Matériaux à changement de phase : le stockage naturel de chaleur dans les bâtiments

Cet article a été inspiré par un podcast que j'ai entendu sur Positive Energy, où je n'ai pas encore écouté un seul épisode que je n'aie pas eu envie de réécouter. Allez-y jeter un œil si, comme moi, vous trouvez que la science du bâtiment rend des tâches banales comme plier le linge passionnantes. Cet épisode particulier portait sur les matériaux à changement de phase (MCP) et la manière dont ils peuvent être intégrés aux bâtiments pour améliorer l'efficacité énergétique en exploitant une réalité physique naturelle : le « point de fusion ».

En cherchant des panneaux de gypse à changement de phase et d'autres matériaux de construction disponibles sur le marché, nous avons d'abord découvert Thermal Core, un produit de gypse contenant des capsules acryliques microscopiques d'une substance appelée Micronal, une cire de paraffine de haute pureté qui fond à 23 °C (73 °F). Pour passer de l'état solide à liquide, ces microbilles doivent absorber de l'énergie de l'air. Il ne semble malheureusement pas qu'ils soient disponibles en Amérique du Nord, ce qui serait un ajout fantastique aux maisons visant la consommation énergétique nette zéro, car cela peut offrir du confort et aider à équilibrer les températures de la maison avec une demande d'énergie réduite pour le chauffage et la climatisation.

Avec très peu d'informations de test disponibles, nous ne sommes pas à l'aise de faire des affirmations sur l'efficacité de ce produit ou de tout autre produit similaire, sur leur durabilité, et sur leur rentabilité. Mais nous adorons vraiment le concept.

Il semble y avoir quelques autres fabricants fournissant des panneaux de gypse à changement de phase, mais aucun en Amérique du Nord pour le moment. Il s'agirait de DuPont Energain, Knauf Comfortboard et Alba balance® de Saint Gobain. Nous ne pouvons cependant pas vous conseiller sur leur zone de distribution, mais appeler l'entreprise pour le demander est le meilleur moyen de leur faire passer le message d'élargir leur portée !

Cela dit, voici comment fonctionne un panneau de gypse à changement de phase avec des microbilles de cire de paraffine : lorsque la température de l'air réchauffe le panneau jusqu'au point de fusion des billes de Micronal, celles-ci passent de l'état solide à liquide. Ce processus absorbe de l'énergie et refroidit l'air de votre maison. L'énergie est alors stockée dans vos murs, sous forme de minuscules billes de liquide scellées qui étaient solides lorsque votre maison était à 22 °C. Beaucoup de chaleur non désirée est extraite de l'air pour que cela se produise.

À ce stade, les murs ne seraient pas plus chauds au toucher ; l'énergie est utilisée pour provoquer le changement de phase de solide à liquide. Cela aiderait à équilibrer les températures dans un bâtiment et pourrait réduire, sinon éliminer, le besoin de climatisation. Et tout cela se produirait sans nécessiter un apport d'énergie externe.

Que sont les matériaux de construction à changement de phase ?

Pour bien comprendre ce concept, souvenez-vous de l'époque avant l'invention des réfrigérants. La glace était récoltée sur les rivières gelées en hiver, stockée et livrée tout l'été par cheval et calèche pour garder froids les premiers réfrigérateurs, alors connus sous le nom de glacières. Le bloc de glace absorbait la chaleur dans la glacière en fondant, gardant les aliments au frais.

En utilisant cet exemple à plus grande échelle, vous pourriez en théorie refroidir votre maison en y plaçant un gros bloc de glace qui absorberait la chaleur de l'air ; mais cela ne réduirait pas la consommation d'énergie car vous auriez besoin d'énergie supplémentaire pour le refroidir à nouveau afin de répéter le processus. Si la glace fondait et gelait à température ambiante, ce processus ne vous coûterait rien. C'est toute la beauté du fonctionnement des MCP dans les bâtiments, en ayant un point de fusion à température ambiante.

Plus d'informations à ce sujet dans un instant, mais pour revenir un peu en arrière, ce constructeur va prendre quelques libertés en décrivant les lois de la physique. Cela pourrait faire grincer des dents certains ingénieurs et physiciens à cause de la terminologie et de mon explication quelque peu désinvolte des lois de la thermodynamique, mais je vais quand même me lancer.

