Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE UTILISATION DES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE EN TANT QUE MATERIAUX DE CONSTRUCTION DANS LE FUTUR BÂTIMENT 3E Projet de Fin d Etudes réalisé à l Université Polytechnique de Wroclaw Par Aline LEWANDOWSKI TUTEURS : Armand ERB Piotr KESKIEWICZ AOÛT 2012
1. Introduction La réalité du dérèglement climatique, de la raréfaction des ressources disponibles (voir figure 1) 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. Figure 1 : Date prévisible d extinction des ressources d énergie (selon IFPEN en 2009). 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. Ce Projet de Fin d Etudes s articule autour de l utilisation rationnelle des matériaux à changement de phase 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 Energain de la société Dupont de Nemours que nous intégrerons dans des plaques de plâtre de certains murs intérieurs du bâtiment 3E. 2. Les Matériaux à Changement de Phase () Les Matériaux à Changement de Phase (), dits aussi matériaux intelligents, sont apparus, dans un premier temps, sur le marché de la construction pour réduire les besoins en climatisation durant les périodes estivales. Encapsulés ou incorporés à l intérieur des bâtiments, dans des produits à base de polymères, de plâtre, ou de béton, les 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 des notions de confort d été et de confort d hiver. La particularité de ces matériaux consiste à pouvoir stocker de l énergie sous forme de chaleur latente. Dans le cadre du bâtiment, les matériaux à changement de phase () 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 ne ressent pas l effet de la variation de température. Actuellement, deux types de sont présents dans le domaine du bâtiment : - Phase solide/liquide (paraffine, acides gras, sels hydratés, etc.). - Phase solide/solide (polymères hyperramifiés). 3. Le bâtiment 3E Situé à l intérieur du campus de l Université Polytechnique de Wroclaw, le futur bâtiment 3E (ENERGIE ECOLOGIE - ECONOMIE) (voir figure 2), composé de 3 étages et d une surface de 2000 m², a pour vocation d être une vitrine des nouvelles technologies, dans le domaine de l écologie et de l efficacité énergétique, disponibles sur la marché international. Il sera le premier bâtiment public en Pologne à répondre à des Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des dans le bâtiment 3E Page 1
critères aussi élevés en matière d économie d énergie. au centre du bâtiment pour assurer la propagation des rayons lumineux solaires. - Systèmes de récupération des eaux grises et eaux usées. - Système de récupération des eaux pluviales. 4. Utilisation du Energain Figure 2 : Bâtiment 3E, Piotr Kuczia. Le fonctionnement des installations sera évolutif en fonction des saisons et des ressources disponibles : - Utilisation active et passive de l énergie solaire avec des collecteurs solaires et des panneaux photovoltaïques sur les façades Est et Ouest. - Climatisation solaire à l aide du système SDEC (Solaire Dessiccation Evaporation Climatisation). - Mise en place de puits canadiens. - Système de ventilation naturelle appliqué aux 1 er et 2 nd étage : des cheminées solaires seront installées sur le toit et seront équipées de turbines pour optimiser l évacuation de l air vers l extérieur. - Des prises d'air tournantes dont la position de leurs entrées s établit en fonction de celles des éoliennes. - Construction du bâtiment basé sur des murs accumulateurs de chaleur : utilisation de grosses épaisseurs de béton cellulaire. - Intégration des Matériaux à Changement de Phase () en tant que matériaux de construction dans des pièces sélectionnées du bâtiment - Eclairage intérieur artificiel basé sur les technologies LED et OLED. - Les façades Est, Ouest et Sud seront équipées de longues baies vitrées sur les 1 er et 2 nd étages, avec un espace atrium transparent Dans le cadre d un partenariat établi entre l Université Polytechnique de Wroclaw et l éditeur de logiciels britannique EDSL, nous avons utilisé l outil de modélisation et de simulation numérique, TAS, pour évaluer l impact des sur les pièces sélectionnées du bâtiment 3E. Cependant, l utilisation des au sein du logiciel est limitée à l Energain breveté par la société Dupont de Nemours, alors qu ils existent une vingtaine d autres produits compatibles avec nos attentes pour le bâtiment 3E. Figure 3 : Panneau Energain. L Energain est un produit qui se présente sous la forme d un panneau (voir figure 3) constitué de deux feuilles d aluminium de 130 µm d épaisseur renfermant un composé solide de copolymère (éthylène, 40%) et de paraffine (60%). Son principe de fonctionnement 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 un maximum de calories Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des dans le bâtiment 3E Page 1
