Résumé – Abstract Résumé Abstract

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 stateof-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
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
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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
4.
5.
3.1.
Présentation générale du projet..............................................................................23
3.2.
Le bâtiment 3E – ENERGIE ECOLOGIE ECONOMIE ............................................25
3.3.
Des installations innovantes ...................................................................................27
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
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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Tuteur : Armand ERB
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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.
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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
chimiques
Procédés physiques
Chaleur
sensible
Chaleur latente
Changement
de phase
solide-liquide
Changement
de phase
liquide-vapeur
Changement
de phase
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
calories, puis à les restituer.
Enthalpies de changement de phase
élevées et expansions volumiques
réduites (<10%) lors de la fusion.
Apport d’inertie à un bâtiment avec
faible encombrement.
Amélioration du confort (seulement
possible dans le cas où le MCP est
accouplé
à
une
surventilation
nocturne, une régulation précise et
une bonne isolation) due à :
▪ 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.
-
-
-
Importante énergie grise requise pour
la fabrication du produit.
Diffusion dans les bâtiments encore
limitée, peu de retour d’expériences
et peu de produits concrets existent
sur le marché.
Il faudrait un produit spécifique en
fonction du lieu géographique et du
climat.
D’un point de vue sanitaire et
environnement, aucune ACV n’est
connue à ce jour.
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
organiques
Composés
inorganiques
Composés
eutectiques
Sels hydratés
Paraffines
organiqueorganique
organiqueinorganique
Acides gras
inorganiqueinorganique
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.
Pas de problème de surfusion.
Stabilité thermique et chimique.
Compatibilité avec les matériaux
conventionnels de construction.
Faible coût.
Recyclable.
-
Faible enthalpie de transition.
Faibles conductivités thermiques à
l’état solide et à l’état liquide.
Inflammabilité.
Exigent
un
large
rapport
surface/volume.
Tableau 2 : Distinction des points forts et faibles des composés organiques.
La paraffine ou molécule linéaire d’hydrocarbures saturés (CnH2n+2) est donc le MCP à phase
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
Importante enthalpie de transition
(équivalente à environ deux fois la
valeur de celle des composés
organiques).
Haute conductivité thermique.
Plage de fusion étroite.
Faible coût et facilement disponible.
Non-inflammable.
-
-
POINTS FAIBLES
Corrosion.
Phénomène de surfusion important
nécessitant l’utilisation d’agent de
nucléation afin d’être fiables.
Manque de stabilité thermique.
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 (Na2SO4 ·10H2O), est notamment utilisé pour
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, organiqueinorganique, inorganique-inorganique).
-
POINTS FORTS
Point de fusion net et similaire à une
substance pure.
Chaleur
latente
volumétrique
légèrement supérieure à celle des
composés organiques purs.
-
-
POINTS FAIBLES
Peu de données disponibles sur les
propriétés
thermiques
de
ces
matériaux.
Encore peu utilisés au niveau des
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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transition vitreuse. Après l’obtention d’une solution homogène, on place le mélange dans un
moule qu’on laisse refroidir progressivement jusqu’à la température ambiante. Au final, on
obtient une matrice polymère dans laquelle est ensaché un élément à changement de
phase.
Les proportions des deux composants de base, l’élément à changement de phase et le
polymère, sont optimisés de manière à obtenir un matériau possédant à la fois une forte
enthalpie de fusion (quantité d’énergie nécessaire au changement de phase, en [kJ/kg]) et
une rigidité suffisante face aux contraintes thermiques. Ces deux critères sont difficiles à
remplir simultanément puisque le premier résulte de la quantité d’élément à changement de
phase contenue dans le matériau alors que le second est lié à la quantité de polymère mise
en œuvre.
2.2.3. Principe physique
Au-delà d’une certaine température caractéristique de chaque type de matériau, il se liquéfie
en absorbant les calories de l’atmosphère ambiante et les restitue lorsque la température
baisse. Cette propriété du matériau est liée à son importante énergie de fusion par unité de
volume, plus celle-ci sera grande, plus les propriétés de stockage/restitution de la chaleur
seront intéressantes.
En général, la restitution de la chaleur passe par le changement de phase de liquide à
solide. Le stockage de l’énergie passe par le changement de phase de solide à liquide
(phénomène utilisé pour garder un produit au frais).
Tous les MCP solide/liquide ont des similitudes au regard des 2 phases endothermique et
exothermique. On les différencie dès lors par le stade de déclenchement de ces phases
(température de changement de phase différente) et de leur capacité caloriporteuse (Cp,
[kJ/(kg.K)]) très variable. L’autre facteur significatif réside dans la présence ou non de
surfusion qui traduit l’instabilité du MCP au niveau volumique.
2.2.4. Possibilité d’utilisation et problématiques d’avenir
Un bon nombre de substances ont fait l’objet d’études avancées pour être utilisées comme
des matériaux à changement de phase. Cependant, peu d’entre elles sont disponibles et
commercialisées à l’heure actuelle.
En dépit de leurs avantages très variés, les MCP souffrent d’une récupération d’énergie peu
efficace et d’une réduction de toutes leurs performances thermiques durant la transition de la
phase solide/liquide.
Concernant leur mise en œuvre dans la structure de bâtiments, lorsque les MCP sont à l’état
liquide, ils affectent non seulement la stabilité structurelle mais entraînent aussi une humidité
indésirable dans les murs. C’est la raison pour laquelle les études sur les MCP sont de plus
en plus orientées vers les MCP solide/solide.
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Actuellement, des tests de vieillissements accélérés sont mis en place pour évaluer
l’évolution des performances thermiques au cours du temps (conductivité, chaleur latente,
température de fusion).
2.2.5. Produits actuels
Plusieurs fabricants proposent aujourd’hui des produits composites sous plusieurs formes et
appliqués sur différents types de matériaux de construction (de la plaque finie à l’injection de
MCP dans le matériau). Les plus connus sont les suivants :
BASF [5] :
Leader mondial dans l’industrie chimique, la société allemande BASF commercialise le
produit micronal® qui se compose de paraffine dans des microcapsules de polymère
incorporées dans des enduits, plaques de plâtre ou béton.
Climator Sweden AB [6] :
Il s’agit d’une société suédoise de production et de R&D concernant les matériaux à
changement de phase. Ainsi, depuis 1979, ils proposent leurs produits ClimSelTH à base de
sels hydratés.
Dupont de Nemours [4] :
Voir paragraphe 3.4.2.
Le tableau 5 ci-dessous donne la liste des MCP commercialisés sur le marché international
et pouvant être susceptibles de répondre aux besoins de notre étude sur le bâtiment 3E. La
plupart de leurs propriétés thermophysiques sont renseignées (point de fusion, chaleur
latente, conductivité thermique, et densité).
Composition
Temp. de
fusion
[°C]
Enthalpie
de fusion
[kJ/kg]
Conductivité
thermique
[W/(m.K)]
Densité
3
[kg/m ]
Solution à base
de sels hydratés
19
160
0,430
1,520
EPS Ltd.
TM
Solution à base
de sels hydratés
19-20
175
-
1,480
TEAP
Mikra Thermic
Paraffine
20
140
-
-
RT21
Paraffine
21
134
-
0,880
Sulfate de sodium
21
198
-
-
Climator Sweden AB
DS 5029
Paraffine
21
125
-
-
BASF
Energain®
Paraffine
21,7
170
-
-
Dupont de Nemours
Ecophit® LC20
Graphite
22
140
-
0,800
SGL Technologies
GmbH
Solution à base
de sels hydratés
22
170
0,540
1,530
EPS Ltd.
Nom du MCP
S19
Latest 20T
ClimSel
S21
TH
C 21
Fabricant
Micropolis
Rubitherm GmbH
Tableau 5 : Liste des MCP disponibles sur le marché international
et répondant aux besoins de notre étude.
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2.3.
MCP solide/solide
2.3.1. Description
Les MCP solide/solide sont des polymères hyperramifiés qui n'ont pas de changement de
phase visible en apparence (autre qu'une légère expansion/contraction) et s’avèrent
capables de surmonter tous les problèmes liés à la manipulation de liquides tels que le
confinement ou encore les risques de fuites.
Le principe physique reste le même que celui des MCP solide/liquide si ce n’est qu’ils ont
l’avantage d’emmagasiner plus de chaleur. Selon les études menées par le Département de
Mécanique et d’Ingénierie industrielle de l’université de Ryerson [7], les MCP solide/solide
ayant une température de changement de phase dite « basse » (de l’ordre de 22/23 °C) sont
bien supérieurs en terme de restitution de chaleur latente.
2.3.2. Procédure de fabrication
Ces polymères sont incorporés directement dans un matériau : ils s’apparentent à des
capsules de rayon >1 mm et de forme sphérique, dont les centres sont distants de 4 mm. Le
fait d’être toujours à l’état solide les rend très intéressant dans la construction puisqu’ils sont
beaucoup plus facilement conditionnables et utilisables tels quels.
2.3.3. Possibilité d’utilisation
Ce type de MCP permet de palier certains aspects relativement néfastes dans une
perspective de construction. D’une part, l’élément chimique ne change pas d’état lors de la
transition. Le fait qu’il n’y ait pas d’augmentation et de baisse du volume lors des
changements d’état permet de palier au phénomène de fatigue de la matrice structurelle.
Enfin, sa capacité à libérer la chaleur latente sur une plus longue temporalité que le MCP
solide/liquide en fait un atout en terme de confort thermique.
Pour le moment, il n’existe aucune publication concernant la mise en œuvre de MCP
solide/solide dans de réels projets. Néanmoins, tout porte à croire que, dans un avenir
proche, nous devrions le rencontrer dans diverses applications dans le bâtiment.
2.3.4. Produits actuels
A l’heure actuelle, le seul fabricant connu proposant des MCP solide/solide est EPS Ltd [8]. Il
s’agit d’une société britannique qui s’implique, depuis 1996, dans la recherche et
l’amélioration de solutions énergétiques et environnementales pour l’industrie du chauffage,
de la climatisation et de la ventilation. Concernant leur produit à base d’un MCP
solide/solide, il suffit de contacter directement leur équipe technique afin de renseigner la
température de fusion souhaitée.
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2.4.
Critères de sélection d’un MCP
L’ensemble des critères (ou propriétés souhaitables) qui doivent intervenir ou être
recherchés lors du choix du MCP pour une application donnée dans le bâtiment sont
énumérés dans le tableau 6 ci-dessous.
CRITERES
PROPRIETES
-
Physiques
Technologiques
Autres
Température de changement de phase adaptée aux besoins
de l’application.
Enthalpie de fusion élevée pour assurer la compacité des
dispositifs de stockage.
Bonne conductivité thermique.
Stabilité lors de cycles de fusion/solidification.
Surfusion la plus réduite possible.
-
Expansion volumique faible lors de la fusion afin de minimiser
les contraintes mécaniques dans le support de stockage.
Stabilité physico-chimique, longue durée de vie.
Compatibilité avec les matériaux du support de stockage.




Coût d’investissement réduit.
Disponibilité.
Faible dangerosité (toxicité, inflammabilité,….).
Recyclabilité.
Tableau 6 : Différents critères à respecter lors du choix d’un MCP
pour une application donnée dans un bâtiment [2].
2.5.
Analyse des systèmes de stockage d’énergie à base de MCP
dans le bâtiment
2.5.1. Contexte
Bien que les études concernant l’utilisation des MCP dans le bâtiment aient commencé dès
la moitié du XXème siècle, elles ont pris un regain de plus en plus important au cours de ces
dernières années du fait des éléments suivants :

La grande différence de consommation d'énergie entre les heures de pointe et les
heures creuses, pour le rafraîchissement (été) et pour le chauffage des bâtiments
(hiver et saisons intermédiaires).

