Connaissance du secteur

I. Aperçu

1.1 Contexte de la recherche

L‘environnement lumineux et thermique des bâtiments est périodiquement influencé par les conditions climatiques extérieures. Il est donc crucial de réguler efficacement l‘éclairage intérieur et les apports de chaleur par rayonnement solaire. Matériau intelligent à transmission lumineuse et à isolation thermique variables, le verre thermochrome permet de réguler dynamiquement la lumière visible et le rayonnement thermique infrarouge proche pénétrant dans le bâtiment. Il présente un fort potentiel pour améliorer le confort lumineux intérieur et réduire la consommation énergétique des bâtiments. Le verre thermochrome à base d‘hydrogel, incolore et transparent, possède une température de transition réglable de 20 à 50 °C. Sa transmission lumineuse élevée répond aux exigences des applications architecturales en matière de température de transition et de transmission lumineuse, et lui confère de larges perspectives d‘application.

Cependant, les recherches et normes existantes ne proposent pas de méthodes claires pour la conception et la sélection de la température de transition optimale du verre thermochrome sous différentes conditions climatiques. De même, il n‘existe pas de norme d‘évaluation précise permettant de déterminer si le verre thermochrome appartient à la catégorie des dispositifs de protection solaire ni d‘évaluer son potentiel d‘ombrage. En architecture, la conception et la sélection de la température de transition optimale du verre thermochrome en fonction du climat et de l‘orientation du bâtiment, ainsi que le calcul de sa surface d‘ombrage équivalente lors de l‘évaluation, constituent des enjeux majeurs à résoudre, de la recherche fondamentale aux applications architecturales.

1.2 Objectif et importance de la recherche

Cette étude vise à établir un modèle de calcul de l‘impact global du vitrage thermosensible sur l‘éclairage, l‘environnement thermique et la consommation énergétique des bâtiments, en combinant essais expérimentaux et simulations numériques, et à le valider par des données mesurées. Sur cette base, la méthode de calcul de la température de transition optimale et de la longueur d‘ombrage équivalente du vitrage thermosensible sous différentes conditions climatiques est étudiée afin de fournir des éléments de référence pour sa conception et son évaluation dans les applications architecturales. Les résultats de cette étude contribuent à promouvoir l‘utilisation généralisée du vitrage thermosensible dans le domaine de l‘architecture, à améliorer les performances lumineuses et thermiques des bâtiments, à réduire leur consommation énergétique et à favoriser le développement durable du secteur de la construction.

2. Test de performance du verre à atténuation thermique

2.1 Test de performance optique

Les propriétés optiques d‘échantillons de verre thermo-opaque, présentant des températures de transition de 20 °C, 25 °C, 30 °C et 35 °C, ont été testées à différentes températures à l‘aide d‘un spectrophotomètre UV/visible/proche infrarouge. Les résultats montrent qu‘avec l‘augmentation de la température, la transmittance du verre à la lumière visible diminue progressivement, tandis que sa capacité à bloquer le rayonnement solaire augmente. Par exemple, à 20 °C, la transmittance du verre à la lumière visible est relativement élevée, laissant passer une grande quantité de lumière visible dans la pièce. En revanche, lorsque la température atteint 35 °C, la transmittance à la lumière visible chute considérablement, de même que la transmittance du rayonnement solaire, bloquant ainsi efficacement la chaleur solaire.

2.2 Essai du coefficient de transfert thermique

Le coefficient de transfert thermique de l‘échantillon a été mesuré à l‘aide d‘un conductimètre thermique à flux thermique stationnaire. Les résultats montrent que le coefficient de transfert thermique du verre thermo-opaque est relativement élevé à l‘état transparent ; à l‘état atomisé, ce coefficient est considérablement réduit, ce qui indique une nette amélioration des performances d‘isolation thermique du verre atomisé et permet de réduire efficacement les transferts de chaleur entre l‘intérieur et l‘extérieur.

3. Tests en laboratoire

3.1 Conception du laboratoire

Une salle de laboratoire comparable a été aménagée à l‘École d‘architecture et de génie civil de l‘Université de Xiamen. La salle de comparaison et la salle de laboratoire ont les mêmes dimensions (longueur × largeur × hauteur : 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m) et des fenêtres extérieures de 20,93 m × 1,94 m. Les fenêtres de la salle de comparaison sont équipées de double vitrage isolant et de brise-soleil horizontaux de 50 cm de profondeur, tandis que celles de la salle de laboratoire sont équipées de simple vitrage thermo-opaque avec une température de transition de 25 °C.

3.2 Contenu et résultats du test

Les mesures ont été effectuées pendant 10 jours consécutifs et les données recueillies comprenaient les conditions météorologiques extérieures, la température ambiante (température naturelle de la pièce), l‘éclairement lumineux intérieur, etc. Les résultats expérimentaux montrent qu‘en cas de fortes chaleurs, le vitrage thermo-opaque installé dans la pièce expérimentale s‘embue progressivement avec l‘augmentation de la température, bloquant efficacement le rayonnement solaire. La température intérieure est ainsi nettement inférieure à celle d‘une pièce sans protection solaire efficace. De plus, l‘éclairement lumineux intérieur répond aux besoins tout en évitant l‘inconfort lié à une forte luminosité directe. La pièce témoin bénéficie également d‘une certaine protection solaire grâce à son store, mais la pièce expérimentale équipée du vitrage thermo-opaque présente l‘avantage d‘une régulation thermique automatique plus performante.

