Matériau à changement de phase (thermique) - Définition
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Intérêts des matériaux à changement de phase
Compacité ou densité énergétique
Il est important de noter que les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de changement de phase sont bien plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles (dans la mesure où l'on travaille sur des intervalles restreints de températures). C'est grâce à ces transferts latents qu'il est aujourd'hui possible de réduire considérablement le volume d'un élément de stockage d'énergie (Compacité), ou encore d'augmenter très fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage (Densité énergétique).
On notera, d'autre part, qu'un MCP peut cumuler les 2 types de transferts thermiques décrits précédemment.
Exemple :
| Nom | Acétate trihydrate de sodium |
|---|---|
| Tfusion | 55-58 °C |
| Lf | 242,85.103 J/kg |
| Cpsolide | 3,31.103 J/(kg.K) à 30 °C |
| Cpliquide | 3,06.103 J/(kg.K) à 70 °C |
| ρ liquide | 1279 kg/m3 à 30 °C |
| ρ solide | 1392 3 kg/m3 à 70 °C |
- Densité énergétique
L'énergie E30-70 accumulée par 1 m3 de ce MCP entre 30 °C et 70 °C vaut :
![=[{1}\times{1392}\times{C_{p_{~MCP~solide}}}\times{(55-30)}]~+~[{1}\times{1392}\times{L_f}]~+~[{1}\times{1279}\times{C_{p_{~MCP~liquide}}}\times{(70-58)}]](https://static.techno-science.net/illustrationWebp/Definitions/autres/d/d069ef5138ff8798280d1d104c2a7784_269d63564964236aa34441d73bc4c2c5.png)
Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau (1 m3) accumulerait une quantité Eeau30-70 :
Le MCP considéré a donc permis de stocker plus de 3 fois plus d'énergie pour un même volume. Il possède donc une plus grande densité énergétique.
- Compacité
De la même manière, pour stocker 100 kWh de 55 °C à 58 °C, nous avons besoin des volumes Veau et VMCP suivants :
Le volume du MCP utilisé pour stocker 100 kWh entre 55 °C et 58 °C est donc plus de 26 fois plus petit que celui de l'eau. Il possède donc une plus grande compacité.
Régulation Thermique Passive ou Rôle Tampon
Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en temps que régulateur de température : en effet, si l'on intègre ce dernier à l'enveloppe (murs extérieurs, plancher, plafond, ...) d'un bâtiment, il devient alors possible de stocker de la chaleur lorsque celle-ci est surabondante (été) ou présente au mauvais moment (dans la journée l'hiver).
- En été, l'énergie solaire apportée au cours de la journée est stockée au fur et à mesure par les parois et ce, sans fluctuation excessive de la température à l'intérieur du bâtiment. Selon le CSTB, il est alors possible d'écrêter de 3 °C à 5 °C les pics de température d'une pièce.
- En hiver, on peut de la même manière stocker la chaleur apportée par le soleil dans les MCP incorporés aux parois ; ceux-ci restitueront la chaleur accumulée dans la journée à la fin de la journée et pendant la nuit.
Par ailleurs, tout MCP peut servir de déphaseur thermique : tout apport ou perte énergétique (variation de température, rayonnement solaire,...) en provenance du milieu ambiant peut provoquer la fusion ou la cristallisation du matériau à température quasi constante. Dès lors, le milieu situé de l'autre côté du MCP ne ressent pas aussitôt l'effet de cet apport ou de cette perte, mais ne commencera à le ressentir qu'après la fusion ou la cristallisation totale du matériau.
Éventail de températures
Les MCP, grâce à leur grande variété possèdent des températures de fusion différentes. Ces dernières balayent la totalité de la zone de température restrictive dans laquelle nous nous sommes placés initialement. Cela permet, par exemple, de choisir des températures de fusion proches de 19°C et 27°C, respectivement températures limites de confort hivernal et estival. Le paragraphe suivant présente un tableau non exhaustif de différents matériaux à changement de phase, accompagnés de leur température de fusion et autres données techniques.
