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Stocker l’excès de chaleur estivale à l’aide de matériaux à changement de phase (PCM) est un concept astucieux, utilisé pour améliorer le confort thermique dans les bâtiments à faible inertie thermique. Fondé sur le principe de l’absorption de chaleur pendant leur fusion, les PCM vont limiter l’augmentation de la température ambiante, quand ils sont exposés à une source de chaleur supérieure à leur température de transformation solide-liquide. Lorsque la température extérieure diminue, les PCM vont restituer la chaleur stockée et ainsi amortir les variations de température intérieure, capacité qui pourra aussi être mise à profit l’hiver pour modérer la facture énergétique. Ces dernières années, de nombreuses solutions ont été expérimentées pour intégrer ces matériaux à changement de phase aux matériaux de construction et tester leur efficacité dans le bâtiment. Nous vous proposons, le temps de cet exposé, de vous présenter le potentiel et les limitations liés à l’utilisation de ces matériaux rafraîchissants.
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Vendredi 24 octobre
Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phase ?
Maïwenn LARNICOL, CRM – CRM GROUP | Metallic & Inorganic Coatings Department
Avec le soutien de :
Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phase ?
24 octobre 2014 – Liège créative
M. Larnicol, N. Nutal, J. Crahay
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2 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
« Bridge between science & market. Turning innovations into value creation »
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3 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
CRM Group CRM Group is a research centre in metallurgy founded in 1948 Global budget (2013) >30 Mio € CRM Group integrates the talents and the assets of 230 researchers,PHD’s, technicians & employees Enhanced capability to compete through innovation in the world economy
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4 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
CRM Group – Locations
Gent 4
Sart-Tilman
Sart-Tilman
Sart-Tilman
Ivoz-Ramet
Gent Liège
EcoTechnoPôle
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5 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
5"""Opera(onal"units"
OPERATIONAL ORGANISATION"""CRM"Group"
16"""Technical"ac(vi(es"
Metal"Produc(on"&"Recycling"
• Raw"material"processing"• Mel(ng"&"Refining"• Recycling"&"Valorisa(on"
Metal"Processing"
• Cas(ng,"solidifica(on"• Process"technology"• Product"metallurgy"
Metal"Surface"&"Coa(ngs"
• Metallic"Coa(ng"• Organic"Coa(ng"• Surface"func(onalisa(on"
Metal"Applica(ons"&"Construc(on"solu(ons"
• Building"&"Structure"• Civil"engineering"• Metal"Working"&"Assembly"• Solu(ons"&"In"use"proper(es"
Industrial"solu(ons"
• Engineering"&"Thermal"technologies"• Pilot"facili(es"&"Technologies"for"CCL"• Industrial"process"control"&"
measurement"
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6 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
CRM Group ! CRM Group’s Key R&D Pilot Facilities
! Pilot lines :
! Rotary hearth furnace
! Continuous casting ! Continuous hot rolling
! Annealing and hot dip galvanizing ! Vacuum deposition
! Surface treatment
! Organic coatings ! Electro galvanizing
Continuous annealing & galvanising line Continuous hot rolling line Organic coating line
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7 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
CRM Group – Industrial Members
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8 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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9 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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10 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Contexte énergétique ❚ Réglementations thermiques européennes
❚ Objectif de diminution des rejets en CO2
❚ Préservation des ressources naturelles
❚ Diminuer les pertes thermiques
❚ Incitation à une meilleure isolation thermique des bâtiments
❚ Conserver un niveau de confort élevé
43% de l’énergie résidentielle est utilisée pour le chauffage et le refroidissement de l’air ambiant.
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11 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
La notion de confort thermique " ”Etat de satisfaction du corps vis-à-vis de l’environnement thermique".
" Varie d’un individu à l’autre.
" Dépend du niveau d’activité physique.
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12 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Existence de conditions d’ambiance optimales
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13 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Zone de confort thermique
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14 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Variation de la température ambiante
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15 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Masse des bâtiments ⇔ température intérieure Bâtiment avec une forte inertie thermique: ❚ conserve une temperature stable. ❚ s’échauffe et se refroidit très lentement.
