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Stocker la chaleur dans le bâti

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Stocker la chaleur dans le bâti

Du mur Trombe-Michel aux matériaux à changement de phase, il existe un certain nombre de techniques visant à apporter un surcroît d’inertie thermique aux bâtiments, en profitant des apports gratuits.

Nombre d’experts parlent explicitement de stockage de chaleur à l’endroit des techniques de construction permettant d’obtenir un déphasage thermique entre l’extérieur et l’intérieur d’un bâtiment.

Typiquement, ce déphasage peut être obtenu à l’aide d’une épaisseur de paroi importante, limitant la diffusion de la chaleur estivale en période diurne et la restituant en période nocturne. Cette technique traditionnelle a toujours cours, telle quelle ou dans une forme dérivée, avec les murs capteurs et les murs Trombe-Michel. D’autres voies de recherche, plus récentes et plus sophistiquées, tels les matériaux à changement de phase, visent aussi à récupérer la chaleur disponible au sein des bâtiments.

Déphasage : le principe des murs capteurs

Les murs capteurs valorisent le rayonnement solaire par effet de serre. Ils se composent d’une paroi maçonnée (pierre, brique ou béton) bardée extérieurement d’un vitrage à faible émissivité, séparée de la paroi par une lame d’air.
Le principe est de tirer parti de l’effet de serre créé à l’aide du double vitrage pour accumuler de la chaleur dans l’épaisseur du mur. Cette chaleur se transmet ensuite par rayonnement dans l’enceinte de la pièce, plusieurs heures après l’exposition au soleil du mur capteur (on parle de déphasage).
L’émission de chaleur se fait avec un déphasage d’autant plus grand que l’épaisseur du mur est importante. Ainsi, selon l’Ademe, ce déphasage peut atteindre onze heures avec un mur de 40 cm d’épaisseur. L’intérêt des murs capteurs réside dans ce déphasage, car ils permettent de chauffer une pièce, lorsqu’il n’y a plus de soleil.
Mais le mur capteur peut simultanément valoriser les apports directs, lorsqu’il est configuré en allège, avec un bardage vitré surmonté d’une autre surface vitrée. Pour que la valorisation des apports solaires issus de l’effet de serre soit optimale, il convient à la fois de minimiser les déperditions, en utilisant préférentiellement un double vitrage, et de revêtir la paroi extérieure du mur d’une peinture sombre, afin que la captation du rayonnement solaire soit la plus efficace. Dans le cas où il est réalisé par assemblage de blocs béton, il faut également que le mur capteur soit parfaitement étanchéifié, afin de prévenir toute infiltration en provenance de la lame d’air.

10 % de la surface habitable

Le mur Trombe-Michel (du nom de ses inventeurs, l’ingénieur Trombe et l’architecte Michel) recourt au même principe que le mur capteur (association d’un vitrage et d’une paroi séparés par une lame d’air), à la différence que la lame d’air est le siège d’un mouvement de convection : l’air, en s’échauffant, s’élève et traverse le mur par le biais d’une ouverture en sa partie supérieure (flux par thermosiphon). Puis, l’air froid de la pièce regagne la lame d’air par une ouverture située en partie basse du mur Trombe. Dans ce cas, la chaleur issue de l’effet de serre est restituée pour deux tiers par rayonnement du mur, et pour un tiers par le flux d’air par thermo- siphon. Les murs Trombe requièrent une gestion plus attentive comparativement aux murs capteurs, car en période d’absence d’ensoleillement, le flux d’air s’inverse et conduit à rafraîchir la pièce. Pour ne pas perdre le bénéfice des apports solaires, les ouvertures haute et basse des murs Trombe doivent être munies de clapets actionnables manuellement ou, pour plus de commodité, par gestion automatisée. Ce qui implique un investissement plus important et une maintenance plus lourde que pour un mur capteur.
Les murs capteurs et murs Trombe sont clairement indiqués pour les projets de construction de type maison individuelle conçus sous une approche bioclimatique, dans des secteurs géographiques caractérisés par de fortes amplitudes thermiques (différence de températures entre le jour et la nuit). Au même titre que des ouvertures classiques ou des capteurs solaires, les murs seront orientés au sud.
L’Ademe donne des règles de calcul pour le prédimensionnement des murs Trombe et des murs capteurs. Pour ces derniers, la surface doit être égale à 10 % de la surface habitable, dans le cas d’une pièce « de hauteur normale ». L’Ademe situe l’épaisseur optimale du mur entre 20 et 30 cm. En effet, un compromis doit être trouvé entre la capacité isolante du mur et son aptitude à se chauffer et à restituer la chaleur : un mur trop épais risque de ne pas pouvoir se chauffer suffisamment lors d’une journée d’hiver ensoleillée.
Pour les murs Trombe, la surface totale des ouvertures supérieure et inférieure doit représenter 3 % de leur surface totale. Pour aller plus loin, l’annexe 3 des règles de calcul Th-BV de septembre 1988 permet de déterminer l’apport des murs capteurs et murs Trombe dans les besoins de chauffage d’un bâtiment.
Pour donner plus d’inertie thermique aux bâtiments, pour une même épaisseur de paroi, plusieurs industriels de la chimie ont eu l’idée d’incorporer des matériaux à changement de phase au sein des matériaux de construction.

Matériaux à changement de phase

Le principe : jouer sur la chaleur latente de changement d’état desdits matériaux. En effet, toute matière passe de l’état solide à l’état liquide à température constante sous l’effet d’une source de chaleur. Il y a près d’une dizaine d’années, Basf avait mis sur le marché son procédé Micronal, de petites billes de cire de 2 à 20 microns (un micron équivaut à un millième de millimètre) encapsulées dans un polymère plastique, incorporé dans des plaques de seulement 15 millimètres d’épaisseur. La cire contenue dans les capsules est censée fondre lorsque la température de la pièce dépasse la température de fusion de la cire (23 °C), en absorbant ainsi une partie de la chaleur ambiante diffusée à travers les matériaux (plaque de plâtre, revêtement).
Utilisé un temps par Knauf qui l’a incorporé dans ses plaques de plâtre « PCM SmartBoard », le Micronal est aujourd’hui intégré dans le nouveau système de faux plafonds CoolZone d’Armstrong, composé de dalles métal de 25 mm d’épaisseur (600 x 600 ou 675 x 600). Armstrong a intégré le matériau à changement de phase en lieu et place du matelas acoustique, d’où une performance moindre du système CoolZone dans ce domaine. C’est pourquoi le fabricant préconise de mettre en œuvre son système sur seulement 50 % de la surface de plafond, afin de concilier performance acoustique et inertie thermique.
De son côté, un autre géant de la chimie, DuPont, a élaboré son propre matériau à changement de phase, commercialisé sous la marque Energain. Un procédé, lauréat d’une médaille d’argent de l’innovation lors de l’édition 2005 de Batimat. Pour son développement, DuPont avait sollicité les services du Cethil (Centre thermique de Lyon) : « Notre laboratoire avait été contacté par DuPont, qui était intéressé par un logiciel que nous avions développé et qu’il souhaitait utiliser pour évaluer les compétences thermiques d’Energain », se souvient Joseph Virgone, chercheur au Cethil.

N°324

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