IV. Établissement et vérification du modèle de simulation numérique

4.1 Établissement du modèle EnergyPlus

EnergyPlus est utilisé pour établir un modèle de calcul des performances énergétiques du bâtiment pour la salle expérimentale de référence. À partir de données météorologiques extérieures mesurées sur 10 jours, la température intérieure et l‘éclairement lumineux aux points de mesure expérimentaux sont simulés et calculés. Lors de l‘élaboration du modèle, les paramètres thermiques de la structure de l‘enveloppe, les caractéristiques des fenêtres extérieures, la source de chaleur intérieure et d‘autres paramètres pertinents sont définis avec précision afin de garantir que le modèle reflète fidèlement les conditions réelles de la salle expérimentale.

4.2 Vérification du modèle

Les résultats de la simulation sont comparés aux données expérimentales. La comparaison entre les valeurs mesurées et simulées de la température de l‘air intérieur des salles de référence et expérimentale montre que l‘erreur moyenne normalisée (NMBE) est de 1,99 % pour la température de l‘air intérieur de la salle de référence et de 1,05 % pour celle de la salle expérimentale. L‘erreur moyenne normalisée (NMBE) entre les valeurs expérimentales et simulées de l‘éclairement, mesurées en 9 points dans la salle expérimentale équipée de vitrages thermo-opaques, varie de -3,43 % à 7,70 %. Dans la salle de référence équipée de vitrages isolants transparents avec pare-soleil, l‘erreur moyenne normalisée (NMBE) entre les valeurs expérimentales et simulées de l‘éclairement, mesurées en 9 points, varie de -6,01 % à 15,38 %. Ces résultats de vérification démontrent la grande précision d‘EnergyPlus pour le calcul de la température intérieure et de l‘éclairement des salles de référence et expérimentale, ce qui permet d‘envisager son utilisation pour des recherches ultérieures.

5. Recherche sur l‘application du verre thermo-assombrissant dans différentes conditions climatiques

5.1 Établissement d‘un modèle de bureau type

Un bureau type est sélectionné pour la modélisation, et la méthode de calcul validée expérimentalement est adoptée. Sous différentes conditions climatiques, les paramètres de fonctionnement, tels que les paramètres thermiques de la structure, la densité de puissance d‘éclairage, la densité d‘équipements, la densité de personnel, le taux d‘occupation et la température de consigne de la climatisation, sont sélectionnés conformément aux normes de conception énergétique des bâtiments en vigueur dans mon pays.

5.2 Simulation et analyse des performances physiques du bâtiment

Une méthode de simulation dynamique des performances physiques des bâtiments sur une année complète, basée sur des données météorologiques annuelles typiques, est utilisée pour calculer l‘éclairement naturel effectif (UDI), l‘indice de perception thermique moyen attendu (PMV) et la consommation énergétique par unité de surface (EUI). Cette méthode permet également d‘analyser l‘influence du vitrage thermo-opaque sur l‘environnement lumineux et thermique, ainsi que sur la consommation énergétique des bâtiments de bureaux. Les résultats de la simulation montrent que l‘influence du vitrage thermo-opaque sur l‘environnement lumineux et thermique et la consommation énergétique varie selon les zones climatiques. Dans les régions chaudes, le vitrage thermo-opaque permet de réduire efficacement la température intérieure en été, de diminuer la consommation d‘énergie liée à la climatisation, tout en garantissant un éclairage adéquat et en améliorant le confort intérieur. Dans les régions froides, le vitrage reste transparent même par basses températures en hiver, ce qui favorise l‘apport de chaleur par rayonnement solaire et réduit la consommation d‘énergie de chauffage.

VI. Recherche sur la conception et la sélection des vitrages thermo-diffuseurs

6.1 Comparaison des performances de différents verres

Des données météorologiques typiques de 203 villes de mon pays ont été sélectionnées afin de comparer et d‘analyser les performances énergétiques des bâtiments équipés de vitrages à opacité thermique simple couche, de vitrages isolants double couche à faible émissivité (haute transmittance au nord et faible transmittance au sud) et de vitrages à opacité thermique simple couche à faible émissivité, selon quatre axes : est, ouest, sud et nord. Les résultats de la recherche montrent que, dans la plupart des zones (95 %), les performances énergétiques des bâtiments équipés de vitrages à opacité thermique simple couche sont inférieures à celles des vitrages isolants double couche à faible émissivité, tandis que, dans la plupart des zones (82 %), les performances énergétiques des bâtiments équipés de vitrages à opacité thermique simple couche à faible émissivité sont inférieures à celles des vitrages isolants double couche à faible émissivité.

