Connaissance de l'industr

I. Aperçu

1.1 Contexte de la recherche

L‘environnement lumineux et thermique des bâtiments est périodiquement affecté par les conditions climatiques extérieures. Il est donc crucial de réguler efficacement l‘éclairage intérieur et le gain de chaleur dû au rayonnement solaire. Matériau intelligent à transmission lumineuse et à isolation thermique variables, le verre thermochrome régule dynamiquement la lumière visible et le rayonnement thermique proche infrarouge pénétrant dans le bâtiment. Il offre un potentiel considérable pour améliorer le confort lumineux intérieur et réduire la consommation énergétique des bâtiments. Parmi ces matériaux, le verre thermochrome à base d‘hydrogel est incolore et transparent, et sa température de transition est librement réglable entre 20 et 50 °C. Sa transmission lumineuse visible élevée répond mieux aux exigences des applications architecturales en matière de température de transition et de transmission lumineuse visible, et offre de vastes perspectives d‘application.

Cependant, les recherches et les normes existantes manquent de méthodes claires pour la conception et la sélection de la température de transition optimale du verre thermochromique dans différentes conditions climatiques ; de même, il n‘existe aucune norme d‘évaluation claire permettant de déterminer si le verre thermochromique est un matériau d‘ombrage et d‘évaluer son potentiel d‘ombrage. Dans les applications architecturales, la conception et la sélection de la température de transition optimale du verre thermochromique sous différents climats et orientations de bâtiments, ainsi que le calcul de sa surface d‘ombrage équivalente lors de l‘évaluation, sont devenues des questions urgentes à résoudre pour ce matériau, de la recherche fondamentale à l‘application architecturale.

1.2 Objectif et importance de la recherche

Cette étude vise à établir un modèle de calcul pour l‘impact global du verre thermo-obscurcissant sur la luminosité, l‘environnement thermique et la consommation énergétique des bâtiments, en combinant essais expérimentaux et simulation numérique, et à le vérifier 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 verre thermo-obscurcissant dans différentes conditions climatiques est étudiée afin de fournir une référence pour sa conception et son évaluation dans les applications architecturales. Les résultats de cette étude contribueront à promouvoir l‘utilisation généralisée du verre thermo-obscurcissant en architecture, à améliorer les performances lumineuses et thermiques des bâtiments, à réduire la consommation énergétique des bâtiments et à promouvoir le développement durable du secteur de la construction.

2. Test de performance du verre thermo-gradateur

2.1 Test de performance optique

À l‘aide d‘un spectrophotomètre UV/visible/proche infrarouge, les propriétés optiques d‘échantillons de verre thermo-graduables ont été testées à différentes températures, avec des températures de transition de 20 °C, 25 °C, 30 °C et 35 °C. Les résultats montrent qu‘avec l‘augmentation de la température, la transmittance de la lumière visible du verre diminue progressivement et sa capacité à bloquer le rayonnement solaire augmente progressivement. Par exemple, à 20 °C, la transmittance de la lumière visible du verre est relativement élevée, permettant à une grande quantité de lumière visible de pénétrer dans la pièce ; à 35 °C, elle diminue significativement, tout comme la transmittance du rayonnement solaire, bloquant ainsi efficacement la chaleur solaire.

2.2 Test du coefficient de transfert de chaleur

Le coefficient de transfert thermique de l‘échantillon a été testé à l‘aide d‘un conductimètre à flux thermique stationnaire. Les données d‘essai montrent que le coefficient de transfert thermique du verre thermo-obscurcissant est relativement élevé à l‘état transparent ; à l‘état atomisé, il est significativement réduit, ce qui indique une amélioration significative des performances d‘isolation thermique du verre à l‘état atomisé, ce qui permet de réduire efficacement le transfert thermique entre l‘intérieur et l‘extérieur.

3. Test de laboratoire

3.1 Conception du laboratoire

Une salle de laboratoire comparable a été installée 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 et hauteur (2,9 m x 2,6 m x 2,8 m), et les fenêtres extérieures mesurent 0,93 m x 1,94 m. Les fenêtres de la salle de comparaison sont équipées de vitrages isolants double couche et de pare-soleil horizontaux de 50 cm, tandis que celles de la salle d‘expérimentation sont équipées de vitrages monocouches thermo-atténuants avec une température de transition de 25 °C.

3.2 Contenu et résultats du test

Les mesures ont été réalisées pendant 10 jours consécutifs. Les données de mesure comprenaient les conditions météorologiques extérieures, la température de l‘air intérieur (température ambiante naturelle), l‘éclairement lumineux intérieur, etc. Les résultats expérimentaux montrent que par temps chaud, le verre thermo-atténuant installé dans la salle expérimentale s‘embue progressivement lorsque la température augmente, bloquant efficacement le rayonnement solaire. La température intérieure est ainsi nettement inférieure à celle de la salle sans protection solaire efficace. De plus, l‘éclairement lumineux intérieur répond aux besoins d‘éclairage tout en évitant l‘inconfort causé par une forte lumière directe. La salle de comparaison présente également un certain effet d‘ombrage sous l‘action du pare-soleil, mais la salle expérimentale en verre thermo-atténuant présente davantage d‘avantages en termes d‘adaptabilité automatique de la régulation de la température.