L'utilisation croissante de l'énergie solaire : l'énergie solaire thermique est disponible
à des moments qui ne coïncident pas nécessairement au besoin. Le stockage
d’énergie thermique devient un moyen d’adapter la production et la consommation de
cette énergie thermique solaire (tableau 7, schémas (a) (b) (c) (d)).

Une volonté d’utilisation rationnelle plus efficace des unités de production de
chauffage et de refroidissement. Il s’agit ici essentiellement de ne consommer de
l’énergie électrique que sur des tranches horaires à faible coût, pour utiliser l’énergie
produite sur d’autres tranches horaires qui correspondent au besoin (tableau 7,
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VENTILATION
NOCTURNE
CHAUFFAGE
ACTIF
CHAUFFAGE
SOLAIRE
PASSIF
schéma (e) et (f)). L’utilisation de ces MCP en assistance au chauffage ou au
refroidissement est, soit passive, soit active (tableau 7, schémas (a) (b) (c) ou (d) (e)
(f)). Concernant l’utilisation de ceux-ci en assistance au rafraîchissement, une phase
de régénération de MCP (solidification) nocturne est nécessaire, afin d’assurer une
capacité de stockage de chaleur diurne quotidienne ; celle-ci peut être passive (freecooling) ou active (renouvellement d‘air nocturne par ventilation forcée (tableau 7,
schéma (g) (h) (i)).
MURS
PLAFONDS / TOITURE
PLANCHERS
Avec un rayonnement
solaire diurne
Avec un rayonnement
solaire diurne
Avec un rayonnement
solaire diurne
Avec un système de
capteurs solaires
Avec l’utilisation à faible
coût de l’électricité la nuit
Avec l’utilisation à faible
coût de l’électricité la nuit
Avec un renouvellement
d’air nocturne
Avec un renouvellement
d’air nocturne
Avec un renouvellement
d’air nocturne
Tableau 7 : Quelques dispositions des MCP dans le bâtiment [2].
2.5.2. Procédures d’intégration des MCP
Parmi les différents moyens d’intégration de MCP dans les bâtiments étudiés dans la
littérature, nous disposons actuellement de 2 méthodes d’utilisation de MCP dans les
bâtiments : l’intégration directe et l’encapsulation avant intégration.
Intégration directe : les MCP sont mélangés avec des matériaux de construction (en
général le plâtre ou le béton) lors de la fabrication ou alors incorporés dans les pores d’un
matériau porteur (imprégnation).
Encapsulation avant intégration : les MCP sont soit en micro
encapsulation, soit en macro encapsulation. Ces derniers sont intégrés
soit dans les matériaux de construction, soit dans les échangeurs de
chaleur.
Figure 5 :
Micro encapsulation
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Ces mises en forme offrent un double avantage : d’une part, la surface d’échange entre le
MCP et l’extérieur augmente considérablement, facilitant d’autant la transition de phase, et
d’autre part, les risques de fuites, lorsque le MCP est à l’état liquide, sont réduits à zéro.
Figure 6 : Différents modes d’utilisation des MCP dans le bâtiment [2].
2.5.3. Utilisations passives des MCP en bâtiment
Il s’agit ici de l’utilisation des MCP par intégration de ceux-ci dans les divers éléments
constituants un bâtiment : enveloppes, plafonds, planchers, parois, menuiseries, mobiliers,
etc. Le stockage et le déstockage d’énergie s’effectue au gré des échanges de chaleur avec
l’air intérieur du bâtiment et l’environnement de celui-ci (air extérieur, rayonnement solaire,
rayonnement nocturne, etc.). Ces échanges sont dits passifs car ils ne sont pas actionnés
par un système mécanique, à l’exception parfois d’une ventilation nocturne forcée du
bâtiment.
D’après l’inventaire des systèmes de rafraîchissement et de réchauffage passifs à base de
MCP les plus connus, on constate que les principaux inconvénients de ses systèmes sont :

Que ce soit en utilisation en termes d’assistance au refroidissement ou d’assistance
au chauffage, un système passif ne permet pas de corréler facilement les besoins
aux productions assurés par les systèmes énergétiques.

Il y a une difficile accessibilité aux MCP, c’est-à-dire il existe des résistances
thermiques de conduction et de convection naturelle (généralement) entre la source
de l’énergie à stocker et le MCP stocké. Ces résistances sont un frein au stockagedéstockage de cette énergie.
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2.5.4. Intégration des MCP dans l’enveloppe du bâtiment
L’intégration des MCP dans l’enveloppe du bâtiment est la plus utilisée parmi les utilisateurs
passifs des MCP dans le bâtiment parce que la surface d’échange de chaleur est grande. Ils
sont capables de combiner les fonctions de stockeur de chaleur et élément de construction.
En général, la profondeur de l’échange de chaleur est courte. Ils sont en général installés
dans les bâtiments pour contribuer à l’amélioration du rafraîchissement des résidences.
Les structures les plus fabriquées sont : les plaques de plâtre, les enduits, les murs trombes
à base de MCP, les blocs de béton.
Les plaques de plâtre :
Les plaques de plâtre combinées à un MCP sont constituées en général d’un matériau de
construction léger et du MCP. Les MCP utilisés sont en général micro encapsulés. Les
plaques de plâtres-MCP sont fabriquées en général soit par immersion de la plaque de plâtre
dans le MCP, soit par ajout du MCP lors de la fabrication de la plaque de plâtre. Ces plaques
de plâtres-MCP sont fixées sur les murs sous la forme d’un sandwich composé d’un isolant
(le plus souvent en polystyrène) et du plâtre-MCP. Les sociétés Dupont de Nemours et
BASF proposent ces produits et les ont déjà appliqués dans des bâtiments existants :
- Bâtiment de bureaux Hélios à Lyon en 2007 [9] ;
- Hôtel à Berlin en 2004 [5] ;
- Bâtiment Génération E à Paris en 2006 [5].
Les enduits :
Actuellement sur le marché, les enduits à base de MCP (fabriqués par Delta ®, maxit clima,
etc) existent sous la forme d'un enduit prédosé « prêt-à-gâcher ». Ils sont à appliquer sur une
épaisseur d'environ 15 mm.
Les travaux sur les enduits à base de MCP les plus connus sont ceux du projet
« RETERMAT » [10]. Le CSTC (Centre Scientifique et Technique de la Construction) en
Belgique, dans le cadre du projet en collaboration avec trois autres centres de recherche
(CRM, CENTEXBEL, CERTECH) a mis au point un enduit contenant 30 % de MCP.
Sur le plan expérimental, de nombreuses mesures ont été effectuées sur deux cellules ayant
une surface au sol de 9 m² chacune. Elles renfermaient chacune une surface vitrée de 3 m²
orientée au sud. L'une d'entre elles étaient revêtue d'enduits à MCP et l'autre avec un enduit
traditionnel de même épaisseur de 1,5 cm. Les mesures de températures ont pu être
effectuées pour différentes périodes d'ensoleillement.
Les premiers résultats ont démontré que les écarts de température sont de l'ordre de 3 °C
entre les deux cellules en ce qui concerne la face interne de l’enveloppe de la cellule. Au
niveau du climat intérieur des cellules, une différence de température de 1 °C à 1,5 °C entre
les deux cellules a été mesurée pour la température maximale journalière atteinte lors des
périodes chaudes et/ou très ensoleillées d'été.
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Figure 7 : Evolution des températures dans les cellules jumelées contenant de l’enduit avec
et sans MCP au cours d'une journée d'été ensoleillée dans le cadre du projet RETERMAT [10].
Murs trombes à base de MCP :
Les murs trombes à base MCP sont composés d’un mur de maçonnerie ordinaire contenant
des MCP espacés de 20 cm environ d’une couche de verre ou d’un vitrage en plastique.
Figure 8 : Modèle d’un mur trombe à base de MCP [11].
Différents MCP ont été expérimentés pour avoir le meilleur rendement thermique d’un mur
trombe à base de MCP : Askew (1978) a utilisé de la cire de paraffine, Farouk et Gucero
(1979) ont utilisé un mélange de sel de Glauber et de la cire sunocoP-116. Ces différents
travaux ont montré que les murs trombe à base de MCP nécessitent moins d’espace entre le
mur et la couche de verre ou plastique que les murs trombe traditionnels. Ils sont plus légers
que les murs trombe traditionnels. Knowler (1983) a utilisé de la cire de paraffine CG avec
des additifs métalliques pour augmenter la conductivité globale et l’efficacité du mur trombe
à base de MCP. Ces travaux sont encore au stade expérimental.
Bloc de béton :
Le centre d’étude du bâtiment (université de Concordia) à Montréal au Canada a mis au
point des blocs de béton à base MCP. Ils ont utilisé différents MCP : la paraffine (PAR),
stérate de butyle (BS), dodécanol (DD) et polyéthylène (PEG) [12].
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Au cours des différents essais sur le rendement thermique de ces blocs de béton-MCP, il
ressort que les blocs de béton-MCP à base de paraffine ont la capacité de stockage
d’énergie (par mètre carré) plus importantes que les autres MCP expérimentés.
2.5.5. Autre intégration des MCP dans le bâtiment
D’autres compartiments du bâtiment sont utilisés pour l’intégration des MCP. Néanmoins, la
plupart sont encore au stade expérimental. Les travaux les plus avancés sont l’intégration
des MCP dans les fenêtres, les rideaux de fenêtres, le plancher et le plafond.
Intégration des MCP dans les fenêtres :
Les travaux sur les fenêtres à base de MCP les plus connus sont ceux du cabinet
architectural « GlassX » fondé par Dietrich Schwarz. Il a mis au point les fenêtres
« GlassX ». Ces dernières sont composées de quatre éléments au sein d’un seul ensemble
fonctionnel : une isolation translucide, une protection contre les surchauffes estivales, un
matériau à changement de phase intégré dans des conteneurs hermétiquement scellés en
polycarbonate peints en gris pour favoriser l’efficacité de l’absorption. En général, c’est un
MCP à base de sel hydraté avec une température de fusion aux alentours de 27 °C qui est
utilisé. Cette paroi est scellée par un verre de sécurité trempé de 6 mm qui peut être
agrémenté d’une sérigraphie esthétique du côté intérieur.
Lorsque l’inclinaison du rayonnement solaire est supérieure à 40 °C (été), il y a un
réfléchissement total des rayons solaires sur la fenêtre. Lorsque l’inclinaison du
rayonnement solaire est inférieure à 35 °C (hiver), les rayons solaires traversent
complètement la fenêtre.
D’après de récentes études [13], la capacité de stockage de l'énergie des fenêtres
« GlassX » est dix fois plus importante que le béton ordinaire.
Intégration des MCP dans les rideaux :
Les rideaux à base de MCP sont encore au stade de l’expérimentation dans l’optique d’une
amélioration du confort résidentiel. Le principe de fonctionnement consiste à laisser les
fenêtres ouvertes afin que les rideaux soient exposés aux rayonnements solaires. La fusion
des MCP permet de rafraîchir l’intérieur du bâtiment. Au cours du refroidissement nocturne
ou par temps nuageux, le rideau libère la chaleur solaire emmagasinée, permettant ainsi aux
MCP de se solidifier et à la pièce concernée de se réchauffer.
Les travaux les plus avancés sont celles de Buddhi et al., ainsi que Harald Mehling et al. :