6.2 Cartographie de la sélection de la température de transition optimale

À partir de cette étude, une carte des températures de transition optimales pour le vitrage thermo-opaque monocouche à faible émissivité a été établie en fonction de quatre orientations de bâtiment. Cette carte illustre clairement la température de transition optimale du vitrage thermo-opaque applicable selon les régions et l‘orientation des bâtiments, offrant ainsi une référence précieuse aux architectes. Par exemple, dans les régions chaudes du sud, la température de transition optimale pour les bâtiments orientés est-ouest se situe entre 35 et 38 °C ; tandis que dans les régions froides du nord, elle est relativement basse, entre 28 et 32 ​​°C.

VII. Étude sur l‘évaluation des performances de protection solaire du verre thermo-assombrissant

7.1 Comparaison avec les installations d‘ombrage extérieures fixes

Des villes représentatives de cinq zones climatiques urbaines (Harbin, Pékin, Nankin, Kunming et Xiamen) ont été sélectionnées afin de comparer les effets du vitrage thermo-opaque monocouche et des dispositifs de protection solaire externes fixes (horizontaux et verticaux) sur l‘environnement lumineux et thermique intérieur et la consommation énergétique des bâtiments. L‘analyse et les calculs portent sur cinq conditions climatiques urbaines typiques, quatre orientations de bâtiments (est, ouest, sud et nord), un vitrage thermo-opaque monocouche avec une température de transition de 20 à 50 °C, des dispositifs de protection solaire externes fixes horizontaux et verticaux d‘une longueur de 0 à 3,6 m. Les fenêtres des dispositifs de protection solaire externes fixes sont équipées d‘un double vitrage isolant, et la longueur de protection (0 à 3,6 m) tient compte des structures d‘ombrage naturel du bâtiment, telles que les balcons, les couloirs et les saillies.

7.2 Méthode et résultats pour la détermination de la longueur d‘ombrage équivalente

Le processus de détermination de la longueur d‘ombrage équivalente du vitrage thermo-opaque est proposé : tout d‘abord, on détermine la consommation énergétique minimale du bâtiment pour le vitrage thermo-opaque à différentes températures de transition ; la température de transition correspondant à la consommation énergétique minimale est la température de transition optimale du vitrage thermo-opaque. Ensuite, la longueur de protection solaire extérieure fixe la plus proche de cette consommation énergétique minimale correspond à la longueur d‘ombrage équivalente du vitrage thermo-opaque. À titre d‘exemple, à Xiamen, la comparaison entre le vitrage thermo-opaque et une protection solaire extérieure horizontale montre que, dans les conditions climatiques de cette ville, la température de transition optimale du vitrage thermo-opaque monocouche est de 36 à 37 °C. Orientés est, ouest, sud et nord, les longueurs de protection solaire extérieure horizontale équivalentes pour le vitrage thermo-opaque à la température de transition optimale sont respectivement de 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m et 1,6 m. Les résultats de la recherche montrent que le vitrage thermo-opaque peut permettre de réaliser des économies d‘énergie dans les bâtiments et d‘améliorer l‘environnement lumineux et thermique de manière similaire aux dispositifs d‘ombrage extérieurs fixes.

VIII. Conclusion et perspectives

8.1 Conclusion de la recherche

Cette étude, s‘appuyant sur des essais expérimentaux et des simulations numériques, a établi un modèle de calcul de l‘impact global du vitrage thermosensible sur l‘éclairage, le confort thermique et la consommation énergétique des bâtiments. La précision de ce modèle a été validée par des données mesurées. L‘étude a permis de déterminer la température de transition optimale et la longueur d‘ombrage équivalente du vitrage thermosensible sous différentes conditions climatiques, et d‘établir une carte de sélection de la température de transition optimale. Les résultats montrent que le vitrage thermosensible présente un fort potentiel de régulation de la lumière et de la chaleur dans le bâtiment, améliore efficacement le confort lumineux et thermique intérieur, réduit la consommation énergétique et, dans la plupart des cas, l‘efficacité énergétique du vitrage thermosensible monocouche à faible émissivité est supérieure à celle du vitrage traditionnel. Par ailleurs, le vitrage thermosensible permet d‘obtenir des économies d‘énergie et une amélioration du confort lumineux et thermique comparables à celles des dispositifs de protection solaire extérieurs fixes.

8.2 Perspectives de recherche

Les recherches futures pourront étendre l‘étude des applications du vitrage thermosensible à différents types de bâtiments, tels que les immeubles résidentiels, les hôpitaux et les écoles, et analyser en profondeur ses performances en fonction des exigences fonctionnelles de ces bâtiments. Parallèlement, il conviendra d‘optimiser les propriétés des matériaux et le procédé de fabrication du vitrage thermosensible afin d‘améliorer sa stabilité, sa durabilité et la précision de sa variation d‘opacité, tout en réduisant les coûts de production et en favorisant ainsi son utilisation plus large. De plus, l‘intégration de l‘intelligence artificielle, du big data et d‘autres technologies permettra de réaliser une interconnexion intelligente entre le vitrage thermosensible et les autres systèmes du bâtiment, contribuant ainsi à améliorer encore l‘intelligence et l‘efficacité énergétique des bâtiments.