Qu'est-ce qu'une batterie thermique ?
La masse thermique de toute nature peut, par définition, être appelée une batterie thermique, car elle a la capacité de stocker de la chaleur. Dans le contexte d'une maison, cela signifie des matériaux denses comme la brique, la maçonnerie et le béton. Même une carafe d'eau posée sur une fenêtre ensoleillée est une sorte de batterie thermique car elle capte et libère plus tard la chaleur du soleil.
Un plancher de béton bien isolé agit également comme une batterie thermique ; une fois que vous le remplissez de chaleur, il faut beaucoup de temps pour qu'il refroidisse (selon l'épaisseur), et il régule les températures intérieures pendant ce temps.
Une utilisation pratique pour tirer le meilleur parti d'un plancher radiant en béton comme batterie thermique serait dans les zones où les coûts énergétiques fluctuent - vous pouvez régler votre plancher sur une minuterie pour qu'il ne s'allume que pendant les heures à faible tarif (par exemple, 19 h à 7 h en Ontario). Pendant les douze heures où il est éteint, il agit comme une batterie en libérant lentement la chaleur stockée, vous évitant ainsi de payer les tarifs plus élevés pendant les heures de pointe.
Dans le domaine des systèmes de stockage de chaleur actifs, l'un des types de batteries thermiques les plus courants est un énorme réservoir d'eau enfoui dans le sol, chauffé par des panneaux solaires thermiques.
Même ce type de système n'est pas nouveau : la première maison aux États-Unis avec un système de chauffage solaire actif a été construite en 1939 sur le campus du MIT (Massachusetts Institute of Technology), et reposait sur un immense réservoir d'eau chauffé par des panneaux solaires thermiques.
Que sont les batteries thermiques à changement de phase ?
Tirer parti d'un « changement de phase » rehausse un peu la barre - suivez-moi, ce sera amusant, je vous le promets :)
Une quantité significative d'énergie est nécessaire pour qu'un matériau passe de l'état solide à l'état liquide. Cette énergie est ensuite libérée lorsque ce matériau se solidifie à nouveau. Pendant ces transformations, où le matériau absorbe ou libère de l'énergie, la température reste constante. Une fois le changement de phase terminé, le matériau recommencera à changer de température.
Qu'est-ce que cela signifie en termes réels ? Cela signifie que pour faire fondre de l'eau, de la cire, du métal, de la roche ou autre, vous devez lui fournir une tonne d'énergie, mais la température ne change pas pendant ce temps. Votre « batterie » a donc plus de puissance, et vous pouvez stocker plus de chaleur dans le même volume d'espace.
Il est difficile de profiter d'un point de fusion de 0 °C, mais la cire fond à environ 37 °C (selon sa composition chimique exacte), ce qui est parfait pour collecter et stocker la chaleur des capteurs solaires thermiques.
Comment construire une batterie thermique :
Si vous aviez un panneau solaire capteur de chaleur (chauffant directement l'air ou le liquide plutôt que de générer de l'électricité avec du photovoltaïque), vous pouvez l'utiliser pour charger votre batterie thermique. Imaginez ceci : un grand réservoir de cire (ou d'eau) qui est chauffé par des serpentins chauffants provenant d'un capteur solaire. Un autre serpentin traverse ce même réservoir et extrait la chaleur pour la pomper à travers votre plancher radiant ou tout autre système de distribution de chaleur que vous possédez.
Capacité thermique massique :
Si vous prenez de la paraffine solide (capacité thermique $C_p$ = 2,5 kJ/(kg·K) et chaleur de fusion de 210 kJ/kg), disons 1 kg, à température ambiante, vous aurez besoin de 2,5 kJ (kilojoules) de chaleur pour faire passer le bloc de 1 kg de 20 °C à 21 °C. Pour le faire passer de 21 °C à 22 °C, vous aurez également besoin de 2,5 kJ (c'est-à-dire la même quantité d'énergie).
La paraffine fond à environ 37 °C. S'il tombe à 36 °C, vous n'aurez besoin que de 2,5 kJ pour le ramener à 37 °C, mais vous auriez besoin de 210 kJ (84 fois plus) pour passer de 37 °C à 38 °C.
En effet, pour fondre, certaines liaisons chimiques dans le réseau solide doivent être rompues, un processus qui nécessite de l'énergie supplémentaire. Ainsi, au total, si un kg de paraffine se trouve à 20 °C, vous auriez besoin de 252,5 kJ pour l'amener à 38 °C.
L'un des matériaux de construction les plus courants avec des avantages de masse thermique est le béton. Contrairement à la paraffine, 1 kg de béton ($C_p$ = 0,88 kJ/(kg·K)) aurait besoin de 15,8 kJ pour faire de même. Pour l'eau ($C_p$ = 4,18 kJ/(kg·K)), la quantité d'énergie requise serait de 75,2 kJ.
La quantité d'énergie fournie est la quantité d'énergie stockée dans un matériau, car cette énergie sera ensuite libérée à mesure que le matériau se refroidit jusqu'à 20 °C, ou la température ambiante. Bien qu'il existe de nombreux matériaux pouvant être utilisés pour le stockage de chaleur, il s'agit juste d'une comparaison rapide de certains des plus couramment disponibles.
Pour conclure, la paraffine peut stocker 16 fois plus de chaleur par kg que le béton, et 3,4 fois plus que l'eau. Bien que l'eau ne soit pas le meilleur matériau pour stocker la chaleur, elle est certainement le plus abordable et le plus facilement accessible.
La valeur $C_p$ mentionnée dans le texte ci-dessus fait référence à la capacité thermique des matériaux.
$$q = m C_p \Delta T$$
où :
q = énergie [J]
m = masse du matériau [kg]
$C_p$ = capacité thermique du matériau [kJ/(kg·K)]
$\Delta T$ = différence de température [K ou °C]
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