Buddhi et al. [11] ont étudié la performance thermique d'une cellule d'essai (1m x 1m
x 1m) avec ou sans matériaux à changement de phase. Le MCP utilisé était l’acide
laurique (température de fusion de 49°C). Au cours de ces essais, ils ont constaté
que la température de l’air dans la cellule augmente jusqu'à 4°C pour 4-5 heures de
fonctionnement nocturne.
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
Harald Mehling et al. [11] ont mis au point un rideau à base de MCP qui permet de
décaler le pic de température diurne de 3 heures et d’abaisser la température du
bâtiment de 2°C sur cette période diurne. .
En raison des propriétés optiques des PCM, ces rideaux sont translucides, ce qui signifie
qu’elle brille en présence des rayons solaires. De ce fait, le rideau devient un élément
multifonctionnel : il améliore le confort du bâtiment et participe à la décoration intérieure de la
maison.
Intégration des MCP dans les plafonds et planchers :
Les produits à base de MCP installés dans les plafonds et les planchers pour améliorer le
confort du bâtiment sont en général des panneaux à base de MCP. Dans ce cas de figure, le
panneau le plus connu est le panneau DuPont™ Energain® [4]. D’autres fabricants de
produits à base de MCP (Solairked, Rubitherm, Cristopia, etc) proposent un panel de
panneaux à base de MCP.
2.5.6. Utilisation active des MCP dans le bâtiment
Les systèmes actifs sont des systèmes où la circulation du fluide dans les composants est
actionnée par un système mécanique (ventilateur, pompe, etc). Ce caractère actif permet
d’utiliser la capacité de stockage et/ou de déstockage d’énergie à la demande, c’est-à-dire
de façon non subie.
Les systèmes actifs sont composés en général de trois éléments :
 L’échangeur de stockage de l’énergie thermique de chaleur latente : LTHES1
contenant les MCP. C’est l’élément central du dispositif de stockage ;
 Le circuit de circulation du fluide (souvent de l’air, parfois de l’eau) caloporteur ;
 Un ventilateur ou une pompe qui détermine le débit de fluide dans les LTHES.
Les systèmes actifs de types échangeurs de chaleur permettent d’améliorer le confort des
bâtiments en faisant circuler de l’air frais (rafraîchissement) ou de l’air chaud (chauffage)
dans les bâtiments en fonction de la demande. Ils fonctionnent de la manière suivante :
Assistance au rafraîchissement des bâtiments :
Pendant la journée, on fait circuler l’air « chaud » du bâtiment dans un système actif. Ce
dernier contient des MCP solidifiés. Ces derniers soumis à une température supérieure à
leur température de fusion vont fondre en absorbant la chaleur de l’air. Ensuite, on réinjecte
cet air rafraichi dans le bâtiment. Pour solidifier le MCP, durant la nuit, on fait circuler l’air
extérieur au bâtiment « frais » qui a une température inférieure à la température de fusion du
MCP.
Assistance au chauffage des bâtiments :
Le principe est le même mais le fonctionnement s’inverse durant la journée, on fait circuler
l’air « chaud » du bâtiment (ou issu d’un système de chauffage, à source d’énergie solaire ou
1
LTHES : Latent Heat Thermale Energy Storage.
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électrique par exemple), ce qui permet de stocker la chaleur. On réchauffe le bâtiment en
faisant circuler l’air « frais » de ce dernier dans ces échangeurs lorsque c’est nécessaire
pendant la nuit.
Au cours de ses vingt dernières années, différents auteurs ont menés des travaux pour avoir
les meilleurs systèmes actifs de type d’échangeur de chaleur Air-MCP. Parmi ses travaux, il
ressort deux familles dont les travaux ont bien avancés. Il s’agit des systèmes d’échangeurs
à Air-MCP avec des MCP en « plaques » et ceux contenant des MCP disposés en « amas ».
2.5.7. Bilan
Dans ce paragraphe, parce que la suite de notre étude se concentre sur une intégration des
MCP dans les murs intérieurs du bâtiment 3E, nous avons présenté un panorama détaillé
des utilisations passives des MCP dans le bâtiment les plus développées et dont les
résultats sont publiés. Concernant l’utilisation active des MCP, nous nous sommes
simplement appliqués à l’expliquer brièvement.
Le tableau 8 suivant récapitule les paramètres caractéristiques des utilisations passives et
actives des MCP dans le bâtiment.
Utilisation active des MCP
Paramètres
Utilisation passive des MCP
MCP en plaques
MCP en amas
Choix de MCP
Différents
MCP
sont
expérimentés mais les plus
utilisés sont la paraffine et les
sels hydratés.
Il n’y a que Zalba et d’Arkar qui ont
expérimentés différents types de MCP.
Pour les autres, les MCP utilisés sont
conçus par les auteurs.
Encapsulation des
MCP
Facile : ils intègrent en général
les différents compartiments
du bâtiment.
La plupart sont faciles à concevoir.
Contenant des MCP
encapsulés
Limitée.
Importante pour la plupart.
Intégration de
l’échangeur dans le
système
Facile.
Difficile en général.
Intégration du
système dans le
bâtiment
Echange thermique
Air-MCP
Facile.
Non contrôlé.
Difficile en général.
Contrôlé bien qu’il se fasse de manière
indirecte.
Coût du système
Peu d’informations disponibles.
Application réelle
Les expérimentations donnent des résultats encourageants.
Tableau 8 : Comparaison des paramètres caractéristiques des échangeurs passifs et actifs [2].
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Figure 9 : Plan d’ensemble du complexe TECHNOPOLIS
Figure 10 : Situation géographique de Wroclaw et localisation du complexe TECHNOPOLIS
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3. Présentation du projet universitaire concernant le bâtiment 3E
– ENERGIE ECOLOGIE ECONOMIE
3.1.
Présentation générale du projet
3.1.1. Le complexe TECHNOPOLIS
La construction du bâtiment 3E s’inscrit dans le projet de création du complexe
TECHNOPOLIS (voir figure 9 ci-contre) de l’Université Polytechnique de Wroclaw. Ce
complexe fait partie de la création d’un pôle de recherche et d’éducation de la Faculté du
génie de l’environnement, et se composera des trois bâtiments suivants :
- Un bâtiment d’éducation et de recherche pour le Département de l’environnement (dit
en abrégé 3E – Energie Ecologie Economie).
- Un bâtiment réceptionnant un étage pour le Laboratoire de recherche en Toxicologie
et un autre étage pour le Laboratoire des Matériaux Polymères avancés et de
recyclage (dit en abrégé TOXY).
- Un bâtiment hébergeant le Laboratoire d’isolement financier (dit en abrégé IZO-LAB)
ainsi que le pôle de veilles technologiques nommé « Arrière-cour de technologie
durable ».
Le souhait de ce projet est de créer un ensemble cohérent qui associe de la meilleure façon
architecture, urbanisme et développement durable.
3.1.2. Site
L’implantation du complexe (voir figure 10 ci-contre) est prévu dans l’espace libre situé sur la
rue Dlugiej à Wroclaw, en Pologne, et qui s’avère être une propriété de l’Université
Polytechnique de Wroclaw, située 27 rue Wybrzeze Wyspianskiego.
Le complexe TECHNOPOLIS couvrira une surface de 7500 m² et sera distribué de la
manière suivante :
- Bâtiment 3E : 2000 m²,
- Bâtiment TOXY : 1200 m²,
- Bâtiment IZO-LAB : 3000 m²,
- Espaces verts et de communication, parking, etc. : 1300 m².
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Figure 11 : Différentes vues du bâtiment 3E, © Piotr Kuczia.
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3.2.
Le bâtiment 3E – ENERGIE ECOLOGIE ECONOMIE
3.2.1. Présentation
Au sein du campus de l’Université Polytechnique de Wroclaw, le futur bâtiment 3E (voir
figure 11 ci-contre) a été conçu pour être un bâtiment innovant et précurseur d’une
importante tendance environnementale. Ce sera, en effet, le premier bâtiment public en
Pologne qui répondra à des critères essentiels en matière d’économie d’énergie.
Pour réaliser au mieux cet ambitieux projet, une équipe interdisciplinaire a été mise en place
et se compose notamment du célèbre architecte polonais, M. Piotr Kuczia, et d’environ 30
chercheurs travaillant dans le domaine climatique et énergétique du département ingénierie
de la Faculté du génie de l’environnement de l’Université Polytechnique de Wroclaw, sous la
direction du professeur Jan Danielewicz.
En 2010, le bâtiment 3E gagna en Pologne le 1er prix du GREEN BUILDING COUNCIL pour
la meilleure conception écologique et une certaine distinction pour le meilleur espace
intérieur écologique.
3.2.2. Architecture
Le bâtiment 3E, de forme carrée, se composera de trois
étages et d’une toiture terrasse. La structure du bâtiment
reposera sur des piliers : des colonnes extérieures en
éléments préfabriqués en béton. Elles auront la double
fonction de supporter le bâtiment tout en servant de
cheminées d’évacuation d’air. Concernant les planchers,
ils seront en béton armé monobloc et pourront être
« activés thermiquement ». A chaque façade, s’associera
un caractère unique et particulier en fonction de Figure 12 : Six façades énergétiques
l’orientation par rapport au soleil.
La forme ainsi que l’orientation du bâtiment et de ses
ouvertures sont le résultat d’une optimisation
géométrique pour la limitation des pertes d’énergie, mais
aussi pour une acquisition la plus intelligente possible
des apports solaires.
Figure 13 : Optimisation de l’air frais
3.2.3. Fonctionnement du bâtiment
Le bâtiment s’articulera autour d’un atrium central qui s’élève sur trois niveaux et est fermé
par une verrière en toiture. Le rez-de-chaussée donnera sur le hall d’entrée, des espaces de
communication, les locaux techniques ainsi que sur une plateforme de démonstration. Le
premier étage, l’étage principal du bâtiment, donnera sur l’espace supérieur d’exposition,
deux salles de conférences, des laboratoires, deux salles informatiques, un snack-bar et une
salle pour le personnel. L’étage supérieur donnera une salle de laboratoire, une salle de
repos et des locaux de rangement. L’espace plat de la toiture servira de stockage.
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Le nombre maximal d’usagers prévus dans le bâtiment est de 500 personnes. Ils peuvent
être répartis en plusieurs groupes :
- Protection du bâtiment : des gardiens présents nuit et jour dans le bâtiment.
- Entretien du bâtiment : des techniciens de surface demeurant dans le bâtiment à
certaines heures.
- Domaine de la recherche : chercheurs et maîtres de conférences pouvant être
présent dans le bâtiment entre 08h00 et 18h00.
- Les étudiants : présents dans le bâtiment selon leurs emplois du temps. Les cours
sont prévus entre 09h00 et 17h00.
- Les visiteurs : le bâtiment reste ouvert et disponible à tout public, excepté lors des
jours fériés. L’université s’attend à attirer la curiosité d’élèves des écoles primaires,
secondaires et supérieures, ou encore d’adultes soucieux des progrès existants pour
satisfaire des enjeux environnementaux.
Le futur bâtiment 3E a notamment été élaboré dans l’optique d’être en permanence un lieu
d’exposition des nouvelles technologies du génie climatique et énergétique.
3.2.4. Enjeux énergétiques
En Pologne, les enjeux en matière d’efficacité énergétique sont de plus en plus importants.
Le choix de concevoir un bâtiment avec un bilan énergétique presque nul est motivé par
plusieurs facteurs :
- Le programme 3 x 20% approuvé en 2007 par le Conseil de l’Europe. Ce programme
européen prévoit d’ici 2020 de : rationaliser la consommation d’énergie et donc
réduire cette consommation de 20%, augmenter la part de production d’électricité à
partir de sources non renouvelables à une hauteur de 20% dans l’UE, et, enfin,
réduire les émissions de gaz à effet de serre d’au moins 20% par rapport à 1990.
- La présentation des directives du Conseil de l’Europe 2002/91/CE au Parlement
Européen le 16 décembre 2002 en tant qu’exigences concernant la certification
énergétique des bâtiments et de son amendement, sous la forme de directives du
Conseil Européen 2010/31/CE le 19 mai 2010.
- Encourager la politique énergétique de la Pologne et son développement au sein de
l’Europe. Un des objectifs du bâtiment 3E est d’obtenir une certification énergétique
LEED / DNGB.
Face à ces enjeux, les installations visant à assurer le confort des occupants doivent
satisfaire les exigences environnementales suivantes :
- Favoriser le recours aux énergies naturelles comme le soleil, le vent, la terre et l’eau.
- Réduire la demande d’énergie de pompage, de refroidissement et de chauffage de
l’air.
- Limiter l’utilisation de produits nuisibles à l’environnement tels que les réfrigérants.
- Limiter l’utilisation des combustibles fossiles directe (dans les sources de chaleur) et
indirecte (consommation d’électricité).
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3.3.
Des installations innovantes
Le bâtiment 3E a pour vocation d’être une vitrine des nouvelles technologies dans le
domaine de l’écologie et de l’efficacité énergétique. Le fonctionnement des installations sera
évolutif en fonction des saisons et des ressources disponibles.
Ce qu’il faut retenir de ce projet exceptionnel, ce sont les aspects suivants :
- Une incomparable concentration de techniques énergétiques durables et efficaces, et
de matériaux écologiques dans un seul bâtiment.
- Une utilisation minimale d’énergies provenant de sources non-renouvelables.
- La performance de toutes les solutions mises en place sera scientifiquement évaluée
durant toute l’opération, et en vue d’être constamment améliorée.
- Un bâtiment non seulement académique, mais offrant aussi l’opportunité d’être ouvert
à tout public soucieux de connaître des solutions modernes et en constant progrès.
3.3.1. Gestion de l’eau
Toiture végétalisée
Collecte des eaux de pluie
Eaux de pluie
Eaux grises
Recyclage
Récupération de chaleur
Figure 14 : Schéma représentatif des technologies mises en place pour la gestion de l’eau.
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Toiture végétalisée
Filtration et épuration biologique des eaux de pluie
Rétention d'eau, évaporation des eaux
→ Eviter l'engorgement des gouttière

