Les systèmes air/Matériaux à Changement de Phase (MCP) pour le bâtiment

Ce chapitre présente l’état de l’art des différents systèmes actifs air/MCP en s’appuyant sur trois échelles : le matériau, le système et le bâtiment. Une revue des MCP potentiels pour le rafraîchissement des bâtiments est tout d’abord faite ainsi que l’étude des modèles de transferts thermiques utilisés pour simuler le comportement des MCP. Les systèmes inventoriés sont ensuite classés dans deux grandes catégories : les systèmes à échangeurs et les systèmes intégrés dans le local à traiter. Pour chaque catégorie, les publications scientifiques et les brevets sont analysés. Enfin, une synthèse du chapitre est proposée mettant en évidence les points clefs à retenir. Abhat a établi, en 1983, la classification des matériaux utilisés pour le stockage thermique de l’énergie. Cette classification faisant office de référence dans le domaine est développée dans la figure 2. 1 pour le stockage thermique par chaleur latente solide/liquide. Les deux grandes classes de matériaux à changement de phase sont les matériaux organiques et inorganiques. Dans chaque catégorie, on retrouve des matériaux purs comme les alcanes pour les paraffines. Ces matériaux purs présentent généralement les meilleures chaleurs latentes. Les mélanges de matériaux purs permettent d’adapter les températures de transition de phase aux besoins mais avec une dégradation de la chaleur latente et un étalement de la plage de transition de phase (séparation du solidus et du liquidus). La transition de phase passe par un état métastable où solide et liquide sont mélangés et le front de fusion n’est plus une interface nette, c’est la zone pâteuse. Cependant, la plage de températures de changement de phase peut être, dans certains cas, très restreinte pour des proportions précises de chaque composant ; on parle alors de mélange eutectique.

Pour l’application de rafraîchissement actif du bâtiment, la température de changement de phase doit être inférieure à la température maximale de confort. Cette température de confort est définie à 31°C selon de Dear et Brager (de Dear et Brager, 1998) et à 26°C selon la Tic de la RT2012 (définie dans le paragraphe 1.2). La température de changement de phase doit être aussi supérieure à la température de l’air extérieur pendant la nuit. Nous avons défini cette température à 10°C en sachant que cette température doit être adaptée à chaque localité dans laquelle le système sera installé. En 2003, Zalba et al. (Zalba et al., 2003) ont répertorié les matériaux avec le potentiel d’utilisation comme MCP dans le bâtiment. Dans l’intervalle [10 ; 31°C], 16 substances inorganiques dont 5 produits commerciaux et 19 substances organiques dont deux produits commerciaux sont inventoriées. En 2011, Cabeza et al. ont actualisé cette liste (Cabeza et al., 2011) avec 81 substances organiques et inorganiques confondues dont 17 produits commerciaux. Un inventaire plus exhaustif est présenté en Annexe B reprenant ceux de Zalba et al. et Cabeza et al. avec une mise à jour des produits commerciaux : PCM Products (PCM Products, 2013), PCP Australia (PCP Australia, 2013), RGEES (RG Energy Efficiency Systems, 2013), Rubitherm (RubiTherm GmbH, 2011). Cet inventaire de 110 substances utilisables comme MCP montre, qu’en 10 ans, le nombre de MCP pour la plage de température [10 ; 31°C] a été multiplié par 3. Ceci met en évidence l’intensité de la recherche et du développement technologique autour des matériaux à changement de phase afin de proposer toutes les températures de fusion.

A partir des informations de la littérature, les MCP ont été classés et dénombrés suivant deux caractéristiques : la température de changement de phase et la chaleur latente. Les figures 2.2 et 2.3 présentent respectivement la distribution des MCP selon la température de changement de phase et la chaleur latente de transition solide/liquide. La figure 2. 2 montre qu’il existe au moins un matériau par température et couvre tout l’intervalle de température [10 ; 31°C]. Il y a tout de même une concentration de matériaux entre 20 et 30°C car cette plage est intéressante pour le stockage passif ou semi-passif en chauffage ou en rafraîchissement dans le bâtiment. Concernant les chaleurs latentes, la majorité des MCP répertoriés ont une chaleur latente comprise entre 100 et Dutil et al. (Dutil et al., 2010) ont fait une analyse très approfondie de la littérature scientifique sur les modèles thermiques et les simulations concernant les MCP (252 articles analysés). L’enjeu de la modélisation prédictive du comportement du matériau à changement de phase vient du caractère non-linéaire de la détermination de la position des interfaces de fusion du MCP induit par l’interdépendance entre la variation des coefficients d’échanges et l’évolution des fronts de fusion ou de solidification. Les auteurs précisent qu’il existe des résolutions analytiques (Lacroix, 2001; Lamberg, 2004) aux problèmes de changement de phase dans des échangeurs-stockeurs, voire semi-analytiques (Vakilaltojjar et Saman, 2001; Zhang et Faghri, 1996). Ces modèles permettent de résoudre le problème de manière très rapide. Cependant, leurs domaines de validité sont souvent très restreints concernant les conditions aux limites (température uniforme) ou la géométrie de l’échangeur-stockeur.