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Les matériaux à changement de phase

Principe

Trois grandes familles de matériaux à changement de phase existent : . les MCP minéraux ou inorganiques (ex : sels hydratés de chlorure de sodium ou de potassium) . les MCP organiques (ex : cire de paraffine, huile de noix de coco) . les MCP eutectiques qui sont un mélange d’éléments organiques et minéraux présentant une température de fusion constante. Pour l’heure, les applications ont essentiellement recours à des matériaux d’origine minérale ou organique. Les premiers ont l’avantage d’être relativement économiques, ininflammables et de posséder une enthalpie de fusion importante. Seul point d’ombre, ils sont sujets à la surfusion qui survient lorsque le corps à l’état liquide se refroidit et passe sous sa température de cristallisation sans se solidifier. Un défaut qui peut cependant être amélioré par l’adjonction d’agents de nucléation. De leur côté, les MCP organiques ont un comportement très stable et ne sont pas ou peu soumis au phénomène de surfusion. En revanche, leur capacité de stockage de chaleur latente est moindre que celle des composés minéraux. De plus, ils sont inflammables, ce qui nécessite de les encapsuler dans des matériaux non inflammables.

Double peau Une façade intelligente

La société Technal étudie l’intégration de MCP dans un concept de façade vitrée intelligente dont la multifonctionnalité contribue à diminuer les consommations énergétiques, tout en améliorant le confort. Cette « paroi légère à hautes performances thermiques » est une double peau vitrée translucide avec deux doubles vitrages, dont l’élément extérieur assure la fonction de protection solaire, en intégrant un élément prismatique. L’élément intérieur joue le rôle de stockage thermique grâce à la présence d’un MCP à base de sels hydratés dans des briques de polycarbonate empilées. Les deux parois sont séparées par une lame d’air ventilée par des appareils intégrés en partie haute de la paroi et alimentés par une cellule photovoltaïque. La ventilation est régulée par un système de pilotage gérant aussi l’ouverture et la fermeture des entrées et sorties d’air dans la paroi. « Si une façade classique coûte de 300 à 400 O/m2 et une façade double peau de 700 à 800 O/m2, il faut compter environ 1 000 O/m2 pour une version avec MCP et ventilation motorisée avec régulation », estime Patrick Lahbib, responsable du centre de recherche de Technal. « Ce principe de façade intelligente étant validé, il faut affiner le produit pour le commercialiser d’ici un à deux ans ».

POINT DE VUE Daniel Quenard, responsable de la division matériaux au Cstb.« Une démarche globale d'optimisation énergétique »

« Loin d’être la solution universelle pour tous les types d’enveloppes, les MCP ressemblent davantage à un nouveau remède, une aide à l’efficacité énergétique, principalement pour les constructions à ossature légère. Ils trouvent leur intérêt dans une démarche globale d’optimisation énergétique qui passe par l’amélioration de la protection solaire, la ventilation en été et l’isolation et la collecte d’énergie solaire en hiver. Si, dans la théorie, les produits permettent de viser de front l’amélioration du confort d’été et du confort d’hiver, dans la pratique, les choses sont plus compliquées. L’hiver, on travaille autour de 20 °C. L’été, plutôt autour de 26 °C. Idéalement, il faudrait mélanger deux types de MCP pour parvenir à une réponse satisfaisant les deux aspects opposés que sont le confort d’été et le confort d’hiver. Le dimensionnement d’un ouvrage incluant des MCP est beaucoup plus complexe à étudier que celui de l’isolation thermique d’une construction classique. Pour optimiser la quantité et la localisation des MCP, il est de fait nécessaire de réaliser une simulation de la thermique du bâtiment, que seuls quelques bureaux d’études sont aujourd’hui à même de proposer. Toutefois, de nouveaux logiciels devraient prochainement intégrer un module particulier prenant en compte le changement de phase de certains matériaux.»