Les eaux grises sont collectées ensemble pour être
valorisées :
 Diminution de la consommation en eau.
 Réduction du volume des rejets pollués.

Les eaux grises sont à une température de 40°C
environ.
Le système ThermoCycle, muni d’un échangeur de
chaleur, transmet la chaleur des eaux grises à l’eau
froide du réseau. L’eau froide à 10°C devient de
l’eau tempérée à 15°C
Eaux grises des
lavabos et douches
Récuparation de
chaleur


L’eau traverse le système PONTOS. Processus :
 Filtrage,
 Nettoyage biologique et mécanique,
 Stérilisation par une lampe à ultraviolets.

Le système PONTOS est équipé d’une pompe qui
permet la distribution de l’eau recyclée vers les
chasses d’eau des sanitaires.
Traitement
Alimentation
sanitaires
Récupération des
eaux de pluie
Stockage en toiture
Alimentation par
gravité des sanitaires
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB

Les eaux qui ruissellent sur la verrière en toiture
sont collectées dans des gouttières puis évacuées
vers deux cuves de stockage.

Les deux cuves de 12m² et 23m² sont situées en
toiture du bâtiment

L’eau est distribuée vers les sanitaires du rez-dechaussée par gravitation. Cette technique évite
l’utilisation de pompe de circulation.
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 28
3.3.2. Confort d’été
Energie éolienne
Energie solaire
Fraicheur du sol
Figure 15 : Schéma représentatif des technologies mises en place pour le confort d’été.

Pompe à chaleur
air-air


Pompe à chaleur
eau-eau

L’air chaud extérieur qui circule dans un puits canadien
est refroidit.
L’air rafraîchi est diffusé dans le bâtiment.
La fraîcheur du sol est transmise au fluide qui circule dans
la pompe à chaleur.
Le fluide refroidit passe dans les planchers du bâtiment à
travers la dalle activée thermiquement.
Free cooling
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 29
Atrium = verrière


La verrière assure un chauffage important de l’air.
Les ailettes placées sous la verrière récupèrent cet air
chaud chaleur et protège du rayonnement solaire.

Le système de climatisation utilise la dessiccation et
l’évaporation.
L’air chaud, traverse une roue à dessiccation où il est
déshumidifié avant d’être refroidit dans un échangeur
thermique. Il est refroidi une deuxième fois par
humidification avant d’être injecté dans la pièce.
L’air extrait est humidifié jusqu’au point de saturation pour
augmenter son potentiel de rafraichissement dans
l’échangeur.

Climatisation solaire
système SDEC

Protection solaire +
Rafraichissement
Ventilation
gravitationnelle
Cheminées solaires
Turbine


Ce système est utilisé dans le bâtiment 3E uniquement
dans la salle de conférence située à l’Est.
La protection solaire évite les surchauffes dans l’Atrium.
• La circulation de l’air est provoquée par la différence de
densité de l’air à l’intérieur et à l’extérieur du bâtiment.
• L’air chaud du bâtiment est évacué vers l’extérieur.
• La couleur noire de la cheminée solaire est conçue pour
absorber un maximum d’énergie. Cette chaleur est transmise
à l’air qui circule dans la cheminée.
• L’augmentation de la température de l’air génère une
diminution de la densité de l’air qui est alors évacué plus
facilement.
• Chaque cheminée est équipée d’une turbine qui accentue
le tirage, donc optimise l’évacuation de l’air vers l’extérieur.
Pour contribuer à une meilleur gestion de la température intérieure des locaux dans l’intérêt
d’optimiser au mieux l’énergie, il est prévu dans la conception d’une partie des parois
intérieures de certaines pièces du bâtiment 3E, l’emploi de matériaux à changement de
phase.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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3.3.3. Confort d’hiver
Energie éolienne
Energie solaire
Chaleur du sol
Figure 16 : Schéma représentatif des technologies mises en place pour le confort d’hiver.
Ventilation
gravitationnelle
(cheminée + turbine)
Absence de ventilateur
pour l'évacuation de l'air
vers l'extérieur
Minimisation des
consommations
d'énergie
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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Page 31
Energie solaire
Production
d'électricité +
chaleur

L’énergie solaire est valorisée de différentes façons.

Les panneaux solaires photovoltaïques placés sur la façade
Sud du bâtiment fournissent de l’électricité.
Les panneaux solaires thermiques situés sur la toiture du
bâtiment procurent de l’énergie pour le chauffage de l’eau
sanitaire et de l’eau qui circule dans les dalles activées
thermiquement.


Stockage de
chaleur


Pompe à chaleur
air-air


Pompe à chaleur
eau-air
Chauffage de l'air
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB