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 du bâtiment pour la salle expérimentale comparable. 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‘établissement du modèle, les paramètres thermiques de la structure de l‘enceinte, les caractéristiques des fenêtres extérieures, la source de chaleur intérieure et d‘autres paramètres connexes sont définis en détail afin que le modèle reflète fidèlement la situation réelle de la salle expérimentale.

4.2 Vérification du modèle

Les résultats de simulation sont comparés aux données expérimentales. La comparaison entre les valeurs mesurées et simulées de la température de l‘air intérieur de la pièce de comparaison et de la pièce expérimentale montre que l‘erreur NMBEs de la température de l‘air intérieur de la pièce de comparaison est de 1,99 % et celle de la pièce expérimentale de 1,05 %. L‘erreur NMBEs des valeurs expérimentales et simulées de l‘éclairement à 9 points de mesure dans la pièce expérimentale en verre thermo-atténuant varie de -3,43 % à 7,70 %, et l‘erreur NMBEs des valeurs expérimentales et simulées de l‘éclairement à 9 points de mesure dans la pièce de comparaison avec verre isolant transparent pare-soleil varie de -6,01 % à 15,38 %. Les résultats de vérification montrent qu‘EnergyPlus offre une grande précision dans le calcul de la température intérieure et de l‘éclairement lumineux de la pièce de comparaison et de la pièce expérimentale, ce qui peut être utilisé pour des recherches ultérieures.

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

5.1 Établissement d‘un modèle de bureau typique

Un bureau type est sélectionné pour la modélisation et la méthode de calcul validée par des expériences est adoptée. Dans différentes conditions climatiques, les paramètres de fonctionnement, tels que les paramètres thermiques de la structure de l‘enceinte, la densité de puissance d‘éclairage, la densité des équipements, la densité du personnel, le taux d‘occupation du personnel 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 des bâtiments

La méthode de simulation dynamique des performances physiques des bâtiments sur une année complète, basée sur des données météorologiques annuelles typiques, permet de calculer l‘éclairement naturel effectif (IUE), l‘indice de perception thermique moyen attendu (IPM) intérieur et la consommation énergétique unitaire du bâtiment (IUE). Elle analyse également l‘influence du vitrage thermo-obscurcissant sur l‘environnement lumineux, l‘environnement thermique et la consommation énergétique du bâtiment dans des applications de bureau classiques. Les résultats de la simulation montrent que l‘influence du vitrage thermo-obscurcissant sur l‘environnement lumineux et thermique et la consommation énergétique varie selon les zones climatiques. Dans les zones chaudes, le vitrage thermo-obscurcissant permet de réduire efficacement la température intérieure en été, de diminuer la consommation de climatisation, tout en garantissant certains besoins d‘éclairage et en améliorant le confort intérieur. Dans les zones froides, le vitrage reste transparent même en hiver, ce qui favorise l‘augmentation du gain de chaleur solaire intérieur et la réduction de la consommation de chauffage.

VI. Recherche sur la conception et la sélection de vitrages thermo-obscurcissants

6.1 Comparaison des performances de différents verres

Des données météorologiques typiques de 203 villes de mon pays ont été sélectionnées pour comparer et analyser les performances énergétiques des bâtiments en verre thermo-obscurcissant monocouche, en verre isolant double couche Low-e (transmission élevée au nord et faible transmission au sud) et en verre thermo-obscurcissant monocouche Low-e dans les quatre directions est, ouest, sud et nord. Les résultats de la recherche montrent que, dans la plupart des régions, les performances énergétiques des bâtiments en verre thermo-obscurcissant monocouche (95 %) sont inférieures à celles des bâtiments en verre isolant double couche Low-e, tandis que, dans la plupart des régions, les performances énergétiques des bâtiments en verre thermo-obscurcissant monocouche Low-e sont inférieures à celles des bâtiments en verre isolant double couche Low-e (82 %).

6.2 Cartographie de la sélection de la conception de la température de transition optimale

Sur la base de ces recherches, une carte de sélection de la température de transition optimale pour le verre monocouche Low-e thermo-obscurcissant a été établie pour quatre orientations de bâtiments. Cette carte illustre intuitivement la température de transition optimale du verre thermo-obscurcissant selon les régions et les orientations de bâtiments, fournissant ainsi une référence importante aux architectes. Par exemple, dans les régions chaudes du sud, la température de transition optimale du verre monocouche Low-e thermo-obscurcissant pour les bâtiments orientés est-ouest est d‘environ 35-38 °C ; tandis que dans les régions froides du nord, la température de transition optimale pour les bâtiments orientés sud est relativement basse, entre 28 et 32 °C.

