Analyse des propriétés des matériaux transparents de construction et leur influence sur l'environnement intérieur

par Zhenhao Zhang

Projet de thèse en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Mustapha Karkri.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec Xi'an University of Architecture and Technology , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec CERTES - Centre d'Etude et de Recherche en Thermique, Environnement et Systèmes (laboratoire) depuis le 08-12-2018 .


  • Résumé

    1 Introduction Le bâtiment, secteur le plus consommateur d'énergie et producteur de 23% des émissions nationales de CO2, constitue un immense gisement d'économies d'énergie, donc de réduction de gaz à effet de serre, et ses occupants sont autant de cibles à mobiliser dans la volonté d'un changement de comportement. Face à l'ampleur du défi, c'est un plan d'actions ambitieux qui est mis en place par plusieurs pays (la France, la chine, …). : mobilisation de tous les acteurs du bâtiment, mesures réglementaires contraignantes, information renforcée des particuliers, incitations financières pour les ménages, importants soutiens financiers aux maîtres d'ouvrage, mais aussi appui aux actions de recherche et développement. Le projet de thèse en cotutelle avec nos collègues chinois s'inscrit parfaitement dans la stratégie d'amélioration du confort thermique, la réduction de la consommation énergétique et la réduction des émissions de CO2. Il s'intéresse à l'utilisation à des matériaux organiques transparents sur le toit des bâtiments. Ces matériaux sont connus par leur excellente capacité de transmission lumineuse et isolation thermique. L'objectif premier de cette thèse est une meilleure compréhension des transferts de chaleur, et de transmission lumineuse de ces matériaux ; mais cette thèse ambitionne de proposer des solutions adaptées à la consommation énergétique des bâtiments. 2 Méthodologie 2.1 Étude des paramètres thermiques et la transmission des matériaux organiques transparents. La thèse commencera par une étude bibliographique sur des matériaux organiques transparents intégrés dans les enveloppes des bâtiments. Un état de l'art sera effectué, plus précisément, sur les propriétés thermo-optiques et mécaniques de ces matériaux. Il est proposé de publier un article « Review » qui englobe tous les travaux de recherche et les résultats publiés dans les revues internationales dans ce domaine. Suite à ce travail, nous établirons un nouveau cahier des charges avec une vision claire et un planning des objectifs à atteindre. Le doctorant entamera ensuite une étude expérimentale comprenant (i) la caractérisation des matériaux organiques transparents qui existent sur le marché chinois et Européen. Une attention particulière sera apportée au coefficient de transfert de chaleur, à la transmission totale de l'énergie solaire et à la transmission lumineuse visible de ces matériaux. (ii) le cycle de vie de ces matériaux sera étudié pour mettre en avant la durabilité et la fiabilité de ces matériaux en fonction de leur environnement. Suite à cette étude expérimentale, un deuxième article sera publié. 2.2 Étude de l'influence du WWR (ratio fenêtre/paroi du toit) sur la consommation énergique du bâtiment La question centrale, dans cette partie, est « comment choisir le WWR » pour réduire la consommation énergétique des bâtiments ?. C'est pourquoi le WWR doit être évalué/analysé dans différentes zones climatiques d'autant plus que les conditions climatiques ont un impact direct sur la performance thermique-éclairage des structures transparentes. L'application des algorithmes d'optimisation sera utilisée pour analyser les données de la consommation énergétique, la gamme optimale de WWR du toit, la transmission totale de l'énergie solaire et la transmission de la lumière visible. 2.3 Optimisation structurelle des matériaux organiques transparents Grace à la recherche dans la section 2,2, le coefficient de transfert thermique optimal, la transmission totale de l'énergie solaire et la transmission lumineuse visible peuvent être obtenus sous différents WWR. Cependant, les matériaux organiques transparents réels peuvent ne pas répondre aux exigences de ces trois paramètres simultanément. Par conséquent, la zone climatique appropriée et la WWR des matériaux organiques transparents (dont les paramètres de performance ont été triés dans la section 2,1) seront analysées dans le cas d'une étude approfondie de la performance de l'éclairage et de la performance thermique. Sur cette base, les principaux problèmes de ces matériaux organiques transparents seront analysés, et une optimisation structurelle sera proposée.

  • Titre traduit

    Analysis of the properties of building transparent materials and their influence on indoor environment


  • Résumé

    1 introduction Proper proportion of transparent structure on the roof can effectively reduce lighting energy consumption, but traditional glass transparent structure can significantly increase heating and cooling energy consumption. Organic transparent materials have great potential in building energy conservation because of their excellent ability in light transmission and heat insulation. 2 Research methodology 2.1 Study on thermal and transmittance parameters of organic transparent materials The research object of this section is the organic transparent materials applied in the field of building envelope structure. It is proposed to adopt the method of combining literature research with laboratory experiment, mainly including the following contents : (1) The heat transfer coefficient, total solar energy transmittance and visible light transmittance of organic transparent materials will be obtained and sorted out ; (2) The life cycle of materials will be studied from the perspectives of heat transfer coefficient, total solar energy transmittance and visible light transmittance. 2.2 Study on the influence of window-to-wall ratio of roof on building energy consumption How to choose suitable window-to-wall ratio (WWR) of roof to reduce building energy consumption is the main problem to be solved in this section. The WWR should be discussed in different climate zones as different climatic conditions have different requirements on the thermal performance of transparent structure. (1) Typical building models will be built in different climate zones using energy simulation software ; (2) For the building models in different climate zones, the heat transfer coefficient, total solar energy transmittance and visible light transmittance of transparent structure will be changed under different WWR to obtain the energy consumption of lighting, heating and cooling. The multi-objective optimization method will be used to analyze the energy consumption data, and the optimum range of WWR of roof under different heat transfer coefficients, total solar energy transmittance and visible light transmittance will be obtained in different climate zone. 2.3 Study on structural optimization of organic transparent materials Through the research in section 2.2, the optimal heat transfer coefficient, total solar energy transmittance and visible light transmittance can be obtained under different WWR. However, the actual organic transparent materials may not meet the requirements of these three parameters simultaneously. Therefore, the suitable climatic zone and WWR of actual organic transparent materials (whose performance parameters have been sorted out in section 2.1) will be analyzed in the case of comprehensive consideration of lighting performance and thermal performance. On this basis, the main problems of organic transparent materials will be analyzed, and it will be optimized from the structural perspective.