Système de rafraîchissement Un bâtiment bioclimatique australien

À Melbourne (Australie) le bâtiment municipal CH2 se veut une référence en matière de conception bioclimatique. Cet immeuble de bureaux est notamment doté d’un système de rafraîchissement mettant en œuvre des matériaux à changement de phase. De l’air extérieur, prélevé en façade nord grâce à des turbines éoliennes, est dirigé au sommet de cinq « shower towers », soit de grandes tours de rafraîchissement de 1,4 m de diamètre et 13 m de hauteur, où de l’eau à 17 °C est vaporisée en fines goutelettes. Au contact de l’air, la température de l’eau chute pour atteindre 13 °C au pied des tours. L’eau ainsi rafraîchie circule dans de grands réservoirs emplis de MCP qui « stockent » le froid pour refroidir un deuxième circuit d’eau alimentant l’ensemble du bâtiment.

Inertie et confort thermique Des panneaux composites dans un faux plafond

Conçu par l’architecte Pascal Grasso, Nomiya est un bâtiment éphémère installé depuis juillet dernier sur le toit du Palais de Tokyo, à Paris, pour servir de restaurant. Réalisé à partir d’une ossature légère et de grandes parois vitrées, il met en œuvre des panneaux à changement de phase dans l’épaisseur de son faux plafond. Destiné à en augmenter l’inertie et améliorer le confort thermique, les panneaux Energain de Dupont de Nemours se caractérisent par leur grande capacité de stockage et de déstockage de la chaleur en dépit d’une épaisseur de seulement 5,26 mm et d’un poids de 5,4 kg en dimension standard de 1 x 1,2 m. Composés de deux faces en aluminium et d’une âme obtenue à partir d’un mélange de cire (60 %) et de paraffine (40 %), ces éléments composites permettent d’écrêter les températures jusqu’à 7 °C, absorbant ainsi les chocs thermiques. Ils sont posés sur une ossature métallique et recouverts par les plaques de faux plafond.

Les industriels

BASF, www.micronal.de

Cethil, cethil.insa-lyon.fr

Cristopia, www.cristopia.com

Cstb, www.cstb.fr

Dorken, www.cosella-dorken.com

Dupont de Nemours, www.energain.fr

GlassX, www.glassX.ch

Kaplan Energy, www.kaplan-energy.com

Pcm products, www.pcmproducts.net

Prebat, www.prebat.net

Rubitherm, www.rubitherm.com

Technal, www.technal.fr

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À l’heure où les questions énergétiques sont de plus en plus sensibles 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.

Cest sur la base d’un phénomène physique aisément observable que le concept de matériau à changement de phase, ou MCP, a été élaboré : tout corps, lorsqu’il change d’état, échange d’importantes quantités de chaleur avec son milieu. À titre d’exemple, la fonte d’un kilogramme de glace absorbe autant d’énergie qu’un litre d’eau qui voit sa température augmenter de 0 à 80 °C. Ce transfert traduit les bouleversements survenant dans la structure même de la matière, au niveau des liaisons entre atomes et molécules, plus fortes dans un solide que dans un liquide et quasiment nulles pour un gaz. Il se produit ainsi une absorption de chaleur, lors du passage de l’état solide à liquide, et une émission de chaleur dans le sens inverse. Fait important, le changement d’état met en jeu de la chaleur dite latente et n’entraîne pas de modification de température du matériau, à la différence d’un transfert de chaleur dit sensible.
 
Par abus de langage, les MCP désignent des matériaux dont le changement d’état se produit dans une gamme de températures proches des conditions de vie. Dans le domaine du bâtiment, les produits étudiés sont ceux dont les températures de fusion et de cristallisation se situent dans la plage de température requise pour les ambiances intérieures : entre 19 et 26 °C. Ce sont principalement des cires de paraffine, des acides gras et des sels hydratés de chlorure de sodium ou de potassium.
 

Faible épaisseur

Des débouchés pour le domaine des équipements techniques

 
Les premières recherches sur les matériaux à changement de phase remontent au début des années soixante-dix. Sur fond de crise pétrolière, il s’agit alors pour de grands laboratoires publics et privés de développer des alternatives afin de réduire la dépendance énergétique des constructions. Dotés d’une grande capacité de stockage et de déstockage de la chaleur, les MCP apparaissent aux yeux de maints professionnels comme une piste pleine de promesses. La masse thermique de certains sels hydratés est en effet telle qu’une épaisseur de 2 cm de matériau absorbe autant de calories que 24 cm de béton, 36 cm de brique ou 38 cm de pin massif, soit l’équivalent de 1 200 Wh/m2 pour un écart de température de 10 °C ! Des panneaux composites à base de cire de paraffine parviennent quant à eux à égaler l’inertie de 5 cm de briques en dépit d’une épaisseur d’environ 5 mm.
 
