Résumé – Abstract Résumé Abstract

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

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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

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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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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
CO2 provenant de nos consommations d’énergie. De plus, l’épuisement des énergies
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 CO2, il est devenu de plus en plus
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 CO2 du secteur [3].
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.