Bâtiment avec une faible inertie thermique :
❚ suit sans amortissement ni retard les fluctuations de la température extérieure.
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16 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Parer à la surchauffe estivale des bâtiments
❚ En été, la surchauffe des bâtiments durant les périodes de forte
chaleur devient un problème majeur.
❚ Comment améliorer le confort thermique des bâtiments à faible
inertie ?
❚ Plusieurs possibilités:
❚ Augmenter la masse du bâtiment (inertie thermique)
❚ Réduire les apports solaires dans les bâtiments
❚ Installer des climatiseurs
et / ou
❚ Stocker de l’énergie
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17 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Problématique liée à l’installation des climatiseurs ❚ Le recours à des systèmes de climatisation électriques est de plus en
plus fréquent. ⇒ en contradiction avec la recherche de la performance
énergétique des bâtiments
Si 2 millions de logements étaient équipés d’un système d’air conditionné ⇒ la puissance supplémentaire à fournir serait de 4.000 MW
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18 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Améliorer le rendement entre la production d’énergie et la consommation
❚ La demande en énergie fluctue au cours de la journée
⇒ Fluctuations de la demande énergétique
⇒ Difficile à gérer!
⇒ Amortissement des pics nécessaires!
Pourquoi stocker de la chaleur? S
tock
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éner
gétiq
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Stockage de chaleur
Libération d’énergie
Cas réel Cas idéal
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19 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Réduire le gaspillage des énergies domestiques
❚ Le stockage de chaleur permet d’aider à diminuer les
besoins en chauffage et climatisation
❚ Economiser
❚ Reporter la consommation énergétique la nuit lorsque le
coût est plus bas
⇒ Libérer la chaleur stockée quand elle est nécessaire.
Pourquoi stocker de la chaleur? S
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20 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Solution de stockage énergétique
Utiliser des matériaux à changement de phase
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21 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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22 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Définition
Specific heat
Latent heat
Liquid state
Solid state
Solid/liquid
Solid/solid
Gazeous state
Liquid/gazeous
Solid/gazeous
❚ Stockage de chaleur
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23 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Définition
❚ Les matériaux à changement de phases sont des composés qui absorbent et libèrent de la chaleur lors d’une transformation de phase (solide-liquide ou liquide gaz) à température constante.
Sto
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cha
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❚ Ex: l’eau ❚ Température de fusion : ~0°C => chaleur latente : 333kj/kg
❚ Equivalence : eau de 1 à 80°C => 332kj/kg
❚ Ex: fer ❚ Temperature de fusion : ~1540°C => chaleur latente : 247kj/kg
❚ Equivalence : chauffage du fer de 1 to 550°C => 247kj/kg
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24 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Principe de fonctionnement des PCM
❚ Quand les PCM atteignent
leur température de fusion,
ils absorbent une quantité
de chaleur sans devenir plus
chaud.
❚ Quand la température
ambiante chute, les PCM se
solidifient libérant la
chaleur latente stockée.
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25 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Stockage passif de chaleur dans les bâtiments
❚ L’énergie thermique apportée par les
radiations solaires est stockée dans les
murs (ou tout autre support) dans la
journée). ⇒ Les PCM retardent
l’augmentation de la température
ambiante.
❚ L’énergie stockée dans les PCM est
libérée la nuit dans la pièce quand la
température diminue.
Applied Energy Volume 86, Issue 10
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26 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Créer de l’inertie thermique en réduisant la masse
❚ Une paroi en plâtre de 1.5 cm avec
des PCM présenterait la même
capacité de stockage de chaleur
qu’un mur de 9 cm en béton ou
d’un mur en brique de 12 cm.
❚ Applicable en rénovation.