De par leur capacité à stocker une quantité importante de
chaleur, les matériaux à changement de phase (MCP)
présentent une alternative intéressante pour réduire les
consommations de chauffage en hiver.
L’énergie thermique produite en excès est stockée dans le
sol sous le bâtiment pour une utilisation en différée.
L’air froid extérieur qui circule dans un puits canadien prend
la chaleur du sol.
L’air chauffé est diffusé dans le bâtiment.
La chaleur du sol est transmise au fluide qui circule dans la
pompe à chaleur.
Le fluide chauffé passe ensuite dans les planchers du
bâtiment à travers la dalle activée thermiquement.
Ces deux systèmes permettent le chauffage naturel du
bâtiment en hiver.
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 32
4. Etude des MCP à l’aide d’un outil de simulation thermique
dynamique
4.1.
Utilisation des MCP avec le logiciel TAS
4.1.1. Le logiciel TAS
Dans le cadre d’un partenariat entre l’Université Polytechnique de Wroclaw et l’éditeur de
logiciels britannique EDSL, le logiciel TAS, conçu en 1989, a été choisi en tant qu’outil de
modélisation et de simulation du futur bâtiment 3E. Il a pour intérêt la détermination des flux
thermiques d’un bâtiment, et s’adresse notamment aux bureaux d’études et aux organismes
d’enseignement et de recherche. Ce logiciel est un outil de prévision en dynamique du
comportement thermique d’un bâtiment, permettant aux concepteurs d’évaluer au pas de
temps horaire les consommations d’énergie, les émissions de CO2, les coûts d’exploitation et
le confort des occupants.
L’étude de simulation thermique dynamique se conduit en plusieurs phases, comme l’illustre
la figure suivante.
MODELISATION
2D/3D :
Utilisation de TAS
3D Modeller
•Géométrie et constitution du bâtiment : Orientation,
étages, pièces, zones, volumes d'air, parois,
plafonds, planchers, fenêtres, masques.
•Vérification visuelle : Contrôler qu'il n'y ait pas
d'erreurs faîtes dans la saisie du bâtiment.
ANALYSE DU
BÂTIMENT :
Utilisation de TAS
Building Simulator
•Définir
l'environnement
et
les
particularités du bâtiment : Spécifier une
météo, un calendrier, les éléments de
construction, les charges internes
(dégagées par l'éclairage, les personnes,
les machines, etc.) et les régulateurs
(consigne variable de température,
d'humidité et de ventilation.
RESULTATS :
Utilisation de
Result Viewer
•Simulation du bâtiment : Etude des
résultats
sous
formes
de
graphiques ou tableaux. Différentes
données de sortie sont étudiables :
Température de l'air extérieur /
intérieur, température de surface,
humidité, conductivité, risque de
condensation, charges sensibles et
latentes, consommation d'énergie,
etc.
Figure 17 : Les différentes phases de l’étude thermique d’un bâtiment à partir du logiciel EDSL-TAS.
A l’aide du module TAS Systems, il est possible de créer des équipements CVC à partir d’un
schéma de principe où il est nécessaire de spécifier chaque composant et leur paramétrage.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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Page 33
Le programme TAS a été utilisé pour simuler l’impact des panneaux à base de Matériaux à
Changement de Phase (MCP) dans certaines pièces du bâtiment 3E. Ce logiciel contient les
propriétés du MCP Energain®, de la société Dupont de Nemours, dans sa librairie pour
ajouter des épaisseurs de ce matériau dans les parois ou plafonds/planchers d’un bâtiment.
Seule Dupont Building Innovations a collaboré avec la société EDSL au sein d’un logiciel
dynamique de validation thermique pour faciliter la simulation des avantages apportés par un
MCP aux bâtiments. C’est la raison pour laquelle, dans le cadre du partenariat existant entre
l’université et l’éditeur, notre étude sur l’intégration des MCP dans le bâtiment 3E ne
concernera que l’Energain® malgré les autres produits disponibles sur le marché.
4.1.2. Utilisation du MCP Energain®
Le matériau Energain® est breveté par la société
Dupont de Nemours (Luxembourg) [4]. L’Energain®
est un produit qui se présente sous la forme d’un
panneau constitué de deux feuilles d’aluminium de 130
µm d’épaisseur renfermant un composé solide de
copolymère (éthylène, 40%) et de paraffine (60%). Les
bords du panneau sont rendus étanches grâce à un
ruban adhésif en aluminium de 75 µm d’épaisseur. Les
feuilles d’aluminium jouent trois rôles distincts :
protection anti-feu, rigidité du panneau pour faciliter la
pose et protection contre la migration de la cire. On
peut l’intégrer directement dans la structure pendant la
construction du bâtiment ou rajouter lors de rénovations.
Figure 18 : Panneau Energain®.
Le principe de fonctionnement de l’Energain® est le suivant :
- Si la température intérieure de la pièce, dans laquelle
a été incorporé le matériau, est inférieure à 20°C, la
cire de paraffine conserve son état solide ;
- Lorsque la température dépasse 21,7°C, le
changement de phase commence et la cire fond en
absorbant les calories énergétiques de la température
ambiante de la pièce (rayonnement solaire et/ou
gains internes) et en les stockant dans le panneau.
- Dans le cas où la température redescend en dessous
de 20°C, un nouveau changement d’état survient et la
cire de paraffine se solidifie, restituant ainsi la chaleur
à l’intérieur de la pièce.
Figure 19 : Principe de stockage
des MCP dans un bâtiment [4].
La température idéale d’une pièce se situe généralement entre 16/17 °C et 24-26 °C, et
dépend de critères liés, à la fois, à la construction et l’aménagement du bâtiment (degré
d’activité, humidité, température des murs, …) et à la perception subjective des occupants
(âge, sexe, activité, vêtements portés, …). Les panneaux Energain®, d’une épaisseur de
5,26 mm, absorbent jusqu’à 515 kJ/m² pour une température de fusion de 21,7 °C. Cette
capacité élevée de stockage de chaleur permet non seulement d’éviter les pics de
température ambiante, mais aussi de réduire la consommation d’énergie jusqu’à 15% en
chauffage et jusqu’à 35% en climatisation.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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La fonte de la cire de paraffine a été testé par un système de calorimétrie différentielle par
balayage, plus couramment appelée DSC2. Il s’agit d’une technique d’analyse thermique qui
mesure les différences des échanges de chaleur entre un échantillon à analyser (la cire de
paraffine dans le cas de l’Energain® ici) et une référence (échantillon témoin).
Figure 20 : Conductivité et chaleur massique du matériau Energain® mesurés par la méthode DSC [4].
L’énergain® est capable de stocker davantage d’énergie thermique de façon latente avec
une plus grande capacité de stockage et une masse inférieure par rapport aux matériaux
conventionnels. Selon la figure 21 suivante, un panneau Energain® de 5 mm d’épaisseur est
équivalent à 30 mm de béton en fonction de la température.
Figure 21 : Comparaison de chaleur totale échangée entre 18 °C et 26 °C entre le béton et l’Energain® [4].
La figure 22 compare le stockage thermique de l’Energain® avec celui de certains matériaux
de construction conventionnels de 5 mm d’épaisseur, dans un créneau de température de
18-24 °C.
2
DSC : Differential Scanning Calorimetry.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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Figure 22 : Chaleur totale échangée entre 18°C et 26°C pour une couche de 5 mm de matériau [4].
Diverses applications des panneaux Energain® ont été recensées parmi les bâtiments
résidentiels (habitation familiale) et non résidentiels (immeuble de bureaux, bâtiment
scolaire) dans divers pays en Europe : France, Luxembourg, Royaume-Uni, Italie,
République Tchèque, etc.
Ce produit a été reconnu à travers plusieurs publications :
- Finaliste du Carbon Trust Innovation Award 2007, Royaume-Uni.
- Concours de l’innovation Batimat 2009, France.
- Self Build Product Award 2010, Royaume-Uni.
- Pass Innovation, CSTB France.
- Récompense parmi les 23 Life Environment Projects, juin 2010, Bruxelles, Belgique.
Afin d’assurer la fiabilité du produit, la société Dupont de Nemours dispose d’une certification
desservie par l’organisme CSTB ainsi que d’une protection contre l’incendie de son produit
Energain®. De plus, un brevet a été déposé pour garantir aux utilisateurs que le matériau
conserve sa résistance mécanique lorsque la paraffine se trouve dans la phase liquide. De
nombreux tests ont été réalisés lors du développement du produit, en laboratoire comme en
situation réelle, pour attester de performances cohérentes et fiables. La longévité du
matériau est équivalente à celle du bâtiment dans lequel il est mis en application. Il est
chimiquement inerte par rapport à la plupart des matériaux.
4.2.
Performances de l’Energain® au sein du logiciel TAS
4.2.1. Principe
Avant d’analyser l’impact du matériau à changement de phase dans le bâtiment 3E, nous
préférons vérifier les propriétés de l’Energain® utilisées au sein du logiciel TAS. Pour cela,
l’intérêt est d’évaluer l’influence de la température intérieure d’une pièce sans fenêtres et
faiblement isolée. Sans apports internes et solaires, mais en faisant simplement varier la
température de consigne de la pièce entre 15 °C et 25 °C, nous devrions déterminer à partir
de quelles températures le MCP commence à travailler et nous devrions surtout être
capables de mettre en valeur la température de fusion du matériau. Ce constat se fera à
partir de l’écart des besoins d’énergie entre une pièce « test » sans l’ajout du module
Energain® dans la plaque de plâtre située sur les façades intérieures des quatre murs
latéraux, et une autre pièce « test » similaire à la précédente et à laquelle est ajouté 10 mm
du MCP. Lorsque l’écart entre les deux pièces sera de grande portée, nous aurons alors
atteints nos objectifs d’études.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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4.2.2. 1er essais :
Modèle et hypothèses de simulation :
La figure 23 présente le modèle que nous avons simulé pour notre cas d’étude. La pièce
« test » se situe au centre de la pièce de conditionnement afin d’éviter tout contact avec les
variations extérieures (vent, soleil, humidité, etc.). Pour renforcer cet isolement, les murs,
plancher et plafond de la pièce de conditionnement se composent de 500 mm de
polystyrène. En ce qui concerne la pièce « test », les murs, plafond et plancher se
composent de 200 mm de béton cellulaire et d’une plaque de plâtre de 20 mm pour le
revêtement intérieur.
Pièce de conditionnement
Pièce
« test »
Murs extérieurs à base de
500 mm de polystyrène.
Murs intérieurs composés
d’une plaque de plâtre de
20 mm et de 200 mm de
béton cellulaire.
Figure 23 : Schéma simplifié des premiers modèles étudiés.
Les pièces « test » et de conditionnement sont équipées d’émetteurs standards de chauffage
et climatisation qui permettent d'évaluer les besoins d’énergie. Les données météorologiques
prises en compte pour nos simulations sont celles de Wroclaw.
Le scénario mis en place est le suivant :
- La consigne de la température intérieure de la pièce « test » a une valeur fixe, entre
15°C et 25°C selon les simulations, tout le long de l’année.
- La consigne de la température intérieure de la pièce de conditionnement a la même
valeur que celle de la pièce « test » les vingt premiers jours et est ensuite fixée à 0°C.
L’intérêt est de faire varier la pièce de conditionnement pour observer comment la pièce
« test » peut réagir avec ou sans MCP.
Résultats :
Lors des vingt premiers jours, les besoins en chauffage augmentent très vite jusqu’à se
stabiliser à partir du 4ème jour dans les deux cas où la pièce « test » est équipée ou non de
l’Energain®. Ils restent constants jusqu’au 20ème jour. A partir du 21ème jour, lorsque la
consigne de la pièce de conditionnement est fixée à une température de 0°C, les besoins
augmentent à nouveau rapidement et se stabilisent dès le 24ème jour. La figure 24 montre
l’évolution des besoins en chauffage de la pièce « test », avec ou sans MPC, entre les 21ème
et 26ème jours de simulation, pour des températures de consigne de 15°C, 20°C et 25°C.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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Besoins de chauffage [W]
4000
3500
