Le recours aux PCM pour réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments

En 2018, le secteur du bâtiment représentait la plus grande part de la consommation mondiale d’énergie (36%) ainsi que des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie (39 %), avec des besoins croissants en conditionnement d’air, selon un rapport de l’agence internationale de l’énergie (AIE). [1]

Les systèmes de stockage d’énergie thermique (TES) utilisant des matériaux à changement de phase (PCM) ont été étudiés pour la construction de bâtiments car ils représentent une piste prometteuse et durable pour réduire la consommation d’énergie, tout en maintenant un environnement confortable à l’intérieur de l’enveloppe du bâtiment.

Selon un article de synthèse récent, il existe deux sortes d’applications de stockage de l’énergie thermique dans les bâtiments utilisant des PCM : les systèmes actifs et passifs. [2]

 

Les systèmes actifs de stockage d’énergie dans les bâtiments utilisant des PCM

 

Les systèmes TES actifs se caractérisent par un transfert de chaleur par convection forcée et, dans certains cas, aussi par un transfert de masse, comme avec un échangeur de chaleur. Les systèmes actifs basés sur les PCM nécessitent un équipement mécanique ou une source d’énergie supplémentaire pour leur fonctionnement, comme l’électricité pour les pompes ou les ventilateurs. Ces systèmes sont plus adaptés dans les cas où une performance de transfert de chaleur plus importante ou un meilleur contrôle de l’application sont nécessaires.

 

Les systèmes actifs visent principalement à maîtriser les conditions intérieures d’un bâtiment. Il s’agit des systèmes situés à l’intérieur de l’enveloppe du bâtiment pour le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air (CVC) et des systèmes intégrés à la structure du bâtiment et fonctionnant via la distribution d’air ou d’eau, ainsi que des systèmes situés à l’extérieur de l’enveloppe du bâtiment, tels que les dispositifs de stockage pour l’eau chaude sanitaire.

 

En outre, les systèmes actifs peuvent être utilisés afin d'écrêter les pointes de consommation des systèmes de CVC, c’est-à-dire afin de réduire la quantité d’énergie utilisée pendant les heures de pointe de la demande énergétique.

 

Les systèmes passifs de stockage d’énergie dans les bâtiments utilisant des PCM

 

Les systèmes passifs utilisant des PCM exploitent les sources d’énergie naturellement disponibles (par exemple l’énergie solaire ou le vent) ainsi que l’architecture des composants du bâtiment afin de minimiser les besoins énergétiques liés au fonctionnement du bâtiment. Les systèmes passifs permettent de réduire l’utilisation de systèmes mécaniques de chauffage ou de refroidissement. Il n’y a pas besoin d’apport d’énergie supplémentaire, car la chaleur est chargée ou déchargée lorsque la température de l’environnement augmente ou descend au-delà de la température de changement de phase du PCM.

 

Les systèmes passifs visent à améliorer les performances thermiques d’un bâtiment. Ils comprennent les PCM intégrés aux matériaux de construction, tels que les matériaux pour les murs, le plancher ou le plafond, ainsi que les PCMs intégrés comme composants de l’enveloppe du bâtiment, tels que les stores ou les faux plafonds.

 

Par exemple, les auteurs ont présenté une étude dans laquelle des PCM avaient été incorporés dans les matériaux de construction. Avec l’ajout de 3,2 wt.% et 2,7 wt.% de PCM au ciment et au béton, la consommation d’énergie du bâtiment a été réduite de 11% et 15% respectivement, avec une température ambiante de 23 °C.

 

 

Sources

[1] Global Alliance for Buildings and Construction, International Energy Agency and the United Nations Environment Programme. 2019 global status report for buildings and construction: Towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector. https://www.iea.org/reports/global-status-report-for-buildings-and-construction-2019

[2] Podara, C.V.; Kartsonakis, I.A.; Charitidis, C.A. Towards Phase Change Materials for Thermal Energy Storage: Classification, Improvements and Applications in the Building Sector. Appl. Sci. 2021, 11, 1490. https://doi.org/10.3390/app11041490