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27 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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28 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
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]
Paraffin
Composés organiques (1/3)
❚ Paraffines (chaînes linéaires n-alcanes)
❚ Structure : CH3(CH2)nCH3
Compound Formula Melting point (°C)
Latent heat (kJ/
kg)
Density in solid state
(g/L)
n-Hexadecane C16H34 17 237 760 n-Eicosane C20H42 38 283 780
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29 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Lat
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ty [kJ/L
]
Fatty acids
Composés organiques (2/3)
Compound Formula Melting point (°C)
Latent heat (kJ/
kg)
Density in solid state
(g/L)
Caprylic acid CH3(CH2)6COOH 16 149 981
Capric acid CH3(CH2)8COOH 32 153 1004
❚ Acides gras
❚ Structure : CH3(CH2)nCOOH
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30 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Lat
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]
Paraffines
Sugar alcohols
Composés organiques(3/3)
❚ Sucres (polyalcools)
❚ Structure : HOCH2(CH(OH))nCH2OH
Compound Formula Melting point (°C)
Latent heat (kJ/
kg)
Density in solid state
(g/L)
Xylitol C5H7(OH)5 94 263 1520 Galactitol C6H8(OH)6 188 351 1420
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31 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Lat
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ty [kJ/L
]
Salt hydrates
Composés inorganiques (1/3)
❚ Sels hydratés (déshydratation) :
Compound Melting
point (°C) Latent
heat (kJ/kg)
Density in solid state
(g/L) CaCl2.6H2O 30 174 1802 LiNO3.2H2O 30 296 1460 MgCl2.6H2O 117 165 1569
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32 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Lat
ent h
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ty [kJ/L
]
Nitrates
Chlorides
Hydroxides
Carbonates
Fluorides
Composés inorganiques (2/3)
❚ Sels purs
Compound Melting point (°C)
Latent heat (kJ/
kg)
Density in solid state
(g/L)
KNO3 333 266 1900 KOH 380 150 2044 NaCl 800 492 2160
K2CO3 897 236 2290 KF 857 452 2370
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33 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Composés inorganiques (3/3)
❚ Métaux (large plage de température et gamme variable en stockage de chaleur)
Compound Melting point
(°C) Latent heat (kJ/
kg) Density in solid
state (g/L) Lithium 180 432 530
Tin 232 58.5 7280 Zinc 420 113 7180
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34 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Composés eutectiques
❚ Large gamme de composés => large domaine de température et quantité de chaleur stockée variable
Sel + sel hydraté
Sel + eau
Sels
Solutions mixtes d’organiques
Alliages métalliques
Compound Melting point (°C)
Latent heat (kJ/
kg)
Density in solid state (g/
L) CaCl2 + MgCl2.6H2O
(50/50) 25 95 1590
NaCl + H2O (22.4/77.6) -21 222 1108
KNO3 + NaNO3 (54/46) 222 100 2050
Miristic acid + Capric acid (34/66) 24 147 1018
CuZnSi (74/19/7) 765 125 7170
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35 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Propriétés des paraffines ❚ Une chaleur de fusion entre 180 et 230kJ/kg
❚ Pas de ségrétation de phases
❚ Variation de volume pendant le changement de phase (jusqu’à 15%)
❚ Faible conductivité thermique (0.18-0.25 W/mK)
❚ Chimiquement stable et inerte
❚ Surfusion négligeable
❚ Non toxique, 100% recyclable
❚ Inflammable
❚ Un coût variable en fonction de la pureté
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36 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Propriétés des sels hydratés ❚ Une chaleur de fusion élevée par unité de volume
❚ Une conductivité thermique plus élevée que les paraffines (le double)
❚ Une faible variation de volume pendant le changement de phase
❚ Une bonne compatibilité avec le plastique
❚ Une certaine toxicité
❚ Une certaine corrosivité
❚ Problèmes de surfusion et de séparation de phases
❚ Un coût variable
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37 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ La surfusion
❚ La température de changement d’état évolue avec le temps et le nombre de cycles thermiques.
❚ Pour se solidifier, le composé doit atteindre une température plus basse que requise (parfois plusieurs dizaines de degrés)
❚ Solutions : utiliser des agents de nucléation ou provoquer la solidification à l’aide d’une source froide.
Problèmes liés aux sels hydratés
Cas idéal Cas réel
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38 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Faible conductivité thermique ❚ Ralentit les échanges thermiques, diminue le taux de stockage / déstockage
de la chaleur pendant les cycles de fusion / solidification.
❚ Solutions :
❚ Accroître la diffusivité thermique en utilisant des ailettes, une matrice métallique ou de la mousse conductrice en fibre de carbone.
