Étude du vitrage thermochrome soumis au rayonnement solaire en physique du bâtiment

Study of thermochromic glazing under solar radiation in building physics

• Auteur / Autrice : Arthur Ah-Nieme
• Direction : Harry Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique du bâtiment
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Wurtz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laëtitia Adelard, Joseph Virgone, Dimitri Bigot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Zissis, Marjorie Musy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermochromie

Modèles mathématiques

Matériaux -- Propriétés thermiques

Rayonnement solaire

Thermique

Photométrie

Vitrage

Mots clés libres

Vitrage thermochrome

Modélisation

Expérimentation

Validation

Application

Thermique

Photométrie

Éclairement naturel

Rayonnement solaire

Physique du bâtiment

Thermochromic glazing

Modelling

Experimentation

Validation

Application

Thermal

Photometry

Natural lighting

Solar radiation

Building physics

Résumé

Cette thèse présente l’étude du vitrage thermochrome (VTC) soumis au rayonnement solaire en physique du bâtiment. Ce travail de recherche s’inscrit dans la thématique de l’efficacité énergétique de l’enveloppe du bâtiment. En effet, le VTC, qui est une technologie innovante et dynamique, a la capacité de moduler sa transmission d’énergie en fonction de sa propre température. Pour les milieux tropicaux où le gisement solaire est important, ce type de vitrage peut de façon autonome, réduire significativement la transmission de chaleur à l’intérieur des bâtiments tout en maintenant une quantité de lumière naturelle suffisante pour le confort des occupants. Le but est donc de modéliser le comportement du VTC. Tout d’abord, une expérimentation unique en milieu tropical a été mise en place sur une cellule expérimentale à échelle 1 équipée d’un VTC. Il a été possible de tirer plusieurs conclusions suites aux observations : le champ de température du VTC est sensible à l’absorption du rayonnement solaire et il présente une répartition hétérogène quand des masques proches sont présents (comme dans notre cas). À partir de ces observations expérimentales, un modèle original a été proposé. Il s’agit d’une part de la formulation de la fonction qui régit la variation des propriétés thermo-optiques en fonction de la température ; et d’autre part, un modèle à discrétisation spatiale en deux dimensions sur la surface du VTC en prenant en compte les sollicitations du rayonnement solaire et des masques proches. Le modèle 2D a ensuite été implémenté dans un système global de bâtiment avec le modèle thermique 1D et le modèle d’éclairement naturel. Tous les modèles ont été intégrés dans PITAYA : plateforme pour l’analyse intégrée de la thermique et de l’éclairement naturel. Finalement, les modèles de PITAYA ont été confrontés aux mesures issues de l’expérimentation pour une validation. Les résultats de validation sur la thermique montrent que le modèle est fiable et précis. Néanmoins, les résultats en photométrie, qui sont encourageants, nécessitent d’apporter des améliorations supplémentaires au modèle.

This thesis deals with the study of thermochromic glazing (TCG) exposed to solar radiation in building physics. This research work is part of the building envelope energy efficiency thematic. Indeed, the TCG, which is an innovative and dynamic technology, has the capacity to modulate its energy transmission according to its own temperature. For tropical areas where there is a large amount of solar energy, this type of glazing can, on its own, significantly reduce the transmission of heat inside buildings while maintaining a sufficient amount of natural light for the comfort of the occupants. The goal is therefore to model the behaviour of the TCG. First of all, a unique experiment in a tropical environment has been set up on a scale 1 experimental cell equipped with a TCG. It was possible to draw several conclusions from the observations: the temperature field of the TCG is sensitive to the absorption of solar radiation and presents a heterogeneous distribution when close masks are present (as in our case). From these experimental observations, an original model was proposed. It is, on one hand, the formulation of the function that governs the variation of the thermo-optical properties as a function of temperature; and on the other hand, a two-dimensional spatial discretisation model on the surface of the TCG taking into account the solicitations of solar radiation and close masks. The 2D model was then implemented in a global building system with the 1D thermal model and the daylighting model. All models have been integrated into PITAYA: Platform for the integrated thermal and daylighting analysis. Finally, the PITAYA models were compared with the measurements from the experiment for validation. The results of the thermal validation show that the model is reliable and accurate. Nevertheless, the results in photometry, which are encouraging, require further improvements to the model.