10.1 Introduction
Les matériaux d’isolation thermique sont choisis pour réduire le flux de chaleur à travers un milieu, et ils peuvent être faits d’un seul ou plusieurs matériaux. Les matériaux d’isolation thermique permettent à l’industrie américaine d’économiser plus de 60 milliards de dollars/an en coûts énergétiques (Cengel, 1998, pp. 158-159). Par conséquent, l’importance des matériaux d’isolation motive les ingénieurs en énergie à améliorer les caractéristiques thermiques des matériaux d’isolation thermique vers une résistance thermique plus élevée., Les substances fibreuses, cellulaires et granulaires sont des matériaux d’isolation couramment utilisés dans les bâtiments. Le choix du matériau d’isolation thermique est basé sur sa conductivité thermique, sa masse thermique, la température des espaces intérieurs et extérieurs, sa durabilité, son coût et d’autres facteurs. Les propriétés thermo-physiques des matériaux utilisés dans l’enveloppe du bâtiment affectent fortement les consommations d’énergie de chauffage ou de refroidissement. La conductivité thermique affecte le flux de chaleur à l’état stationnaire., Pour une condition transitoire, la chaleur spécifique affecte également le flux de chaleur en absorbant et en stockant la chaleur sous forme de chaleur sensible. L’intensité solaire et la température de l’air extérieur varient avec le temps; par conséquent, la conductivité thermique et la chaleur spécifique des matériaux utilisés dans les enveloppes de bâtiment affectent le flux de chaleur. Les isolations thermiques préférées sont des matériaux à haute capacité thermique et à faible conductivité thermique., Turner& Malley et Torgal, Mistretta, Kaklauskas, Granqvist,& Cabeza (2013) ont expliqué dans leur livre comment relever les défis de la rénovation des bâtiments vers une énergie presque nulle.
L’Incorporation de matériau à changement de phase (PCM) dans l’enveloppe du bâtiment a été étudiée comme une technique rentable pour réduire les charges de refroidissement., Les PCM sont des substances organiques ou inorganiques à basse température de fusion et à haute chaleur latente de fusion, telles que la paraffine et le sel. Les PCM sont classés comme un type capacitif de matériaux d’isolation car ils ralentissent le flux de chaleur en absorbant la chaleur. Pendant des périodes élevées de température extérieure, le PCM fond et stocke une partie de la chaleur pendant qu’il transfère de l’extérieur à l’intérieur, et à des périodes basses de température extérieure, le PCM solidifie et libère la chaleur stockée., Pendant le processus de fusion, la chaleur spécifique du PCM augmente à plus de 100 fois, ce qui lui permet d’absorber une grande quantité d’énergie dans une quantité relativement faible de PCM. L’utilisation de PCM dans les matériaux de construction a été suggérée par Barkmann & Wessling (1975). Morikama, Suzuki, Okagawa et Kanki (1985) ont introduit le concept de l’encapsulation de PCM dans une matrice de polyester insaturé pour matériau de construction., Un examen récent du PCM pour les enveloppes de construction peut être trouvé dans les références (Osterman, Tyagi, Butala, Rahim, & Stritih, 2012; Pomianowski, Heiselberg, & Zhang, 2013; Soares, Costa, Gaspar, & Santos, 2013; Waqas & din, 2013). Selon la composante de l’enveloppe, la recherche pour PCM peut être classée en trois groupes: Briques, toits et fenêtres., Pour les briques, Alawadhi (2008) a présenté une analyse thermique de briques avec des creux cylindriques remplis de PCM, et les résultats indiquent que le gain de chaleur peut être réduit de 17,55% pour certaines conditions de conception et météorologiques. Zhang, Chen, Wu, & Shi (2011) a rapporté les caractéristiques thermiques de la brique avec PCM sous une température extérieure fluctuante réelle. La réponse thermique représentée par la température de surface du mur intérieur du mur de briques rempli de PCM est évaluée et comparée à celle du mur de briques pleines., Chwieduk (2013) a publié un article sur la possibilité de remplacer les briques externes de masse thermique épaisse et lourde utilisées dans les pays à haute latitude par des briques de masse thermique mince et légère. L’effet de l’orientation, de la position de la couche PCM, de la température de changement de phase et des conditions météorologiques a été étudié par Izquierdo-Barrientos et al. (2012), et ils ont constaté que le PCM aide à réduire le maximum et l’amplitude du flux thermique instantané.
pour les toits, Alawadhi& Alqallaf (2011) a étudié un toit en béton avec des trous de tronc de cône verticaux remplis de PCM., L’Objectif du toit PCM est de réduire le flux de chaleur de l’extérieur vers l’intérieur en augmentant la masse thermique du toit. La forme des conteneurs PCM maintient la résistance physique du toit, peut être remplacée facilement si nécessaire et permet au PCM de se dilater pendant le processus de fusion dans la direction ascendante. Le flux de chaleur à la surface intérieure du toit peut être réduit de 39%, Comme indiqué., L’analyse numérique du transfert de chaleur à travers la structure du toit avec PCM est réalisée par Ravikumar & Sirinivasan (2011), et une réduction d’environ 56% du gain de chaleur dans la pièce est obtenue avec une structure de toit PCM par rapport à un toit conventionnel. D’autre part, le concept de doubles couches de PCM dans un toit de bâtiment a été proposé par Pasupathy & Velraj (2008) pour une gestion thermique toute l’année. La double couche de PCM dans le toit est recommandée pour réduire le flux de chaleur à travers le toit.,
la recherche pour PCM dans windows a également été réalisée en tant que technique pour réduire le gain de chaleur à travers windows. Les fenêtres représentent un grand pourcentage du gain de chaleur pendant la journée, et l’énergie pénètre dans les fenêtres par le rayonnement solaire et la convection. Par conséquent, la réduction du gain de chaleur à travers les fenêtres est le facteur clé pour économiser l’énergie dans les bâtiments, et pour réduire le gain de chaleur, des volets extérieurs sont installés pour éliminer l’effet du rayonnement solaire., Un volet de fenêtre rempli de PCM a été proposé et analysé par Alawadhi (2012), et une étude paramétrique est menée pour évaluer l’effet de différents paramètres de conception, tels que le type et la quantité de PCM dans l’obturateur. Il a été rapporté que la température de fusion du PCM devrait être proche de la température extérieure maximale pendant la journée et que la quantité de PCM devrait être suffisante pour absorber de grandes quantités de gain de chaleur. Goia et coll. (2012) ont décrit le comportement thermo-physique des configurations de systèmes de vitrage PCM., Les fenêtres en verre remplies de PCM pour réduire le rayonnement solaire entrant dans l’espace intérieur par les fenêtres ont également été étudiées (Ismail, Salinas, & Henriquez, 2008), et l’efficacité du système est comparée aux fenêtres remplies de gaz réfléchissants.
