Forum Bâtiment Durable des pôles de compétitivité

Les Isolants Haute-Performance et les
Matériaux à Changement de Phase :
Performances et Caractérisations
Hébert SALLÉE - CSTB
Journées Techniques organisées par:
CRT CARMA /Prides ARTEMIS
Matériaux et Energie Solaire Thermique
7 JUIN 2012
 Les Isolants Haute-Performance
 Les Matériaux à Changement de Phase
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2
 Les Isolants Haute-Performance
 Les Matériaux à Changement de Phase
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3
Matériaux de construction
 mW/m.K
5000
2000
1000
500
200
Isolant-NF 65 mW/m K
Air immobile 25 mW/mK
100
40
30
20
Super-isolants
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10
10
 kg/m
3
La Conductivité Thermique d’un isolant
    g  1    s  r
R
e


U
e
Porosité :  > 95 %
g : gaz
s : solide
r : rayonnement
R : Résistance Thermique (m².K/W)
U : Coefficient de Transfert Thermique (W/m².K)
 : Conductivité Thermique (W/m.K)
e : épaisseur
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5
Les grandes évolutions
Limiter les échanges par rayonnement (15% - 50 %)
- « barrières basse émissivité » : films, poudres …
Réduire la conduction par la phase gazeuse (60 % - 80 %)
1 : « gaz lourds »
2 : réduire la mobilité du gaz – confinement
3 : éliminer le gaz - basse pression
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6
Confinement: Matériaux Nanoporeux
  1    s    g  r
 > 100 µm > lm
Conduction
Gaz

g  
 < 0.1 µm < lm
g0
T
1 C
P
 : taille caractéristique des cavités
P : Pression
 : Masse Volumique
E : Coefficient d’extinction
Rayonnement
16   T
r  
3 E
3
Source : Microtherm
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Basse pression: Matériaux Nanoporeux
Thermal conductivity of air as a function of pore diameter
0.028
Thermal conductivity [W/(mK)]
0.024
0.020
pore diameter 10 mm
Pore diameter
10 mm
1 mm
1 mm
0.016

100
µm
0.1 mm
0.012
10
µmmm
0.01
0.001
mm
1 µm
0.008
fumed silica /
aerogel
0.004
VIP service life
0.000
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
Gas pressure p [m bar]
1.0E+02
1.0E+03
P
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Basse pression: Matériaux Nanoporeux
glass
fibres
Fibre
de Verre
pext = 1 bar
T = 20°C
[ 10-3 W/(mK) ]
Conductivité
Thermique
thermal conductivity