VII. Étude sur l‘évaluation des performances de protection solaire des vitrages thermo-atténuants

7.1 Comparaison avec les installations d‘ombrage externes fixes

Des villes typiques de cinq zones climatiques thermiques de mon pays (Harbin, Pékin, Nanjing, Kunming et Xiamen) ont été sélectionnées afin de comparer les effets du vitrage monocouche thermo-obscurcissant et des dispositifs de protection solaire extérieure fixes (protection solaire extérieure horizontale et protection solaire extérieure verticale) sur l‘éclairage intérieur, la chaleur et la consommation énergétique des bâtiments. Les analyses et les calculs couvrent cinq conditions climatiques urbaines typiques, quatre orientations de bâtiments : est, ouest, sud et nord, un vitrage monocouche thermo-obscurcissant avec une température de transition de 20 à 50 °C, des protections solaires extérieures fixes horizontales et verticales d‘une longueur de 0 à 3,6 m. Parmi ces dernières, les fenêtres à protection solaire extérieure fixe utilisent du vitrage isolant double couche, et le choix d‘une longueur de 0 à 3,6 m tient compte des structures d‘auto-ombrage des bâtiments, notamment les balcons, les couloirs et les saillies.

7.2 Méthode et résultats pour déterminer la longueur d‘ombrage équivalente

Le processus de détermination de la longueur équivalente d‘ombrage du verre thermo-obscurcissant est proposé : il s‘agit tout d‘abord de déterminer la consommation énergétique minimale du bâtiment pour le verre thermo-obscurcissant à différentes températures de transition. La température de transition optimale pour le verre thermo-obscurcissant est celle correspondant à la consommation énergétique minimale du bâtiment ; ensuite, lorsque la consommation énergétique minimale du bâtiment est la plus proche, la longueur du pare-soleil extérieur fixe est la longueur équivalente d‘ombrage du verre thermo-obscurcissant. À Xiamen, par exemple, la comparaison entre le verre thermo-obscurcissant et le pare-soleil extérieur horizontal montre que, dans les conditions climatiques de Xiamen, la température de transition optimale du verre thermo-obscurcissant monocouche est de 36-37 °C. Dans les quatre directions est, ouest, sud et nord, les longueurs équivalentes d‘ombrage extérieur horizontal du verre thermo-obscurcissant avec 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 verre thermo-atténuant peut permettre d‘obtenir des économies d‘énergie et des effets d‘amélioration de l‘environnement lumineux et thermique similaires à ceux des installations d‘ombrage externes fixes.

VIII. Conclusion et perspectives

8.1 Conclusion de la recherche

Grâce à des essais expérimentaux et à des simulations numériques, cette étude a établi un modèle de calcul pour l‘impact global du verre thermo-obscurcissant sur la luminosité, l‘environnement thermique et la consommation énergétique des bâtiments, et a vérifié la précision du modèle grâce à des données mesurées. L‘étude a obtenu la méthode de calcul de la température de transition optimale et de la longueur d‘ombrage équivalente du verre thermo-obscurcissant dans différentes conditions climatiques, et a établi une carte de sélection de conception pour la température de transition optimale. Les résultats montrent que le verre thermo-obscurcissant présente un bon potentiel de régulation de la lumière et de la chaleur dans les applications de construction, qu‘il peut efficacement améliorer le confort lumineux et thermique intérieur, réduire la consommation énergétique des bâtiments et, dans la plupart des domaines, que l‘efficacité énergétique du verre thermo-obscurcissant monocouche Low-e est supérieure à celle du verre traditionnel. Parallèlement, le verre thermo-obscurcissant permet d‘obtenir des économies d‘énergie et d‘améliorer l‘environnement lumineux et thermique des bâtiments, similaires à celles des systèmes d‘ombrage extérieurs fixes.

8.2 Perspectives de recherche

Les recherches futures permettront d‘étendre l‘application du verre thermo-obscurcissant à différents types de bâtiments, tels que les immeubles résidentiels, les hôpitaux, les écoles, etc., et d‘analyser en profondeur ses performances selon les différentes exigences fonctionnelles. Parallèlement, il sera possible d‘optimiser les propriétés des matériaux et le processus de production du verre thermo-obscurcissant, d‘améliorer sa stabilité, sa durabilité et la précision de sa gradation, et de réduire les coûts de production afin de promouvoir son application à plus grande échelle. De plus, grâce à l‘intelligence artificielle, au big data et à d‘autres technologies, il sera possible de relier intelligemment le verre thermo-obscurcissant à d‘autres systèmes de construction, améliorant ainsi l‘intelligence et les économies d‘énergie des bâtiments.