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. 5. Etude des performances de l Energain au sein du logiciel TAS Nos premiers essais de simulation consistait à faire varier la température de consigne, entre 15 C et 25 C, d une pièce sans fenêtre et pauvrement isolée, afin de déterminer à partir de quelles températures le commence à travailler. Avec la confirmation de l éditeur du logiciel par la suite, nous nous sommes rendus compte 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 a été nécessaire d ajouter 500 mm de polystyrène avec une conductivité thermique la plus faible possible. Température [ C] 18 16 14 12 10 8 Cas avec Cas sans 0 96 192 288 384 480 576 672 Figure 4 : Evolution de la température résultante de la pièce «test», avec et sans, entre les 120 ème et 148 ème jours de simulation. La figure 4 montre l impact favorable de l utilisation du, mais l écart de température entre la pièce «test» avec et celle sans reste identique, à la décimale près, quelles que soient les températures de consigne que l on impose. La poursuite de notre travail s est effectuée en prenant en compte les observations précédentes. Les essais suivants consistaient à étudier l influence des seuls apports solaires avec la prise en compte de stores extérieurs (les apports internes ont été exclus), ainsi que l influence de l épaisseur et de l emplacement de l Energain selon les surfaces d étude. Pour cela, il s agissait de travailler avec un modèle de bâtiment (intégrant cette fois-ci des fenêtres) qui se rapproche de celui du bâtiment 3E (voir figure 5). Figure 5 : Schéma simplifiée du modèle étudié avec des fenêtres. Les données météorologiques prises en compte sont celles de Wroclaw. Nous avons pu observer que les sont capables d amortir et de stabiliser les températures résultantes des pièces lorsqu il n y a pas de demandes d énergie (figure 6). Lorsque les besoins en chauffage et en climatisation se font ressentir, les atténuent l influence de ces demandes (figures 7 et 8). Cependant, les résultats nous ont montré que nous n avons aucun avantage à appliquer le dans des pièces orientées plein sud. Enfin, nous avons finalement décidé d appliquer 10 mm d Energain dans les plaques de plâtre qui servent de Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des dans le bâtiment 3E Page 1
revêtement intérieur sur les murs latéraux des pièces d études. Temperature [ C] Figure 6 : Evolution de la température extérieure et des températures résultantes des pièces «OUEST», avec et sans, (du 9 au 11 juin). Besoins en chauffage 26 24 22 20 18 16 14 12 0 12 24 36 48 60 72 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Température extérieure Cas 1 sans Cas 1 avec Cas 4 sans Cas 4 avec 6. Analyse de l impact de l Energain dans le bâtiment 3E à l aide du logiciel TAS 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 1 er et 2 nd étages du bâtiment 3E. Concernant nos simulations sur le logiciel TAS, ces plaques de plâtres correspondent aux panneaux Energain. La stratégie adoptée consiste à étudier les effets des selon l orientation et le niveau des pièces concernées (1.06, 1.19, 2.01, 2.03, et 2.08) dans le bâtiment 3E. La pièce 2.08 située au Nord du bâtiment fait office de particularité dans notre étude car elle ne possède pas de façade vitrée. Au total, 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 1 er étager et 189,4 m² pour le 2 nd étage. 0 0 48 96 144 Figure 7 : Evolution des besoins de chauffage des pièces "EST", avec et sans, (du 21 au 26 octobre). Besoins en rafraîchissement {kwh] 250 200 150 100 50 Cas 4 sans Cas 4 avec Figure 9 : Plan d implantation des dans le 1 er étage du bâtiment 3E. 0 0 4 8 12 16 20 24 Figure 8 : Evolution des besoins de rafraîchissement des pièces "OUEST", avec et sans, (le 3 juillet). Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des dans le bâtiment 3E Page 1
Le coût total de la mise en œuvre des s évalue à 20226 euros. Toutefois, l extinction des énergies primaires et l augmentation croissante de leurs coûts nous laissent penser que, dans un avenir proche, l utilisation des sera plus rentable que celle des ressources d énergie classiques. 7. Conclusion Figure 10 : Plan d implantation des dans le 2 nd étage du bâtiment 3E. Pièce Avec stores Sans Avec Gain / Perte Chauf. Clim. Chauf. Clim. Chauf. [%] Clim. [%] 1.06 4 2493 5 2463-28,50 1,21 1.19 1782 107 1776 104 0,32 2,26 2.01 1037 1365 1024 1362 1,25 0,23 2.03 1974 448 1953 436 1,07 2,79 2.08 1502 0 1500 0 0,14 - TOTAL 6299 4413 6258 4365 0,65 1,09 Tableau 1 : Résultats des besoins annuels en chauffage et en climatisation de toutes les pièces sélectionnées du bâtiment 3E. 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 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 dans les pièces sélectionnées. Nous avons aussi constaté qu il est possible d optimiser l utilisation des en modifiant judicieusement les hypothèses de fonctionnement des pièces d étude. Nous avons utilisé un outil de simulation numérique qui nous a permis de modéliser complètement le bâtiment, avec sa ventilation, ses apports solaires réduits par l utilisation de stores et cela en présence de matériaux à changement de phase. Une étude de l influence de différents paramètres sur l efficacité de l Energain nous a montré qu il vaut mieux répartir 10 mm de ce matériau dans les plaques de plâtre qui servent de revêtement intérieur sur tous les murs latéraux des pièces d étude du bâtiment 3E, sauf exception faîte pour la salle 2.08 où il est appliqué en tant que revêtement intérieur du mur extérieur. Ce, lorsqu il est optimisé, est capable d améliorer le niveau des consommations énergétiques et le confort thermique du bâtiment. Malgré les obstacles 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. Etudiant : Aline LEWANDOWSKI Utilisation des dans le bâtiment 3E Page 1