Matériaux à changement de phase pour l'efficacité énergétique dans le bâtiment

Introduction
La consommation d’énergie représente aujourd’hui l’un des défis majeurs pour le Maroc, à
l’image de nombreux pays en développement confrontés à une demande croissante en
électricité. L’urbanisation rapide, la modernisation des infrastructures et l’amélioration du
niveau de vie entraînent une augmentation continue des besoins énergétiques nationaux.
Malgré les efforts engagés dans les énergies renouvelables, une grande partie de la demande
reste encore satisfaite par des sources conventionnelles, ce qui entraîne des émissions
importantes de gaz à effet de serre (GES) et accentue la pollution atmosphérique.
Dans ce contexte, le secteur du bâtiment au Maroc occupe une place centrale, puisqu’il
représente une part énergétique considérable du pays. Les bâtiments résidentiels, tertiaires et
industriels consomment une portion importante de l’énergie totale, en particulier pour les
besoins de climatisation, de chauffage et d’éclairage. Avec l’augmentation des vagues de
chaleur et l’évolution du climat, cette consommation risque de croître encore davantage dans
les prochaines années.
Face à ces enjeux, le Maroc a engagé une stratégie nationale d’efficacité énergétique, visant à
réduire les consommations, améliorer le confort thermique et limiter l’impact
environnemental du secteur du bâtiment. Cette transition nécessite une évolution scientifique
et technologique dans les techniques de construction : amélioration de l’isolation, optimisation
de l’orientation des bâtiments, gestion intelligente de l’éclairage naturel, et intégration de
solutions innovantes dans les systèmes CVC (chauffage, ventilation, climatisation).
Parmi ces solutions émergentes, les matériaux à changement de phase (MCP) suscitent un
intérêt croissant. Ces matériaux intelligents ont la capacité de stocker et de restituer de la
chaleur grâce au phénomène de changement d’état, permettant de stabiliser la température
intérieure des bâtiments sans recourir excessivement aux systèmes de climatisation.
L’intégration des MCP dans les parois, plafonds ou planchers permet ainsi de réduire la
consommation énergétique, de diminuer les émissions de GES, d’améliorer le confort
thermique et d’optimiser l’épaisseur des parois isolantes.
De ce fait, les MCP apparaissent comme une solution prometteuse et adaptée au contexte
marocain, où les variations climatiques et les besoins en confort thermique nécessitent des
matériaux performants et économes en énergie.

Chapitre I : Généralités sur les transferts de chaleur
1 Définitions
 Transport d’énergie : c’est le déplacement dans l’espace d’une quantité d’énergie.
Par exemple, le déplacement d’une quantité d’eau chaude à partir d’une chaudière à travers un
réseau de conduites pour l’amener vers un lieu à chauffer.
 Stockage d’énergie : c’est le déplacement dans le temps d’une quantité d’énergie.
Par exemple, la quantité d’eau chaude précédente est obtenue par chauffage de nuit au moyen
d’un thermoplongeur électrique et elle est utilisée de jour.
 Transfert d’énergie : c’est le passage d’une quantité d’énergie d’un milieu matériel
(solide, liquide ou gazeux) à un autre milieu matériel.
Par exemple, Notre eau chaude, par l’intermédiaire du radiateur (échangeur de chaleur),
transfère son énergie à l’air environnant.
 Conversion d’énergie : c’est le passage d’une forme d’énergie à une autre.
Par exemple, la transformation de l’énergie électrique en énergie thermique par l’intermédiaire
de la résistance du thermoplongeur (l’effet Joule).
 Température
La température est une grandeur physique qui mesure l’agitation des particules d’un corps.
 Quand les particules bougent beaucoup → Température élevée (chaud)
 Quand elles bougent peu → Température basse (froid)
 Equilibre thermique
Lorsque deux objets de températures différentes sont placés dans un système isolé (qui
n’échange pas avec l’extérieur) :
 L’objet chaud se refroidit.
 L’objet froid se réchauffe.
 Un flux de chaleur circule toujours du chaud vers le froid.
 Ce transfert continue jusqu’à ce que les deux objets aient la même température :
c’est l’équilibre thermique.
 Quantité de chaleur
La quantité de chaleur absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue
de Ti (température initiale) à Tf (température finale) est exprimée par :
m : masse du corps, s’exprime en kg

C : chaleur spécifique, définie comme étant la quantité de chaleur qu’il faut fournir à une unité
de masse de 1 kg pour élever sa température de 1 K. Elle s’exprime en
[J/ kg.K]
m.C : capacité calorifique, s’exprime en J/K.
 Flux de chaleur
La chaleur s’écoule sous l’influence d’un gradient de température des hautes vers les basses
Températures. La quantité de chaleur transmise par unité de temps et par unité d’aire de la
Surface isotherme est appelée densité de flux de chaleur :
Où ‘S’ est l’aire de la surface en (m2).
On appelle flux de chaleur la quantité de chaleur transmise sur la surface S par unité de temps
:
2 Expression des différents flux d’énergie
 Conduction
C’est le transfert de chaleur au sein d’un milieu opaque (solides ou fluides au repos), sans
déplacement de matière, sous l’influence d’une différence de température. La théorie de la
conduction repose sur l’hypothèse de Fourier (Jean Baptiste Fourier, mathématicien et
physicien Français): « En tout point d’un milieu isotrope, la densité de flux thermique
instantané, est proportionnelle au gradient de température »
Ce flux de chaleur s’écrit sous forme algébrique par :
Avec :

: Flux de chaleur transmis par conduction (W)
λ: Conductivité thermique du milieu (W/m°K)
x: Variable d’espace dans la direction du flux (m)
S: Aire de la section de passage du flux de chaleur (m2)
Remarque : Le flux thermique est compté positivement dans le sens d’écoulement de la chaleur
(c'est à-dire des hautes températures vers les basses températures), par contre le gradient est un
vecteur porté par le même axe mais de sens contraire au flux thermique (des petites vers les
grandes valeurs) d’où le signe négatif (-) de la loi de Fourier.
 Convection
C’est le transfert de chaleur entre un solide et un fluide (liquide ou gaz), l’énergie étant
transmise par déplacement du fluide (C’est le fluide en mouvement qui transporte de la
chaleur). . Ce mécanisme de transfert est régi par la loi de Newton :
Avec :
: Flux de chaleur transmis par convection (W)
h: Coefficient de transfert de chaleur par convection (W/m-2°C)
Tp: Température de surface du solide (°C)
T∞: Température du fluide loin de la surface du solide (°C)
S : Aire de la surface de contact solide/fluide (m2)
Remarque : La valeur du coefficient de transfert de chaleur par convection h est fonction de la
nature du fluide, de sa température, de sa vitesse et des caractéristiques géométriques de la
surface de contact solide/fluide.
 Rayonnement