❚ Favoriser une grande surface d’échange
❚ Choisir un conditionnement adapté
Problèmes liés aux PCM
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39 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Changement de volume et/ou fuite de matière liquide
❚ Solutions : utiliser la macro-encapsulation (sacs, bouteilles plastiques, boîtes en fer blanc, sphères, nodules…)
❚ Limite la séparation de phase
❚ Améliore le transfert de chaleur
❚ Sert de structure autoporteuse aux PCM
Problèmes liés aux PCM
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40 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Compatibilité avec les autres matériaux ❚ Emballage métalliques: problème de corrosion avec les PCM inorganiques
❚ Emballages plastiques : perte de stabilité
❚ Solutions : Réaliser des tests de compatibilité et choisir le container adéquat
Problèmes liés aux PCM
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41 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Changement de volume et/ou fuite de matière liquide ❚ Solutions : utiliser la micro-encapsulation
❚ Permet d’éviter une séparation de phase trop importante
❚ Améliore le transfert de chaleur
❚ Applicable à une large gamme de PCM organique et inorganique
❚ S’intègre à diverses matrices (enduits, plâtre…)
Problèmes liés aux PCM
J.W. Salari, 2011, Thesis:”Pickering emulsions, colloidosomes & micro-encapsulation”
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42 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Absorption sur matériaux poreux: plâtre, béton, mousse
❚ Absorption/adsorption dans des poudres sèches de
silice
Autre forme de conditionnement
Plaque de plâtre Knauf PCM SmartBoard ® Micronal ®
Béton cellulaire H + H Deutschland GmbH CelBloc Plus ®
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43 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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44 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Textile
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45 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Stockage de chaleur ❚ Centrale solaire / Système spaciaux
❚ Stockage de chaleur solaire
❚ Production d’eau chaude
❚ Applications médicales
❚ Alimentation: transport, restaurant, glaces
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46 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Stockage de chaleur ❚ Refroidissement et pré-chauffage des moteurs électriques
❚ Protection thermique des systèmes électroniques
❚ Securité: maintenance d’un niveau de température dans des
locaux comprenant des systèmes électriques/ électroniques
❚ Amortir les pics de transformations énergétiques durant des
réactions chimiques
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47 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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48 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Le stockage de l’énergie thermique dans le bâtiment
❚ Réduction des pics de demande en énergie
❚ Réduction des coûts par la consommation d’électricité en heures creuses
❚ Utilisation des apports solaires : production décalée
❚ Rejet différé de la chaleur (ventilation nocturne)
❚ Amélioration du confort par lissage des fluctuations
❚ Suppression des surchauffes
⇒ Réduction de la consommation énergétique
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49 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Caractéristiques du PCM dans une paroi ❚ Température de fusion du PCM choisie dans la gamme de confort
thermique la mieux adaptée.
❚ Chaleur latente la plus élevée possible pour utiliser le moins de matériaux possible.
❚ Densité du matériau élevée pour assurer un stockage compact
❚ Conductivité thermique la plus élevée possible
❚ Changement de volume faible, pas de surfusion
❚ Bon marché et disponible
❚ Bonne tenue au feu de la paroi et pas d’émission de composants volatiles
❚ Répartition judicieuse du PCM dans la paroi (int, ext…)
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50 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Méthodes d’incorporation des PCM aux matériaux de construction
❚ Incorporation directe des PCM au mélange humide des matériaux de construction
❚ Incorporation directe par imprégnation du PCM fondu aux matériaux poreux
❚ Incorporation indirecte par encapsulation
❚ Incorporation directe dans des revêtements (plastiques, caoutchouc, polyuéthane
❚ Incorporation de granulats
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51 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Composite PCM Melting point (°C)
Freezing point (°C)
Latent heat (J/g)
Methyl palmitate-sterate/gypsum 22.6 23.8 41
Dodecanol/gypsum 20 21 47 Dodecanol/pumice concrete block 12 14.9 12.7
Capric–lauric acids/gypsum 19.1 35.2
Capric acid/perlite 31.8 31.6 98.1 Capric acid/perlite 31.8 31.6 98.1
Capric–lauric acids/gypsum 15.0 24.3 39
Emerest2326/gypsum 16.9 19.3 35
Composite PCM 13.6 23.5 106
Plaques de plâtre
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52 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Comparaison PCM / air conditionné