Les premières applications des MCP ont lieu dans le secteur des équipements techniques où ils réalisent du stockage thermique. Ils sont alors conditionnés dans des réservoirs plats de quelques litres, des poches, des balles, ou encore des tubes. En France, dans les années quatre-vingt, la société Cristopia développe ainsi une solution destinée à réduire les coûts de fonctionnement et la taille des installations de climatisation des grands bâtiments tertiaires (ex : hôpitaux, aéroports, bureaux.), ainsi que des systèmes de réfrigération industrielle. Elle utilise les MCP pour stocker du froid lorsque la demande est faible, et pour déstocker lorsqu’elle augmente, ce qui lui permet de déplacer les consommations électriques des heures de pointe vers les heures creuses.
 
D’autres procédés de climatisation passive ont été mis au point à l’étranger (voir encadré).
 
De son côté, la société Kaplan fabrique des chauffe-eau solaires en inox dotés de batteries thermiques E-Stocker. Améliorant la capacité de stockage de l’énergie solaire, celles-ci contiennent des MCP qui changent d’état lorsque les systèmes entrent en surproduction.
 
De nouvelles applications sont aussi sur le point d’aboutir dans le domaine des pompes à chaleur et des systèmes de ventilation. Le recours aux MCP intéresse également le secteur photovoltaïque qui y voit un moyen d’améliorer le rendement des panneaux solaires et d’éviter qu’il ne chute lorsque le panneau s’échauffe brutalement sous l’effet du rayonnement solaire.
 

Stockage thermique

Écrêtage des températures de 3 à 5 °C en moyenne

 
Cependant, l’utilisation des MCP ne se limite pas aux seuls équipements techniques et touche depuis peu au vaste domaine des matériaux de construction. Incorporés à l’intérieur des bâtiments, dans des produits à base de polymères, de plâtre, ou de béton, les MCP s’avèrent capables d’améliorer les performances énergétiques de l’enveloppe tout en augmentant l’inertie thermique. Complémentaires d’une isolation, ils constituent ainsi 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, plus particulièrement dans la rénovation des bâtiments à ossature légère.
 
Se caractérisant par leurs faibles épaisseur et poids, les produits peuvent en effet être mis en œuvre sans trop grignoter sur les surfaces habitables, ni affecter les reports de charges sur la structure. En été, ils limitent le recours à la climatisation en agissant comme une climatisation passive, sous réserve d’être associés à une ventilation nocturne efficace. Le jour, lorsque la température intérieure s’élève au-dessus du point de fusion du MCP, celui-ci fond et emmagasine de la chaleur qu’il relargue la nuit en se solidifiant, lorsque la température est redescendue sous le seuil de solidification. En hiver et en intersaison, les MCP permettent d’optimiser les apports solaires gratuits. Placés de préférence sur les parois intérieures ou les cloisons les plus sollicitées par le rayonnement solaire direct, ils stockent la chaleur de la journée et la restituent le soir. En augmentant la masse thermique des parois (murs, plafonds, cloisons), ces matériaux réduisent les chocs thermiques à l’intérieur des locaux. Selon les premières séries de mesures in situ, ils permettraient d’écrêter les températures de 3 à 5 °C en moyenne.
 