40
Mousse
PU
foam PU
30
Mousse
PS
foam XPS
Silice Précipitée
precipitated
silica
fumed
Silicesilica
Pyrogénée
20
10
0
0.001
 ZAE Bayern
0.01
0.1
1
10
100
1000
gas
pressure
pgas [ mbar ]
Pression
[hPa]
 < lm= 0.1 µm
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Les Isolants Haute-Performance
 Les Aérogels
 Granules
 Mats Fibreux imprégnés (Blankets)
 Les Panneaux Isolants sous Vide (PIV)
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Les Isolants Haute-Performance
 Les Aérogels
 Granules
 Mats Fibreux imprégnés (Blankets)
 Les Panneaux Isolants sous Vide (PIV)
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Aérogels de silice: Nanogel et PolyCarbonate
Nanogel™ PC
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Evaluation technique
Nanogel™ PC: Avis technique n°6/08-1816 délivré le 18/02/2009
Epaisseur mm
16
25
Ug W/m².K
1.5
1.1
Classement feu: M1
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Aérogels de silice: Mats Fibreux (Blankets)
Le composite est élaboré en voie sol-gel par
imprégnation dans des fibres d’un gel de silice. Le
produit final est obtenu par séchage évaporatif à
plus ou moins haute température.
Doc. ASPEN
Spaceloft®:
Produit Commercialisé.
 = 14 mW/mK
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14
Evaluation technique
Spacelot: ATE n°11/0471 délivré le 20/01/2012
Epaisseur mm
5 à 10
 mW/m.K
14
Classement feu, NF EN 13823 : C – s1, d0 (équivalent à M2)
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Aérogel de silice: Aerowool® / Rockwool
Laine de roche imprégnée de Nanogel®.
Nanogel in Fiber Mats
 = 0.019 W/mK
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Evaluation technique
Aerowool® : ATE n°1/0414 délivré le 25/11/2011
Epaisseur mm
20
 mW/m.K
19
Classement feu, NF EN 13823 : B-s1, d0 (équivalent à M1)
Aerorock ® : (complexe Aerowool + BA13) PASS-INNOVATION 2011-141
PASS-INNOVATION « vert »
--Feu vert: risque très limité,
pouvant être maîtrisé par des
recommandations sur la mise en
œuvre et/ou le suivi,
- Feu orange: risque « réservé »,
vérification
applicabilité
par
chantier pilote (ATEx),
- Feu rouge: risque non maîtrisé.
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Les Isolants Haute-Performance
 Les Aérogels
 Granules
 Mats Fibreux imprégnés (Blankets)
 Les Panneaux Isolants sous Vide (PIV)
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PIV : Caractérisation thermique
Drainage
PIV 1
PIV 2
Film Laminé
Film Métallisé
m2.K/W
1,64
2,64
 eq mW/m.K
12,2
7,6
55
27
Rth
% PT (calc.)
Déterminé pour un PIV de 1 m x 1 m et de 20 mm d’épaisseur
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Evaluation des propriétés thermiques
 Caractéristique thermique de la partie centrale:
méthode fluxmètrique
ou
méthode de la plaque chaude gardée
 Caractéristique thermique des ponts thermiques périphériques:
 Soit par mesure à la boite chaude gardée.
 Soit par calcul
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Evolution des propriétés thermiques
C’est le film barrière du PIV qui conditionne la durabilité.
Cette durabilité est fonction de l’application choisie.
 La dégradation du film barrière est évaluée pour une durée de vie
donnée,
- les conséquences sur l’âme sont déterminées (pression interne
et humidité).
- En parallèle la variation de la conductivité thermique de l’âme
est mesurée en fonction de la pression et de l’humidité pour obtenir le
point correspondant aux conséquences des dégradations du film
barrière.
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PIV : Exemples de vieillissements
Evolution de la conductivité thermique de PIV
en fonction de sollicitations hygrothermiques
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Evaluation technique
Vacupor®: certification DiBt n° Z-23.11-1662 délivrée le
01/07/2008 et reconduite le 01/07/2010
Epaisseur mm
10 à 50
 mW/m.K
7 ou 8
Classement feu: Ame: B2 (équivalent à M1); Film: E (équivalent à M3)
 CUAP N° 12.01/30 « Factory made vacuum insulation panels »
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Evaluation technique
CUAP N° 12.01/30 « Factory made vacuum insulation panels »
Domaine d’application : « Panneau isolant thermique sous
vide à base de silice pyrogénée ou en combinaison avec de l’EPS
et associé à une barrière comportant 3 films métallisés et une
couche de scellage. »
Domaine d’emploi des produits : « les produits pourront être
utilisés dans un système d’isolation par l’extérieur, sous chape,
dans un panneau de façade préfabriqué. »
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Evaluation technique
CUAP N° 12.01/30 « Factory made vacuum insulation panels »
Vieillissement
 Film barrière
 Détermination de la résistance à la traction de l’allongement et de la
perméabilité après exposition à 80°C pendant: 3, 7, 14, 30 et 90 jours.
 PIV
Détermination de la conductivité thermique initiale à 23°C et 50 % HR
Réalisation de 8 cycles de 24 h: -15°C / 80 °C
Maintien 90 jours à 80 °C
Détermination de la conductivité thermique
Maintien 90 jours à 80 °C
Détermination de la conductivité thermique finale
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Exemples d’applications
 Ballon ECS
 Rupteur de pont thermique en réhabilitation
 Isolation murs
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PIV: Ballon ECS
Résultats de simulation sur un ballon de 200 litres
Ballon de référence:
PU (50mm)
Ajout: placard à Ballon en
PIV (20 mm)
Ajout: PU dans les
vides
58%
65%
Réduction des pertes
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PIV: Rupteur de pont thermique
PIV
Réduction de 60% des
pertes linéiques ()
Projet PREBAT-ADEME: RUPTISOLE
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PIV: Isolation Thermique par l’Intérieur
RT= 3.1 m².K/W
E = 30 mm
Source : ISOVER - Vacupad
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Blanket: Isolation par l’intérieur
Spaceloft®:
RT (20 mm) = 1.4 m².K/W
~ 50 mm de LM
Source : ASPEN - AEROGEL
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 Les Isolants Haute-Performance
 Les Matériaux à Changement de Phase
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L’inertie