❚ Simulations BASF
Utilisation 50 jours 5h/jour 0.19 euros / 1 kWh
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53 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Chauffage par le sol
❚ Circulation d’eau ou utilisation de résistances électriques ❚ Pas de tarif heures creuses
❚ Température de dalle ~30°C
❚ Ajout de PCM: stockage de chaleur latente pendant les heures creuses
❚ Autorégulation de la température de la pièce
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54 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Technologies existantes ❚ Injection de PCM dans des capsules coniques
❚ Sels hydratés, 29°C ❚ Capsules en polyéthylène haute densité / PVC thermoformé /
scellage thermique feuille aluminisée polyéthylène / PVC / polyester
❚ Fabrication en bande des capsules posées sur l’isolant ❚ Tubes et cables passent entre le capsules, en fonction de la
source d’énergie choisie
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55 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Chauffage par le sol
❚ Granulés de paraffine pour système de chauffage électrique
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56 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Système de stockage passif
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57 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
" Exemple d’application aux plafonds : # Plafonds réfrigérés avec une plaque métallique d’un côté (pour
l’accrochage), et un plaque de plâtre « Micronal PCM SmartBoard » : ILKA ZELL (D)
Système de stockage avec décharge active
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58 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Application verre : PCM comme source de chaleur pour l’hiver...
Heatable partition walls: an additional heat source for extremely cold days
Solar house Ebnat-Kappel / Switzerland(2000)
Architect: Dieter Schwarz, Domat / Ems (Switzerland)
Parois modulables en verre
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59 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Et pour l’été...
• Isolation thermique translucide • Protection contre la chaleur excessive • Transformation de l'énergie • Collecteur thermique
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60 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Autres développements
❚ Stockage des PCM dans les gaines de chauffage et de refroidissement
❚ Préchauffage de l’air des pompes à chaleur
❚ Chauffe-eau avec PCM.
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61 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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62 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Projet : MIRAGE
Améliorer le confort thermique des bâtiments à faible inertie thermique
2008-2011
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63 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Mission ❚ CoRI:
❚ Intégration de PCM dans différentes matrices (PUR, mortier
epoxy, résine biosourcée) sur support acier.
❚ Préparation de panneaux de petits formats (A4)
❚ Caractérisation thermique (DSC) et microstructurale des
matrices intégrants des PCM
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64 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Mission ❚ CRM :
❚ Test de différentes matrices
❚ Préparation de panneaux de grands formats (plusieurs m²)
❚ Caractérisation thermique (DSC) + T-history
❚ Evaluation du comportement thermique de ces panneaux
dans un bâtiment en exposition intérieure naturelle.
❚ Test dans bâtiments expérimentaux
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65 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Mission
❚ BCT
❚ Etablissement de simulations utilisant les résultats
expérimentaux des mesures de température des PCM pour
prédire le comportement thermique des PCM.
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66 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Test de panneaux Energain dans un Algeco
• Etude comparative de deux bâtiments modulaires
• Ventilation nocturne (20°C)
• 238 kg de PCM introduit / panneaux de 20 mm d’épaisseur
• Simulation du bâtiment avec Trnsys
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67 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Quantité de PCM théorique nécessaire pour maintenir une température inférieure à 25 °C dans l'Algeco
Panneaux Energain placé dans les faux-plafonds : " Absorption théorique de 4.6 kWh " Maximum de chaleur absorbée : 3.0 kWh
# Efficacité de 63%
" Quantité de froid nécessaire pour maintenir une température de 25°C dans l’algeco pour les conditions météo estivales : 9.9 kWh
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68 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Préconisations
❚ Introduction de PCM dans un bâtiment
❚ Quantité de PCM conséquente (~300 kg) pour Algeco
❚ Favoriser le maximum de surface d’échange
❚ Favoriser le chauffage et refroidissement naturel des
panneaux
❚ Réfrigération nocturne pour décharger complètement les
PCM la nuit.