Sans MCP et une
consigne de 20°C
3000
Avec MCP et une
consigne de 20°C
2500
Sans MCP et une
consigne de 25°C
2000
1500
Avec MCP et une
consigne de 25°C
1000
Sans MCP et une
consigne de 15°C
500
Avec MCP et une
consigne de 15°C
0
0
48
96
144
Temps [h]
Figure 24 : Evolution des besoins de chauffage de la pièce « test » en fonction de l’ajout de l’Energain®
ème
ème
et des différentes températures de consigne, entre les 21
et 26
jours de simulation.
L’objectif de cette étude est de voir à partir de quelle température de consigne l’écart entre
les pièces « test » avec et sans MCP devient important. Toutefois, notre travail nous a
amené à remarquer que, plus nous augmentons la température de consigne, plus l’écart
s’accroît de manière proportionnelle et, de ce fait, ne devient jamais significative. C’est la
raison pour laquelle nous n’avons pas présenté les courbes de toutes les températures de
consigne dans la figure 24.
Face à un tel constat, nous avons essayé de comprendre l’erreur commise dans ce modèle
en analysant toutes les données possibles. Nous avons aussi imaginé d’autres modèles tels
que celui où nous figeons la température de consigne de la pièce de conditionnement pour
faire varier celle de la pièce « test », mais nos observations restent similaires. Cependant, en
analysant sur le logiciel TAS le transfert thermique qui s’effectue dans les murs communs
aux pièces « test » et de conditionnement, nous nous sommes aperçus qu’il n’est pas nul et
que ces parois ne sont donc pas adiabatiques. Par conséquent, lorsque nous appliquons le
plugin Energain® dans les plaques de plâtre des murs intérieurs, l’énergie qui est stockée
par le MCP n’est pas relâchée dans la pièce d’étude mais est en fait évacuée vers les
milieux en contact avec les murs où est contenu le MCP.
4.2.3. 2nd essai :
Modèle et hypothèses de simulation :
La figure 25 présente le dernier modèle simulé afin d’éviter le problème du transfert
thermique auquel nous étions confrontés précédemment. Les murs, plancher et plafond de la
pièce « test » se composent d’une plaque de plâtre de 20 mm, de 200 mm de béton
cellulaire et de 500 mm de polystyrène avec une conductivité thermique que l’on fixe à 0,001
[W/(m.K)]. Dans ce nouveau cas d’étude, il n’y a plus la pièce de conditionnement, mais les
données météorologiques sont figées. En effet, nous supprimons le flux solaire et la
présence du vent, l’humidité relative est constante à une valeur de 92% et nous fixons la
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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Page 38
température de l’air 2°C au dessus de la température de consigne que nous imposons à la
salle « test ».
Murs composés d’une plaque de
plâtre de 20 mm, de 200 mm de
béton cellulaire et de 500 mm de
polystyrène avec une conductivité
très faible.
Pièce
« test »
Figure 25 : Schéma simplifié du dernier modèle étudié.
La pièce « test » est équipée d’émetteurs standards de chauffage et climatisation afin de
pouvoir évaluer les besoins d’énergie.
Le scénario mis en place est le suivant :
- Durant les 40 premiers jours, nous fixons la température de consigne à 18°C, 20°C,
22°C ou 24°C.
- Nous abaissons la température de consigne de 10°C les 40 jours suivants.
- Nous réitérons ces mêmes schémas jusqu’à la fin de l’année.
Résultats :
L’intérêt de ce modèle est d’étudier directement l’évolution de la température résultante de la
pièce « test », avec ou sans MPC. C’est ce que nous montrons avec la figure 26 entre les
120ème et 148ème jours de simulation. Quelles que soient les températures de consigne que
l’on impose, l’écart de température entre la pièce « test » avec MCP et celle sans MCP reste
identique, à la décimale près, et est exactement conforme à ce que nous expose la figure 26.
18
Cas avec MCP
Température [°C]
16
Cas sans MCP
14
12
10
8
0
96
192
288
384
Temps [h]
480
576
672
Figure 26 : Evolution de la température résultante de la pièce « test » en fonction de l’ajout de
ème
ème
l’Energain®, entre les 120
et 148
jours de simulation.
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Tuteur : Armand ERB
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Page 39
A partir des figures 24 et 26, nous pouvons remarquer que l’Energain® a un impact favorable
concernant l’évolution des demandes d’énergie et des températures face à nos consignes.
Néanmoins, quelques soient les modèles que nous avons créés, nous ne sommes pas
capables de retrouver les propriétés qui font la particularité des matériaux à changement de
phase en comparaison avec les autres matériaux de construction. Nous pouvons observer
que le MCP semble fonctionner comme un simple matériau accumulateur de chaleur et
isolant, et dans ce cas, l’utilisation de l’Energain® au sein du logiciel TAS a été simplifié.
4.2.4. Conclusion :
Nous avons consacré beaucoup de temps de travail et de réflexion pour cette étude sur les
performances de l’Energain® au sein du logiciel TAS, en raison de nos résultats qui ne se
montraient pas conformes aux propriétés que l’on connait sur les matériaux à changement
de phase. Cette étape a été déterminante puisque les conclusions qui ont été trouvées
influeront sur la poursuite de notre projet.
Ainsi, à travers nos différents modèles, nous nous sommes aperçus, d’une part, que le MCP,
crée par le module associé dans TAS, n’évacue pas dans la bonne direction toute l’énergie
qu’il a pu stocker. Pour remédier à ce problème, il est donc nécessaire d’isoler au maximum
la pièce où l’on veut intégrer le MCP afin que ce dernier n’interagisse pas avec le milieu
extérieur. D’autre part, ce MCP semble n’avoir que des propriétés accumulatrices de chaleur
et isolantes.
Face à ces constats, nous avons donc décidé de contacter l’éditeur du logiciel TAS pour lui
faire part de nos résultats. Leur réponse confirma nos hypothèses. Dans un premier temps,
afin de justifier l’énergie latente absorbée et relâchée par le matériau, l’éditeur du module
Energain® dans TAS travaille sur la variation de la capacité de chaleur sensible en
fonction de la température. Dans un second temps, le MCP est modélisé à partir de la
courbe de l’énergie stockée et relâchée en fonction des changements de température.
Cependant, l’éditeur n’utilise qu’une seule courbe pour les deux états liquide et solide du
MCP. Le changement de phase solide/liquide n’a donc pas été pris en compte dans le
module.
Toutefois, le partenariat, qu’a signé l’Université Polytechnique de Wroclaw avec la société
EDSL pour le projet 3E, implique l’engagement de l’éditeur du logiciel TAS à trouver
rapidement des solutions face à d’éventuels problèmes. Ainsi, dans la prochaine version du
logiciel disponible à partir de septembre 2012, l’éditeur a prévu de distinguer les deux
phases solide et liquide du MCP en intégrant une deuxième courbe. De plus, grâce au travail
de recherche des différents MCP existants sur le marché international que nous avons
effectué (voir tableau 5 du paragraphe 2.2.5.), le logiciel devrait compter à partir de 2013 un
ou deux MCP en plus dans sa bibliothèque de matériaux.
Nous n’avons pas eu d’informations plus précises et complémentaires.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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Page 40
4.3.
Etude de l’influence des apports solaires
4.3.1. Modèle et hypothèses de simulation
Dans cette nouvelle étude, il s’agit de travailler avec un modèle de bâtiment qui se rapproche
de celui du bâtiment 3E. C’est pourquoi, nous cherchons à étudier l’influence des apports
solaires selon trois orientations différentes (Est, Ouest et Sud). La figure 27 présente donc
un modèle qui associe pour chaque orientation une pièce avec l’ajout de 10 mm du MCP
dans les parois latérales et une autre sans MCP, afin de permettre une analyse comparative.
N
Pièce « OUEST »
sans MCP
Pièce « EST »
sans MCP
Pièce de
conditionnement
Pièce « OUEST »
avec MCP
Pièce
« SUD »
avec
MCP
Pièce « EST »
avec MCP
Surface 1
Surface 2
Surface 3
Pièce
« SUD »
sans
MCP
Figure 27 : Schéma simplifiée du modèle étudié avec des fenêtres.
En s’inspirant des conclusions de l’étude précédente, les murs latéraux des différentes
pièces « EST », « OUEST » et « SUD » auront la même composition que le modèle de la
figure 25, et leurs planchers et plafonds, d’une surface de 50 m², seront renforcés par une
isolation de 500 mm à faible conductivité. Les façades extérieures des différentes pièces
« EST », « OUEST » et « SUD » sont équipées d’une grande baie munie d’un triple vitrage
6/12/6/12/6. Concernant la pièce de conditionnement, sa composition est équivalente à celle
du bâtiment 3E, c’est-à-dire à base de béton cellulaire et de polystyrène.
Puisque l’intérêt de notre étude, ici, est d’évaluer la seule influence des apports solaires, les
apports internes ne sont pas inclus. Mais, parce que nous sommes obligés de travailler sur
un bâtiment très isolé, nous avons mis en place un scénario de ventilation pour obtenir des
résultats sur lesquels nous pouvons discuter. C’est pourquoi, après plusieurs essais, nous
avons décidé d’imposer un débit de 30 m3/h en été et un débit de 60 m3/h en hiver.
Différentes simulations sont réalisées afin d’évaluer la performance du MCP en fonction des
apports solaires. Nous avons fait varier différents paramètres. Parmi ceux-ci, nous avons
considéré la présence ou non de chauffage et de rafraîchissement. Les différentes pièces
d’étude sont chauffées à une température de consigne de 19°C, avec un réduit de 16°C en
période de vacances. Ces mêmes pièces peuvent être rafraîchies à 24°C, avec un arrêt
complet en période de vacances. Enfin, nous avons effectué systématiquement une
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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Août 2012
Page 41
simulation avec et sans MCP pour les différents pièces « EST », « OUEST » et « SUD ». Les
différents scénarii envisagés sont regroupés dans le tableau suivant.
Etude des différentes pièces avec ou sans MCP
Chauffage
Rafraîchissement
Non
Non
Oui
Non
Non
Oui
Oui
Oui
Cas
1
2
3
4
Tableau 9 : Simulations effectuées.
Dans tous les cas, nous avons utilisé les données météorologiques de Wroclaw.
4.3.2. Modélisation des stores
Il est possible, depuis les dernières versions du logiciel TAS, d’associer à chacune des
fenêtres d’un bâtiment un store permettant la protection solaire. Celui-ci peut être intérieur ou
extérieur et est caractérisé par un facteur « g » global comprenant également le vitrage. Ce
facteur intègre notamment les phénomènes de transmission et d’absorption/émission de
l’ensemble.
Dans notre cas, les stores sont extérieurs et les scénarii mis en place pour l’intégration de
ces stores sont les suivants :
- En période d’hiver, le store recouvre la totalité du vitrage lorsqu’il n’y a aucun apport
solaire, sinon il n’y a pas de store.
- En période d’été, le store recouvre la moitié du vitrage lorsque les apports solaires
sont supérieurs à 300 W, sinon il n’y a pas de store.
Malheureusement, nous ne pouvons pas appliquer deux scénarii de store différents pour un
même jour.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Pièce "EST"
Pièce "OUEST"
Rafraîchissement
[kWh]
Chauffage [kWh]
Rafraîchissement
[kWh]
Chauffage [kWh]
Rafraîchissement
[kWh]
Chauffage [kWh]
Sans les stores
Avec les stores
Pièce "SUD"
Figure 28 : Influence des stores sur les besoins annuels en chauffage et rafraîchissement [kWh] des
différentes pièces d’étude sans l’ajout du MCP.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 42
La figure 28 expose l’influence des stores en fonction de l’orientation des pièces de notre
modèle, sans prendre en compte l’ajout du MCP. Comme nous pouvions nous en douter, la
mise en place des stores profite plus à la réduction des besoins annuels en rafraîchissement
(jusqu’à 83% de gain pour la pièce « SUD »), mais permet tout de même d’abaisser environ
15% des besoins en chauffage.
Pour la suite de nos études, les stores seront toujours pris en compte.
4.3.3. Résultats
Evolution libre des températures :
26
Temperature [°C]
24
22
20
Température extérieure
Cas 1 sans MCP
18
Cas 1 avec MCP
16
14
12
0
12
24
36
Temps [h]
48
60
72
Figure 29 : Evolution de la température extérieure et des températures résultantes
