Pour une climatisation passive des bâtiments : les matériaux à changement de phase

Vincent Pessey d’Alcimed, société de conseil et d’aide à la décision appliquée aux sciences de la vie et à la chimie, explique que « les PCM (Phase Change Materials), placés dans les cloisons, fondent et absorbent l’énergie thermique excédentaire lorsque la température extérieure dépasse leur température de fusion (en journée) et se solidifient en restituant l’énergie accumulée lorsque la température redescend (la nuit) ». L’énergie est par conséquent stockée sous forme de chaleur latente. Les MCP peuvent être utilisés en climatisation passive voire en chauffage d’intersaison.

Les enjeux

Du fait du réchauffement climatique, la consommation d’énergie liée à la climatisation ne fait qu’augmenter, impactant fortement l’environnement. Limiter les besoins en climatisation est devenu un véritable enjeu. Les retours d’expérience montrent que les pics de température dans une pièce équipée de PCM peuvent être réduits de 3 à 4°C et la consommation d’électricité liée à la climatisation chuter de 30 %. Pouvoir stocker l’énergie évite également de recourir à de fortes épaisseurs de matériaux lourds comme le béton et de créer une forte inertie pouvant conduire à des surchauffes lors de charges internes importantes (ordinateurs dans les bureaux).

Daniel Quénard, du CSTB, souligne l’intérêt des PCM dans la rénovation des bâtiments tertiaires à structure légère, afin de renforcer leur inertie thermique et améliorer leur confort d’été. Si les PCM sont écologiques, ils sont aussi économiques : une étude réalisée en 2007 par le Centre de Thermique de Lyon évalue un retour sur investissement à 8 ans, ce qui est intéressant dans le contexte actuel du prix de l’énergie et de la raréfaction programmées des énergies fossiles, d’autant plus que les PCM ont une durée de vie très longue, identique à celle du bâtiment.

Intégration aux matériaux de construction

Le changement de phase a lieu selon les matériaux entre 19 et 27°C, températures correspondant aux valeurs limites respectivement fixées pour le confort d’hiver et d’été. Les MCP (paraffine, polymère, acide gras…) peuvent être incorporés dans les matériaux de construction (plâtre, béton, certains plastiques) et même dans une matrice de graphite, qui a l’avantage d’avoir une excellente conductivité thermique. Les paraffines, chimiquement stables, sont les substances les plus répandues.

Elles peuvent être conditionnées dans des billes de plastique microscopique  (microencapsulation) mélangées au plâtre ou au béton, ou bien incorporées dans les pores d’un matériau porteur (imprégnation), ce qui permet de les rajouter lors d’une rénovation. 3 cm d’enduit contenant 30 % de MCP sont équivalents à 18 cm de béton ou 23 cm de brique en termes d’inertie thermique.

Les MCP sont indestructibles, inertes et non toxiques ; ils ne nécessitent pas de maintenance. Outre les parois constitutives des bâtiments, les MCP peuvent aussi être intégrés dans les faux plafonds. Le CSTB précise qu’un système de ventilation nocturne optimise le relargage des calories, ce qui permet de régénérer plus efficacement les MCP.

Recherches et premières expériences  

Des produits commencent à être commercialisés (environ 50 €/m2), comme le Micronal® (paraffine dans des microcapsules de polymère) de BASF ou Energain® (composite paraffine/polyéthylène) de Dupont de Nemours : des références existent à l’étranger et des suivis expérimentauxin situ ont lieu en France. De nombreux autres types de matériaux et de mises en forme sont également à l’étude. Un autre type de MCP à transition solide/solide fait l’objet de recherches, car passer d’une phase solide à une autre permet d’emmagasiner plus de chaleur que les phases solide/liquide ; le fait qu’ils soient en permanence solides est intéressant pour la construction, parce que plus facilement conditionnables et utilisables tels quels.

Le CSTB estime que des points particuliers doivent encore faire l’objet d’améliorations et de recherches spécifiques : meilleure définition de la plage fusion/solidification, comportement au feu, caractérisation des produits secondaires éventuellement émis (nocivité potentielle), conditionnement et durabilité aux cycles fusion/solidification. Des recherches sont également engagées sur le couplage matériau à changement de phase et super isolant (VIP) pour réaliser des enveloppes légères présentant à la fois une bonne isolation et une inertie thermique significative. Les MCP ont sans aucun doute un avenir prometteur pour réduire les consommations de climatisation tout en préservant un bon niveau de confort pour les bâtiments à faible inertie.

Par Pascale Maes, Journaliste

A lire également :

• Durcissement de la Directive sur la performance énergétique des bâtiments
• Cahier « Construction : les enjeux de demain »