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69 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014 69
Préparation de panneaux
Panneau de 0.8 m² (épaisseur : 2,2 cm)
Serpentin Cu pour la décharge active
des PCM
15 kg de Polyuréthane + 4.25 kg de
PCM
Chaleur stockée : 467 kJ soit 130 Wh
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70 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
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❚ Propriétés thermiques ❚ Differential scanning calorimetry (DSC)
Outils de caractérisation des propriétés thermiques des PCM
Temperature (°C) H
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71 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014 71 Umicore- 06/01/2010 - PCM
Micronal
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72 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014 72 Umicore- 06/01/2010 - PCM
Paraffine brute RT20
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73 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Développement d’un T-history
❚ Propriétés thermodynamiques des PCM et autres matériaux ❚ Cp (solide, liquide), ΔH
❚ Masse analysée plus élevée qu’en
DSC
n-octadecane
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74 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Avantages /limites des deux méthodes
Caractérisation des propriétés thermiques des PCM
DSC T-history
ΔH
Cp
Température de fusion
Précision Ok $ ~ok %
Masse d’échantillon ~1-10mg & ~10g $
Prix Elevé & Bon marché $
Visualisation surfusion
Nombre d’échantillons analysés 1 & >2 $
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75 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Essais en ambiance estivale
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76 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
PU : effet croissant
18
20
22
24
26
28
30
32
08:30 20:30 08:30 20:30 08:30 20:30 08:30 20:30 08:30
T(°
C)
Time
Tendance sur plusieurs jours
CH2 PU 0,8 m² CH4 air CH6 PU + 25% CH7 PU Ref
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77 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
PU : Efficacité jusqu’à 15h30
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78 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
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10:13 10:23 10:33 10:43 10:53 11:03 11:13 11:23 11:32 11:42 11:52
T(°C)
Time
Chauffage
CH11*ambiance*PCM*+*colle CH13*Barreau*PCM*+*colle CH14*ambiance*PCM CH15*Barreau*PCM
Barreaux métalliques + PCM
Pur PCM : 32g/barreau Total = 256g Phase liquide + PCM : 70g dont 14g de PCM; Total = 112g
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79 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Calcul énergétique (kJ) Ti#=#21.2°C,#Tf#=#27°C Barreau#PCM Barreau#H2O#+#PCM Barreau#pur#H2OPhase&solide 3 1 0Fusion 29 13 0Phase&liquide 0 0 0Eau 0 11 20Energie&totale&stockée 32 24 20
Ti#=#21.2°C,#Tf#=#37.7°C Barreau#PCM Barreau#H2O#+#PCM Barreau#pur#H2OPhase&solide 3 5 0Fusion 29 13 0Phase&liquide 5 2 0Eau 0 31 57Energie&totale&stockée 45 50 57
Si large plage de montée en température, l’eau devient compétitive!
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80 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
❚ Projet : MIRAGE
❚ Installation
Confort thermique- Bâtiment à faible inertie thermique
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81 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Implantation des PCM
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82 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Climsel C22
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83 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Micronal (23°C)
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84 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Eau
Day 1 Day 2
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85 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Projet RETERMAT
Revêtements intérieurs à base de MCP pour une régulation thermique des bâtiments
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86 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Missions
❚ Mesure précise des caractéristiques énergétiques des PCM
❚ Etude des PCM disponibles sur le marché
❚ Préparation de panneaux d’enduit Maxit
❚ Tests dans 2 cellules jumelées identiques ❚ Test d’enduits ❚ Test d’éléments métalliques + PCM ❚ Test de textiles
❚ Simulation numérique d’un bâtiment
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87 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Missions
❚ Préparation de structures métalliques avec PCM
❚ Travail sur la décharge active des PCM par circulation d’eau.
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88 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Structures métalliques avec PCM (Micronal et Micronal + eau)
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89 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Chaise avec PCM
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90 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Vérandas expérimentales du CSTC
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91 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Résultats sur le projet
❚ 100kg PCM permettent d’induire une variation de la température ambiante de 1.9°C
❚ Epaisseur enduit : maximum 15 à 20 mm ❚ Au delà, pas plus d’efficacité.
❚ Meilleure efficacité des PCM avec l’eau ❚ Décharge active aussi améliorée.