Microbilles

Incorporation dans les matériaux de construction grâce à la micro-encapsulation

 
Parmi les produits utilisant des matériaux à changement de phase, on distingue deux grandes familles selon que les MCP sont micro-encapsulés ou macro-encapsulés. Technique innovante, récemment mise au point par des industriels de la chimie, la micro-encapsulation consiste à emprisonner de fines particules de MCP dans une matrice de dimension microscopique à base de polymère. Le produit ainsi obtenu peut être incorporé à de multiples matériaux, ouvrant ainsi la voie à tout un champ d’applications. Elaboré par la société BASF avec le concours de plusieurs partenaires et laboratoires, le Micronal répond à cette définition. Composé de petites particules de cire de paraffine encapsulées dans un polymère acrylique, il est conditionné sous la forme de poudre ou de liquide. Avec une température de fusion comprise entre 22 et 26 °C, il a pour vocation d’être utilisé à l’intérieur des bâtiments pour améliorer les conditions de confort d’été et d’hiver. Mis sur le chantier depuis environ sept ans, le Micronal est aujourd’hui incorporé à des enduits à base de plâtre (Maxit Clima, filiale de Saint-Gobain), des blocs de béton cellulaire (CelBloc Plus de H H Celcon), des panneaux composites pour faux plafond, tandis que de nouvelles utilisations sont à l’étude. Pour influer durablement sur la température, la part de Micronal est déterminante. Selon son fabricant, elle doit être d’au moins 3 kg/m2. A noter que l’incorporation de Micronal ne modifie aucunement le mode de pose des produits et n’empêche pas ceux-ci d’être percés.
 
Développé par Dupont de Nemours, les panneaux Energain reposent également sur le principe de la micro-encapsulation de cire de paraffine dans un copolymère d’éthylène. Le mélange constitue l’âme d’un panneau sandwich rigide, de 5,26 mm d’épaisseur, dont les deux faces sont recouvertes de feuille d’aluminium de 100 µm qui rendent le produit ininflammable. Mis en œuvre sur des parois ou des plafonds, et pouvant servir de pare-vapeur, les panneaux peuvent stocker environ 5 fois plus de chaleur qu’une épaisseur équivalente de béton. Leur pose s’effectue de manière traditionnelle sur une ossature en bois, aluminium ou acier par vissage, agrafage ou clouage, avant d’être recouverts par un doublage en plâtre. Les panneaux peuvent être découpés ou percés, sans risque d’écoulement pour la paraffine. Sur les tranches des panneaux, un ruban adhésif en aluminium doit cependant être positionné pour parfaire la protection au feu du cœur de l’élément. Relevant de la macro-encapsulation, l’intégration de sels hydratés dans des briques de verre ou de polycarbonate est par ailleurs à l’origine de plusieurs systèmes de façades translucides. S’inspirant du principe du mur trombe, un nouveau concept est ainsi étudié par la start-up suisse GlassX, partenaire de Saint-Gobain, et le fabriquant Technal, avec le concours de la société allemande Dorken, pour proposer une alternative performante à la construction légère dans le cadre notamment de bâtiments de bureaux, ou de vérandas. Le mur béton à forte inertie est ici remplacé par une double paroi vitrée, dont le double vitrage intérieur incorpore des MCP (voir encadré).
 
Le procédé Delta Cool 24 de la société Dorken permet par ailleurs de réaliser des plafonds rafraichissants. Des sels hydratés sont intégrés dans des poches en aluminium de 30 x 15 cm ou de 30 x 60 cm, lesquelles sont placées dans des cassettes de faux plafonds. Selon le fabricant, une poche de 1 litre absorbe autant d’énergie que 10 litres d’eau.
 

50 à 60 Y/m2 pour des matériaux minces

 
Grâce à la mise au point de ces techniques innovantes, les MCP bénéficient d’un environnement favorable à leur développement dans le bâtiment. Depuis les premières applications d’un emploi pour grandes installations, ils s’intègrent aujourd’hui dans des produits d’un coût plus abordable, bien que toujours onéreux. À titre d’exemple, il faut compter de 50 à 60 O/m2 pour des matériaux composites minces.
 
Si des pays européens comme l’Allemagne, la Grande-Bretagne ou encore l’Autriche semblent ouvrir la voie dans le domaine, la France compte déjà quelques réalisations expérimentales mettant en œuvre des panneaux Energain de l’industriel Dupont de Nemours. Parmi celles-ci, figure notamment un chantier réalisé dans le cadre de l’appel à projet Prebat de l’Ademe, et une construction éphémère posée sur le toit du Palais de Tokyo, à Paris.
 
Cependant, pour autoriser leur déploiement à plus large échelle, tous les systèmes doivent encore disposer d’un retour sur expérience et donner toutes les garanties attendues en terme de durée de vie, résistance aux cycles de fusion/solidification, comportement au feu, stabilité thermique, impact environnemental et sanitaire (énergie grise, nocivité éventuelle, recyclabilité.).

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