effet de la chaleur, et
ils ne réagissent pas aux températures courantes avec des agents oxydants ou réducteurs.
A des températures élevées, ils peuvent être réduits en sulfate de sodium.

Le sel de Glauber, sous forme déca hydratée (Na SO ·10H O), est notamment utilisé pour
2 4 2
stocker la chaleur dans des systèmes de chauffage solaire grâce à ses propriétés de
solubilité inhabituelle, ainsi que sa chaleur de cristallisation élevée.

Composés eutectiques :
Les MCP eutectiques sont des substances composées de plusieurs MCP purs. En général,
ce sont des mélanges de MCP organiques et inorganiques (organique-organique, organique-
inorganique, inorganique-inorganique).

POINTS FORTS POINTS FAIBLES
- Point de fusion net et similaire à une - Peu de données disponibles sur les
substance pure. propriétés thermiques de ces
- Chaleur latente volumétrique matériaux.
légèrement supérieure à celle des - Encore peu utilisés au niveau des
composés organiques purs. applications industrielles.
Tableau 4 : Distinction des points forts et faibles des composés eutectiques.
2.2.2. Procédure de fabrication

Elle consiste à mélanger intimement un corps à changement de phase (sous forme liquide) à
un polymère soluble que l’on porte à une température supérieure à la température de
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