des pièces « OUEST » avec et sans MCP (du 9 au 11 juin).
La figure 29 montre l’évolution des températures résultantes des pièces « OUEST » sur une
période de 3 jours. Nous constatons un certain amortissement des températures, d’environ
1°C, lorsque les MCP sont mis en place. Le meilleur amortissement est obtenu le 2 juin
avec un pic de température inférieur à 2°C dans le cas avec MCP. Les résultats sont à peu
près similaires pour les pièces « EST » et « SUD ».
Chauffage ou rafraîchissement seul :
La figure 30 montre l’évolution des températures résultantes des pièces « EST » sur une
période de deux jours en octobre dans le cas où seul le chauffage fonctionne avec une
consigne à 19°C et une autre à 16°C en période de vacances. La mise en place des MCP
permet de maintenir un certain niveau de confort au sein de la pièce avec une température
résultante qui ne descend pas en dessous de la consigne. Nous obtenons un gain d’environ
0,5°C par rapport à la situation sans MCP.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
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21
20,8
Température [°C]
20,6
20,4
20,2
20
Cas 2 avec MCP
19,8
Cas 2 sans MCP
19,6
19,4
19,2
19
0
10
20
30
Temps [h]
40
Figure 30 : Evolution des températures résultantes des pièces « EST »
avec et sans MCP (17 et 18 octobre).
De façon analogue, si le bâtiment fonctionne en mode froid uniquement, les risques
d’inconfort subsistent. La figure 31 représente l’évolution des températures des pièces
« SUD » sur une période de 2 jours en juin dans le cas où seul le rafraîchissement est
disponible. La présence des MCP permet d’atténuer les températures d’environ 0,5°C.
23,2
23
Température [°C]
22,8
22,6
22,4
Cas 3 sans MCP
22,2
22
Cas 3 avec MCP
21,8
21,6
21,4
21,2
0
10
20
30
Temps [h]
40
Figure 31 : Evolution des températures résultantes des pièces « SUD »
avec et sans MCP (20 et 21 juin).
Le taux d’inconfort représente le nombre d’heures où la température dans le bâtiment
pendant la saison estivale est supérieure à 24°C. Nous avons considéré 24°C comme étant
une température résultante acceptable car la réglementation polonaise interdit de climatiser
en dessous de cette consigne. Un bâtiment est confortable en été si le taux d’inconfort est
inférieur à 10%.
La figure 32 montre que le taux d’inconfort vaut environ 20% quelque soit l’orientation du
bâtiment. Le MCP permet un gain de 3% sur l’atténuation de l’inconfort dans chaque pièce.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
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25
Taux d'inconfort [%]
20
15
Sans MCP
10
Avec MCP
5
0
Pièce
"Est"
Pièce
"OUEST"
Pièce
"SUD"
Figure 32 : Statistiques sur le pourcentage de temps de dépassement des 24°C
en température résultante des différentes pièces d’étude.
Chauffage et rafraîchissement :
La figure 33 expose l’évolution des besoins en chauffage des pièces « EST » pour la
semaine du 21 au 26 octobre. La figure 34 montre, quant à elle, l’évolution des besoins en
rafraîchissement des pièces « OUEST » lors du 3 juillet. Dans un contexte où, cette fois-ci, le
chauffage et le rafraîchissement sont disponibles ensemble, la présence des MCP permet,
de par leur capacité de stockage thermique, d’atténuer les besoins de chauffage et de
rafraîchissement.
450
Besoins en chauffage [kWh]
400
350
300
250
Cas 4 sans MCP
200
Cas 4 avec MCP
150
100
50
0
0
48
96
144
Temps [h]
Figure 33 : Evolution des besoins de chauffage des pièces "EST"
avec et sans MCP (du 21 au 26 octobre).
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
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Besoins en rafraîchissement
{kWh]
250
200
150
Cas 4 sans MCP
100
Cas 4 avec MCP
50
0
0
4
8
12
-50
16
20
24
Temps [h]
Figure 34 : Evolution des besoins de rafraîchissement des pièces "OUEST"
avec et sans MCP (le 3 juillet).
4.3.4. Conclusion
Pièce « EST »
CAS
2
3
4
Pièce « OUEST »
Pièce « SUD »
Chauffage Rafraîchissement Chauffage Rafraîchissement Chauffage Rafraîchissement
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
Sans MCP
Avec MCP
Sans MCP
Avec MCP
1690
1669
-
114
96
1380
1366
-
112
99
982
974
-
107
107
Sans MCP
Avec MCP
1710
1693
170
161
1400
1391
163
156
1006
1006
144
154
Tableau 10 : Besoins annuels en chauffage et refraîchissement en [kWh] des différentes pièces d’étude.
Les résultats montrent l’amélioration apportée par l’Energain® au sein des pièces étudiées
grâce à sa capacité à amortir les amplitudes de température journalières. Le tableau 10
montre que la présence du MCP permet un petit gain sur les besoins énergétiques des
différentes pièces. Ainsi, dans le cas du fonctionnement en commun du chauffage et du
rafraichissement, les besoins sont réduits d’environ 1% en chaud et de plus de 5% en froid.
Seuls les cas des pièces « SUD » donnent des résultats différents puisque la mise en place
du MCP augmente les besoins en rafraichissement.
4.4.
Etude de l’influence de l’épaisseur de l’Energain®
Pour cette nouvelle étude, nous gardons le modèle et les hypothèses de simulation de
l’étape précédente qui consistait à l’étude de l’influence des apports solaires sur l’Energain®.
Nous voulons, ici, montrer la pertinence du choix de l’épaisseur de 10 mm de MCP pour la
poursuite de notre travail. Le tableau 11 expose très clairement que le meilleur compromis
pour réduire à la fois les besoins en chauffage et en rafraîchissement correspond à l’ajout de
10 mm de MCP dans la plaque de plâtre.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 46
Pièce "EST"
Cas
Pièce "OUEST"
Pièce "SUD"
Chauffage Rafraîchissement Chauffage Rafraîchissement Chauffage Rafraîchissement
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
Sans MCP
5 mm de MCP
10 mm de MCP
1710
1712
1693
170
166
161
1400
1403
1391
163
161
156
1006
1012
1006
144
159
154
Tableau 11 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en rafraîchissement
des différents pièces d’étude en fonction de l’épaisseur du MCP.
4.5.
Etude de l’emplacement de l’Energain®
Avec toujours le même modèle, nous désirons évaluer, cette fois-ci, l’emplacement du MCP
selon les surfaces d’étude pour chacune des pièces « EST », « OUEST » et « SUD ».
Le tableau 12 montre que si nous voulons atteindre une intéressante atténuation des
besoins en chauffage et en rafraîchissement, nous devons appliquer le MCP sur les 3 murs
latéraux (surfaces 1, 2 et 3).
Pièce « EST »
Pièce « OUEST »
Pièce « SUD »
Cas
Chauffage
[kWh]
Rafraîchissement
[kWh]
Chauffage
[kWh]
Rafraîchissement
[kWh]
Chauffage
[kWh]
Rafraîchissement
[kWh]
Sans MCP
1710
1719
1706
1718
1715
1714
1712
1693
170
167
168
167
164
164
164
161
1400
1404
1399
1405
1402
1403
1401
1391
163
160
161
160
159
159
158
156
1006
1005
1005
1005
1005
1005
1005
1006
144
152
151
152
152
152
153
154
MCP - surface 1
MCP - surface 2
MCP - surface 3
MCP - surfaces 1+2
MCP - surfaces 2+3
MCP - surfaces 1+3
MCP - surfaces 1+2+3
Tableau 12 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en rafraîchissement
des différents pièces d’étude en fonction de l’emplacement du MCP.
4.6.
Conclusion
Cette première étape de simulations thermiques dynamiques nous permet de prendre
quelques décisions quant à la poursuite de notre travail sur le bâtiment 3E. En effet, pour
pouvoir évaluer l’impact des MCP au sein des pièces sélectionnées du bâtiment 3E, nous
devons isoler au maximum l’ensemble des murs, plafonds et planchers.
Pour optimiser au mieux l’utilisation des MCP, nous devons ajouter 10 mm de l’Energain®
dans les plaques de plâtre des 3 murs latéraux des pièces d’étude. Nous pouvons, en effet,
espérer réduire les besoins d’énergie ainsi que le taux d’inconfort de quelques pourcents.
Cependant, nos précédents cas d’étude nous montrent que nous n’avons aucun avantage à
appliquer le MCP dans des pièces orientées plein sud.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2012
Page 47
5. Analyse de l’impact de l’Energain® dans le bâtiment 3E à
l’aide du logiciel TAS
5.1.
Implantation de l’Energain® dans le bâtiment 3E
Dans le cadre de notre projet, il a été prévu d’implanter des plaques de plâtre intégrant des
matériaux à changement de phase sur les murs intérieurs latéraux de certaines pièces des
1er et 2nd étages du bâtiment 3E. Concernant nos simulations sur le logiciel TAS, ces plaques
de plâtres correspondent aux panneaux Energain®.
Figure 35 : Modèle du bâtiment 3E sur le logiciel TAS.
La stratégie adoptée consiste à étudier les effets des MCP selon l’orientation et le niveau
des pièces concernées dans le bâtiment 3E (voir tableaux 13 et 14, et figures 36 et 37 aux
pages suivantes). Au total, 397 m² sont implantés dans les murs intérieurs, dont 147,7 m²
pour le 1er étager et 249,3 m² pour le 2nd étage.
La pièce 2.08 située au Nord du bâtiment fait office de particularité dans notre étude car elle
ne possède pas de façade vitrée. Dès lors, il sera intéressant d’étudier les effets des MCP
par les sollicitations provenant des seuls gains internes de la salle et nous pourrons analyser
l’intérêt de placer des MCP sur la partie située à l’intérieur du mur extérieur.
Les données météorologiques prises en compte sont celles de Wroclaw.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
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Août 2012
Page 48
SURFACE VOLUME
SURFACE
TAS
TAS
[m²]
[m²]
[m3]
COMPOSITION DES MURS
(sans l'implantation des panneaux Energain®) (de l'intérieur vers l'extérieur)
NORD
EST
SUD
OUEST
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
15,2 m²
3
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
29,5 m²
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
16,7 m²
3
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
29,2 m²
3
1.19 :
Salle des
professeurs
49,7
45,5
154,7
Mur intérieur
béton cellulaire 300 mm
27,0 m²
1.06 :
Salle info. 1
50,0
46,2
157,0
Mur intérieur
béton cellulaire 300 mm
29,2 m²
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
16,1 m²
400,7
Mur intérieur
béton cellulaire 300 mm
54,2 m²
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
20,4 m²
314,9
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
29,5 m²
2.01 :
Laboratoire
2.03 :
Laboratoire
2.08 :
Salle des
professeurs
136,5
117,9
106,6
92,6
27,1
26,9
Mur extérieur sans fenêtres
béton cellulaire 250 mm +
91,4 polystyrène expansé 380 mm +
enduit de plâtre 20 mm
13,5 m²
3
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
15,3 m²
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
45,6 m²
3
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
22,7 m²
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
40,1 m²
Mur intérieur
béton cellulaire 300 mm
29,4 m²
Fenêtres
Triple vitrage 6/12/6/12/6
30,7 m²
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
24,0 m²
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
11,6 m²
Mur à partition interne
béton cellulaire 200 mm
24,3 m²
3
Tableau 13 : Compositions des murs des pièces sélectionnées pour l’étude des MCP dans le bâtiment 3E.
3
Les scénarii mis en place pour l’intégration des stores extérieurs sur les vitrages sont les mêmes qu’au paragraphe 4.3.2.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2011
Page 49
1.19 :
Salle des professeurs
1.06 :
Salle info. 1
2.01 :
Laboratoire
2.03 :
Laboratoire
2.08 :
Salle des professeurs
GROUPE
EMPLOI DU TEMPS
OCCUPATION
[pers.] - [W/m²]
ECLAIRAGE
[W/m²]
EQUIPEMENTS
[W/m²]
VENTILATION
[kg/s]
THERMOSTAT
[°C]
PP
07:00-17:00 Lu. à Ve.
17:00-07:00 Lu. À Ve.
07:00-17:00 Weekend
17:00-07:00 Weekend
Vacances
Vacances d’été
16 - 8,11 (TAS)
0
16 - 8,11 (TAS)
0
0
0
2,4 / 2,0 (TAS)
0
2,4 / 2,0 (TAS)
0
0
0
5,3 / 5,4 (TAS)
0 / 1,3 (TAS)
5,3 / 5,4 (TAS)
0 / 1,3 (TAS)
0 / 1,3 (TAS)
0 / 1,3 (TAS)
0,120
0,010
0,120
0,010
0,010
0,010
19 - 24
19 - 24
19 - 24
19 - 24
4
16 - NL
4
16 – NL
LK
09:00-17:00 Lu. à Ve.
17:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-17:00 Weekend
17:00-09:00 Weekend
Vacances
Vacances d’été
16 - 29,0 (TAS)
0
16 - 29,0 (TAS)
0
0
0
3,9 / 3,9 (TAS)
0
3,9 / 3,9 (TAS)
0
0
0
47,4 / 42 (TAS)
0
47,4 / 42 (TAS)
0
0
0
0,153
0,010
0,153
0,010
0,010
0,010
19 - 24
19 - 24
19 - 24
19 - 24
4
16 – NL
4
16 – NL
LD
09:00-17:00 Lu. à Ve.
17:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-17:00 Weekend
17:00-07:00 Weekend
Vacances
Vacances d’été
3 - 6,86 (TAS)
0
3 - 6,86 (TAS)
0
0
0
4,2 / 4,2 (TAS)
0
4,2 / 4,2 (TAS)
0
0
0
3,5 / 4,9 (TAS)
0