Matériaux à changement de phase ou MCP
Utilisation du changement d’état (ex: solide
Pour absorber ou restituer des calories
liquide)
Principales caractéristiques:
- Chaleur spécifique Cp,
- Chaleur latente de transformation L,
- Température de transformation Tf,
- Conductivité thermique 
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L’inertie
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L’inertie: les MCP
Granulats minéraux poreux
imbibés de paraffines
Poudre de silice hydrophobe
imprégnée de paraffines
Paraffines micro - encapsulées
par une pellicule polymérique
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MCP: Caractérisation par méthode DSC
Vitesse entre
30 et 120°C/heure
Référence
Echantillon
Capteurs de
mesure du
flux plan
DSC
Echantillon ~ 20 mg
Effet de la masse et de la vitesse de mesure sur le
résultat
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MCP: Caractérisation par Micro-calorimètre
30
RT 36 751 mg
RT 36 488 mg
25
Cp J/g°C
20
Référence
15
10
5
Echantillon
0
Capteurs de
mesure du
flux 3D
0
10
15
20
25
30
Température°C
35
40
45
50
Résultats indépendant de la masse de l’échantillon
18
0.05 °C/mn
0.1
0.5
1
0.05 °C/mn
0.1
0.5
1
16
Micro-calorimètre
14
12
Vitesse entre
3 et 60°C/heure
Cp J/g°C
Echantillon ~ 500 mg
5
10
Refroidissement
Chauffage
8
6
4
2
0
-10
-5
0
5
10
T °C
15
20
25
30
35
40
Résultats dépendant de vitesse de mesure
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L’inertie: Composants incorporant des MCP
Panneaux de fibres de bois
avec des paraffines
Toile PVC enduite de MCP
Épaisseur~1mm
DuPont™ Energain®
Knauf PCM SmartBoard®
Panneau SIRTERI
Nodule CRISTOPIA
(projet FUI CSTB, INES, SMCI, ARaymond)
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Etude des MCP
1m
par sollicitation dynamique contrôlée
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Exemples d’applications des MCP
 Ballon ECS
 Réhabilitation de bureaux
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Exemples d’applications des MCP
 Ballon ECS
 Réhabilitation de bureaux
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MCP: Ballon ECS
Simulation de la température moyenne d’eau dans le ballon de 200 litres
au cours d’une journée
66
Gain de 14 °C
en fin de
journée
Température eau °C
61
MCP:
Tf=60°C
V=75 litres
MCP eau
56
51
MCP Int.
46
Puisages
MCP Ext.
41
36
Sans MCP
0
33
5.5
11
16
22
28
Temps h
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Exemples d’applications des MCP
 Ballon ECS
 Réhabilitation de bureaux
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Inertie (MCP): Application au bâtiment
Enjeux
 Améliorer le confort thermique des occupants en
amortissant les températures (d’air et de surfaces) et en les
déphasant
 Réduire les besoins de chauffage et/ou de climatisation en
stockant/déstockant la chaleur contenue dans les parois
 Confort d’été
Déphaser et écrêter les pics de température
 Mieux exploiter les apports solaires
Réduire les besoins d’énergie
Redonner de l’inertie aux bâtiments grâce aux
MCP
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Réhabilitation: Bureaux
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Réhabilitation: Modélisation
MCP 2 cm
Température opérative [°C]
30,0
Moyenne des températures
max journalières
29,5
pas de MCP
MCP 4 cm
29,0
28,5
28,0
27,5
Nombre d'heures [-]
pas de MCP
MCP 2 cm
MCP 4 cm
500
400
300
200
27,0
26,5
26,0
100
Température
moyenne
0
0 ACH
2 ACH
4 ACH
6 ACH
8 ACH
0 ACH
Surventilation nocturne
2 ACH
4 ACH
6 ACH
8 ACH
Surventilation nocturne
• Les panneaux MCP de 2 cm d’épaisseur réduisent, en moyenne sur la saison
estivale, la température opérative de 0.5°C et sa valeur maximale de 1.5°C,
• La présence d’un débit de surventilation nocturne est incontournable, mais
au-delà de 4 vol/h l’effet d’un débit additionnel devient moins remarquable,
• L’utilisation des panneaux MCP de 4 cm d’épaisseur apporte de bénéfices
négligeables sur la température moyenne par rapport aux panneaux de 2 cm
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Réhabilitation: Principe
Comparaison de 3 bureaux
Bureaux surventilé +
MCP
Bureaux non modifié
« Référence »
Bureaux surventilé
Double fenêtre
+
Store
Panneaux MCP
Panneau super
isolant
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Réhabilitation: Température des bureaux
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Réhabilitation: Bureau réhabilité
Panneaux
super-Isolants
Panneaux MCP
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Réhabilitation: Notion de confort
T ≥ 27 °C entre 8 h et 19 h
Bureau
MCP
Bureau
Ventilé
Bureau
Air
Référence Extérieur
Nombre d’heures
% temps
25
39
76
46
19%
29%
57%
34%
T maxi sur la période °C
28.6
30.5
35.7
33.0
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Réhabilitation: Conclusions
 Tout d’abord, le confort d’été est amélioré par:
- une bonne isolation des parties opaques
- des vitrages performants,
- une protection solaire.
 Ensuite, la sur-ventilation nocturne se révèle très
efficace et apporte un gain non négligeable.
 Enfin, l’installation des panneaux MCP contribue à renforcer
encore ce confort thermique, (gain de 1 à 2°C).
 Dans tous les cas, les protections solaires jouent un rôle
majeur. La sur-ventilation nocturne sans protection solaire rend
inefficace l’apport du MCP.
 Points faibles :
- Etanchéité à l’air
- Risque de condensation dans l’espace intermédiaire
…
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Evaluation technique MCP
Dupont Energain®: PASS-INNOVATION 2009-019 délivrée le
30/10/2009
PASS-INNOVATION « vert »
Classement feu: E (équivalent à M4)
RAL-GZ 896: Phase Change Material
L'Allemagne a mis en place une méthode d'évaluation des MCP:
La méthode "Quality and testing regulations for Phase Change Materials -PCM"
se divise en quatre parties.
- objet de la procédure d'évaluation.
- cadre réglementaire en précisant les critères que doivent respectées
les différents éléments testés.
- la procédure de test menée sur les différents éléments,
- procédure de contrôle.
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Merci de votre attention
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