❚ Simulation PROBE: 1 à 5 kg/m² de PCM en fonction des conditions d’utilisation du bâtiment.
❚ D’une manière générale, problème de décharge lorsque plusieurs jours chauds se succèdent.
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92 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Préconisations CSTC
❚ L’utilisation des PCM ne change pas les principes
généraux de lutte contre la surchauffe
❚ Réduire les gains solaires et internes (éclairage)
❚ Ventiler intensivement la nuit.
❚ Rendre accessible la masse thermique stockée pour une
meilleure efficacité.
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93 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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94 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Un certain nombre d’études réalisées en Europe :
Titre de l’exposé
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95 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Retour d’expériences
❚ PCM incorporés dans des granulats + conditionnement
en vrac dans une paroi en polycarbonate
❚ Nécessité d’incorporer une grande quantité de granulats
compte-tenu de la faible proportion de paraffine.
❚ Peu d’échange réactif des granulats avec l’ambiance
❚ Incorporation d’un PCM liquide (PEG600) dans un
panneau en polycarbonate
❚ Déterioration du panneau dû au cyclage thermique
M. Ahmad , 2004, PhD Thesis
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96 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Retour d’expériences
❚ Utilisation d’un panneau plus souple en PVC pour
conditionner un PCM liquide PEG600
❚ Meilleure tenue du panneau aux sollications thermique.
M. Ahmad , 2004, PhD Thesis
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97 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Retour d’expériences CSTB ❚ « Intérêt des PCM dans la rénovation des bâtiments tertiaires à
structure légère, afin de renforcer leur inertie thermique et
améliorer leur confort d’été.
❚ Si les PCM sont écologiques, ils sont aussi économiques : une étude
réalisée en 2007 par le Centre de Thermique de Lyon évalue un
retour sur investissement à 8 ans. »
❚ Intérêt pour un couplage PCM + super isolant (VIP) afin de réaliser
une enveloppe légère présentant à la fois une bonne isolation et
une inertie thermique significative. http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/environnement-thematique_191/pour-une-climatisation-passive-des-batiments-les-materiaux-a-changement-de-phase-article_73628/
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98 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Plan de la présentation ❚ Contexte énergétique, notion de confort thermique et de stockage de
chaleur
❚ Principe de fonctionnement des matériaux à changement de phases
❚ Présentation des différentes familles de matériaux à changement de phases : propriétés, avantages et inconvénients
❚ Domaines d’application
❚ Apport dans la construction
❚ Expériences du CRM sur les PCM ❚ Projet Mirage (Plan Marshall RW Pôle Mecatech)
❚ Projet Retermat (RW)
❚ Retour d’expériences de la littérature
❚ Conclusions
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99 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Conclusions ❚ L’utilisation des matériaux à changement de phases constitue une
solution intéressante pour améliorer l’inertie thermique des structures légères des bâtiments.
❚ Il est cependant nécessaire de bien sélectionner le PCM utilisé en fonction des variations de la température du bâtiment.
❚ Une ventilation naturelle n’est pas suffisante pour décharger le PCM quand la chaleur est présente plusieurs jours de suite.
❚ Le couplage des PCM avec à un système de décharge dynamique est à considérer pour s’affranchir de la climatisation: recourir à des solutions mixtes?
❚ Solution du futur : l’utilisation conjointe de PCM avec une source d’énergie d’origine renouvelable comme une cuve avec PCM + une pompe à chaleur.
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100 Confort thermique : un avenir pour les matériaux à changement de phases – 24 octobre 2014
Pourquoi les PCM ont du mal à s’implanter sur le marché ❚ les PCM intégrés dans des finitions « ne prennent pas » car il y a le
coût, et le fait que les PCM ne sont pas pris en compte dans les logiciels qui permettent de calculer les performances énergétiques d’un bâtiment. (PEB en Belgique et RT2012 en France).
❚ Les logiciels de simulation thermique dynamique (Trnsys, Energyplus) commencent à les prendre en compte pour une utilisation dans les parois mais cela reste plus complexe pour simuler des systèmes.
❚ Le format des panneaux proposés n’est pas toujours adéquat pour des applications bâtiment.
❚ Le coût des PCM reste élevé, peu d’approvisionnement grand public.
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