3,5 / 4,9 (TAS)
0
0
0
0,120
0,010
0,120
0,010
0,010
0,010
19 - 24
19 - 24
19 - 24
19 - 24
4
16 – NL
4
16 – NL
LP
09:00-17:00 Lu. à Ve.
17:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-17:00 Weekend
17:00-09:00 Weekend
Vacances
Vacances d’été
2 - 2,35 (TAS)
0
2 - 2,35 (TAS)
0
0
0
4,2 / 4,2 (TAS)
0
4,2 / 4,2 (TAS)
0
0
0
5,6 / 6,0 (TAS)
2,0 / 2,0 (TAS)
5,6 / 6,0 (TAS)
2,0 / 2,0 (TAS)
2 / 2,0 (TAS)
2 / 2,0 (TAS)
0,153
0,010
0,153
0,010
0,010
0,010
19 - 24
19 - 24
19 - 24
19 - 24
4
16 – NL
4
16 – NL
SR
09:00-17:00 Lu. à Ve.
17:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-17:00 Weekend
17:00-09:00 Weekend
Vacances
Vacances d’été
3 - 3 (TAS)
0
3 - 3 (TAS)
0
0
0
0,6 / 0,6 (TAS)
0
0,6 / 0,6 (TAS)
0
0
0
1,1 / 1,1 (TAS)
0 / 0 (TAS)
1,1 / 1,1 (TAS)
0 / 0 (TAS)
0 / 0 (TAS)
0 / 0 (TAS)
0,030
0,010
0,030
0,010
0,010
0,010
19 - 24
19 - 24
19 - 24
19 - 24
4
16 – NL
4
16 – NL
Tableau 14 : Hypothèses de base des pièces sélectionnées pour l’étude des MCP dans le bâtiment 3E.
4
NL : Non limité.
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2011
Page 50
N
1.08
1.09
1.10
1.12
1.17
1.11
1.07
1.18
1.06
1.19
1.05
1.01
1.02
1.20
1.04
1.03
Intégration du MCP Energain® dans les murs
er
Figure 36 : Plan d’implantation des MCP dans le 1 étage du bâtiment 3E.
N
2.06
2.07 2.08
2.09
2.14
2.05
2.15
2.04
1.02
2.03
2.02
2.01
Intégration du MCP Energain® dans les murs
nd
Figure 37 : Plan d’implantation des MCP dans le 2
Etudiant : Aline LEWANDOWSKI
Tuteur : Armand ERB
étage du bâtiment 3E.
Utilisation des MCP dans le bâtiment 3E
Août 2011
Page 51
5.2.
Résultats
5.2.1. Pièces munies de fenêtres
Le tableau 15 expose les besoins annuels en chauffage et en climatisation des pièces
sélectionnées du bâtiment 3E, excepté ceux de la pièce 2.08 qui fait l’objet d’une étude plus
particulière. La présence du MCP permet de réduire jusqu’à 1% les besoins en chauffage et
jusqu’à 3% les besoins en climatisation.
Sans stores
Avec stores
Sans MCP
Sans MCP
Avec MCP
Gain / Perte
Pièces
Chauffage
[kWh]
Clim. [kWh]
Chauffage
[kWh]
Clim. [kWh]
Chauffage
[kWh]
Clim. [kWh]
Chauffage
[%]
Clim. [%]
1.06
95
2852
25
2339
29
2335
-15,75
0,15
1.19
1991
461
1782
107
1776
104
0,32
2,26
2.01
1756
3170
1037
1365
1024
1362
1,25
0,23
2.03
2414
1273
1974
448
1953
436
1,07
2,79
TOTAL
5386
7756
4818
4259
4782
4237
0,75
0,52
Tableau 15 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en climatisation
des pièces sélectionnées du bâtiment 3E.
Les résultats concernant la pièce 1.06 n’étant guère à la hauteur des gains que nous
espérons atteindre, nous tenterons, dans la mesure du possible, de modifier les hypothèses
de fonctionnement de la pièce afin d’améliorer l’utilisation de l’Energain®.
5.2.2. Pièce 2.08 (orientée vers le nord et sans fenêtres)
Puisque la pièce 2.08 a la particularité de ne pas être munie de fenêtres, nous avons voulu
analyser l’emplacement du MCP sur les différents murs intérieurs et extérieur de la pièce.
D’après le tableau 16, l’intégration du MCP dans le revêtement intérieur du mur extérieur de
la pièce 2.08 correspond à un bon compromis entre les gains en chauffage obtenus et le
surcoût engendré par la mise en place de ce type de matériau. D’après les informations
fournies par la société Dupont de Nemours, il faut compter 60 €/m² d’Energain® incorporé.
Cas
Sans MCP
MCP intégré sur le mur extérieur
MCP intégré sur les 3 murs latéraux
MCP intégré sur les 4 murs latéraux
Chauffage
[kWh]
Climatisation
[kWh]
1502
1500
1499
1498
0
0
0
0
Gain / Perte
Chauffage Climatisation
[%]
[%]
0,14
0,25
0,27
-
Tableau 16 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en climatisation
de la pièce 2.08 en fonction de l’emplacement du MCP.
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5.2.3. Résultats finaux après quelques changements
Les modifications prises en compte dans les hypothèses de fonctionnement de la pièce 1.06
sont les suivantes :
1.06 :
Salle info. 1
EMPLOI DU TEMPS
OCCUPATION
[W/m²]
ECLAIRAGE
[W/m²]
EQUIPEMENTS
[W/m²]
Scénario
d’hiver
09:00-19:00 Lu. à Ve.
19:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-19:00 Weekend
19:00-09:00 Weekend
Vacances
33,0 (TAS)
0
33,0 (TAS)
0
0
3,9 (TAS)
0
3,9 (TAS)
0
0
48 (TAS)
0
48 (TAS)
0
0
Scénario
d’été
09:00-19:00 Lu. à Ve.
19:00-09:00 Lu. À Ve.
09:00-19:00 Weekend
19:00-09:00 Weekend
Vacances
22,0 (TAS)
0
22,0 (TAS)
0
0
2,5 (TAS)
0
2,5 (TAS)
0
0
42 (TAS)
0
42 (TAS)
0
0
Tableau 17 : Modification des hypothèses de fonctionnement de la pièce 1.06 du bâtiment 3E.
Pour atteindre nos objectifs d’optimisation du MCP dans la pièce 1.06, il est nécessaire de
mettre en place deux scénarii d’hiver et d’été. Nous pouvons remarquer, à l’aide du tableau
18, que ces modifications ont un impact favorable. Les gains apportés par le MCP sont
nettement améliorés.
Avec stores
Pièce
1.06
1.19
2.01
2.03
2.08
TOTAL
Sans MCP
Chauffage
Climatisation
[kWh]
[kWh]
4
2493
1782
107
1037
1365
1974
448
1502
0
6299
4413
Avec MCP
Chauffage
Climatisation
[kWh]
[kWh]
5
2463
1776
104
1024
1362
1953
436
1500
0
6258
4365
Gain / Perte
Chauffage Climatisation
[%]
[%]
-28,50
1,21
0,32
2,26
1,25
0,23
1,07
2,79
0,14
0,65
1,09
Tableau 18 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en climatisation
de toutes les pièces sélectionnées du bâtiment 3E.
Faute de temps, nous n’avons pas pu réitérer ces modifications pour les autres pièces
d’étude. Mais les résultats que nous avons obtenus avec la pièce 1.06 nous encouragent à
les mettre en place lorsque l’étude de ce projet sur les matériaux à changement de phase en
tant que matériaux de construction dans le bâtiment 3E sera réévaluée à l’aide de la
nouvelle version du logiciel TAS.
Au final, 337,1 m² d’Energain® sont prévus d’être implantés dans les murs intérieurs (et
extérieur pour la pièce 2.08), dont 147,7 m² pour le 1er étager et 189,4 m² pour le 2nd étage.
Le coût financier pour cette mise en place s’élève à 20226 euros.
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Conclusion
La réalité du dérèglement climatique, de la raréfaction des ressources disponibles et de
l’augmentation du coût de l’énergie doivent modifier l’approche que nous avons sur notre
environnement et notre manière d’envisager la construction et les équipements des
prochains bâtiments.
Face à ces problématiques, le bâtiment 3E (ENERGIE – ECOLOGIE - ECONOMIE) se veut
précurseur d’une tendance environnementale à l’aide des dernières technologies
innovatrices disponibles sur la marché international. C’est pourquoi, notre projet consiste à
l’intégration des Matériaux à Changement de Phase (MCP) en tant que matériaux de
construction dans des pièces sélectionnées de ce bâtiment. De par leur particularité à
pouvoir stocker et relâcher une quantité importante de chaleur, ils sont une solution
intéressante aux problèmes de confort d’été tout en permettant des réductions de
consommations de chauffage.
Pour évaluer l’impact des MCP sur les pièces sélectionnées du bâtiment 3E, nous avons
utilisé l’outil de simulation numérique TAS qui permet de modéliser complètement un
bâtiment. Cependant, nous nous sommes confrontés à des problèmes majeurs qui ont donc
influés sur la poursuite de notre travail. En effet, d’une part, l’utilisation des MCP au sein du
logiciel est limitée à l’Energain® de la société Dupont de Nemours alors qu’ils existent une
vingtaine d’autres produits compatibles avec nos attentes pour le bâtiment 3E. D’autre part,
l’éditeur du logiciel nous a confirmé que l’Energain® n’est pas modélisé comme un véritable
matériau à changement de phase, mais comme un simple matériau accumulateur de chaleur
et isolant. Enfin, nous nous sommes aussi aperçus que le transfert thermique qui s’effectue
au sein du mur où l’Energain® est intégré n’est pas nul, faussant ainsi les résultats. Pour y
remédier, il est nécessaire d’ajouter 500 mm de polystyrène avec une conductivité thermique
la plus faible possible.
La poursuite de notre travail s’est effectuée en prenant en compte les observations
précédentes. Après plusieurs essais, nous avons décidé d’appliquer 10 mm d’Energain®
dans les plaques de plâtre qui servent de revêtement intérieur sur les murs latéraux des
pièces sélectionnées du bâtiment 3E. Nous avons pu observer que les MCP sont capables
de stabiliser les températures résultantes des pièces lorsqu’il n’y a pas de demandes
d’énergie. Lorsque les besoins en chauffage et en climatisation se font ressentir, les MCP
atténuent l’influence de ces demandes. En modifiant judicieusement les hypothèses de
fonctionnement des pièces d’étude, nous avons constaté qu’il est possible d’optimiser
l’utilisation des MCP.
Dès sa création, le bâtiment 3E a été étudié pour posséder un important potentiel
d’accumulation de chaleur. En effet, les murs intérieurs se composent de 200 mm ou 300
mm de béton cellulaire selon leurs emplacements. De plus, 5 mm d’Energain® est
l’équivalent de 30 mm de béton cellulaire, ce qui explique pourquoi l’influence de l’intégration
des MCP dans le bâtiment 3E n’est pas impressionnante. Néanmoins, l’enjeu du bâtiment 3E
est de réduire les demandes d’énergie autant que possible, de telle manière que la réduction
de 1% des besoins en chauffage et en climatisation, ainsi que l’atténuation de 3% du taux
d’inconfort en période estivale, sont suffisants pour justifier l’usage des MCP dans les pièces
sélectionnées.
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Le coût total de la mise en œuvre des MCP s’évalue à 20226 euros. L’extinction des
énergies primaires et l’augmentation croissante de leurs coûts nous laissent penser que,
dans un avenir proche, l’utilisation des MCP sera plus rentable que celle des ressources
d’énergie classiques.
Malgré les problèmes que nous avons rencontrés, nous avons cherché à atteindre tous les
objectifs que nous nous étions fixés. De plus, la société EDSL s’est engagée à remédier aux
erreurs, énoncées plus hauts, dans la prochaine version du logiciel TAS. Notre projet devra
donc être retravaillé et il s’agira de vérifier toutes les décisions que nous avons prises pour
nos différents cas d’études.
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Bibliographie
[1] MEHLING H. et al. ; Heat and cold storage with PCM – An up to date introduction into
basics and applications, 2008.
[2] EKOMY ANGO S. B. : Contribution au stockage d’énergie thermique en bâtiment :
développement d’un système actif à matériaux à changement de phase, Thèse de l’Ecole
Nationale des Arts et Métiers, 2011.
[3] IFPEN – Institut Français du Pétrole et des Energies Nouvelles,
www.ifpenergiesnouvelles.fr
[4] Société Dupont de Nemours, www.energain.fr
[5] Société BASF, www.basf.com
[6] Société Climator Sweden AB, www.climator.com
[7] ZHANG D. et al. : Finite element modeling for integrated solid-solid PCM-building material
with varying phase change temperatures, 2008.
[8] Société EPS Ltd., www.pcmproducts.net
[9] LEPERS S. et al. : Simulation numérique d’un bâtiment avec prise en compte de
matériaux à changement de phase avec CODYBA, 2007.
[10] VENSTERMANS J. : Des enduits pour une climatisation douce, Revue d’information
générale du Centre scientifique et technique de la construction, 2010.
[11] ATUL S. et al. : Review on thermal energy storage with phase change materials and
applications, Renewable and sustainable energy reviews, 2007.
[12] HAWES D. W. : Latent heat storage in building materials, Energy and buildings, 1993.
[13] PASCAL G. : GlassX, les matériaux à changement de phase , Les cahiers techniques
du bâtiment N°295, 2010.
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Sommaire des annexes
Annexe 1 : Lexique
Annexe 2 : Liste des composés organiques ayant le potentiel de MCP
Annexe 3 : Liste des composés inorganiques ayant le potentiel de MCP
Annexe 4 : Liste des composés eutectiques ayant le potentiel de MCP
Annexe 5 : Liste des MCP commercialisés et disponibles sur le marché international
Annexe 6 : Fiche technique du Micronal® de BASF
Annexe 7 : Fiche technique de l’Energain® de Dupont de Nemours
Annexe 8 : Utilisation active des MCP dans le domaine du bâtiment
Annexe 9 : Plans du bâtiment 3E
Annexe 10 : Brochure commerciale du bâtiment 3E en anglais
Annexe 11 : Autres technologies innovantes du bâtiment 3E
Annexe 12 : Etude analytique des MCP
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