Une chose à réaliser, c'est qu'il n'existe pas vraiment de « froid », il n'y a que de la chaleur et moins de chaleur. Au-dessus du zéro absolu (–273 °C ou –460 °F), toutes les molécules sont en mouvement, et ce que nous appelons « température » n'est qu'une mesure de ce mouvement. Ainsi, un thermomètre dans votre maison est en réalité un indicateur de vitesse vous indiquant en moyenne à quelle vitesse les molécules d'air se déplacent.

Comprendre le changement de phase :

Un « changement de phase » se produit lorsque toute substance gèle, fond, passe de la vapeur au liquide ou vice versa. Ce processus absorbe ou libère beaucoup d'énergie car les liaisons entre les molécules sont soit rompues, soit créées. Par exemple, la glace commencera à fondre à 0 °C en absorbant de l'énergie de son environnement, et elle restera à une température constante de 0 °C pendant tout le temps nécessaire à sa fusion.

Les molécules de glace sont figées dans un réseau cristallin, mais oscillent en position fixe. Laissées dans un environnement chaud, ces molécules absorberont l'énergie de l'air, réduisant la vitesse des molécules d'air (c'est-à-dire refroidissant l'air). À mesure que les vibrations moléculaires de la glace augmentent, elles brisent les liaisons du réseau, provoquant la fonte de la glace.

Ce n'est que lorsque la glace a complètement fondu que votre flaque d'eau nouvellement formée commencera à nouveau à augmenter en température (en supposant qu'elle se trouve dans un environnement chaud, bien sûr) jusqu'à ce que le prochain changement de phase se produise, lorsqu'elle s'évapore. Chaque changement de phase absorbe de l'énergie de l'environnement, ce qui signifie qu'il refroidit l'air dans le processus. Le principe des matériaux de construction à changement de phase est de tirer parti de ce processus.

Donc, si vous avez quelque chose dans votre maison qui change de phase à température ambiante, vous pouvez, dans une certaine mesure, réguler la température de votre maison sans apport d'énergie supplémentaire. Cela pourrait se traduire, en termes simples, par une certaine quantité de refroidissement et de chauffage gratuits, grâce à la capacité d'absorber la chaleur, de la stocker et de la libérer plus tard.

Ce n'est pas une solution miracle qui éliminera entièrement le besoin de climatisation en été ; toute cette énergie est toujours dans le bâtiment sous forme latente, et vos MCP devraient se solidifier avant le lever du soleil le lendemain, sinon vous ne bénéficierez pas des avantages d'un autre changement de phase.

Cela peut se produire dans votre maison en ouvrant les fenêtres la nuit pour expulser la chaleur non désirée, mais ce n'est pas toujours une solution fonctionnelle si vous pensez aux tours de bureaux avec des fenêtres qui ne s'ouvrent pas. Dans de telles applications commerciales, cependant, ce que cela peut faire, c'est retarder le besoin de refroidissement jusqu'aux heures creuses.

Même cela a des avantages très tangibles : en déplaçant la charge de refroidissement vers les heures creuses, vous allégez une grande partie du fardeau sur le réseau pendant les périodes de pointe, et dans les provinces où les tarifs d'électricité fluctuent énormément, vous pourriez réduire considérablement vos coûts de refroidissement en effectuant une grande partie de celui-ci pendant la nuit.

Bien qu'il y ait très peu de technologies de ce type actuellement sur le marché et qu'il soit impossible de garantir leur efficacité, c'est un concept prometteur qui peut et doit être expérimenté. La cire, par exemple, peut être utilisée très efficacement comme batterie thermique à changement de phase.

L'idée même de maintenir un bâtiment à température ambiante quelle que soit la saison est une sorte de bataille difficile contre les lois de la physique. Nous ne pouvons pas changer ou enfreindre ces lois, mais c'est un cas où nous pourrions les utiliser à notre avantage.

Approfondissez votre expertise en construction durable

Maîtriser une technique comme les matériaux à changement de phase est une étape. L'adapter aux différents climats et normes de construction, que ce soit en Europe ou en Amérique du Nord, en est une autre. Explorez ces guides essentiels pour des projets réussis, peu importe votre région :

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