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Sep 07, 2023

Évaluation expérimentale des performances thermiques et d'éclairage à l'aide d'un double vitrage à isolation dynamique

Date : 24 novembre 2022 Auteurs : Abdultawab M. Qahtan & Abdulkarem HM

Date : 24 novembre 2022

Auteurs : Abdultawab M. Qahtan et Abdulkarem HM Almawgani

Source:Bâtiments2022 , 12(8), 1249 ; https://doi.org/10.3390/buildings12081249

Concevoir des fenêtres dans des climats chauds qui permettent aux occupants de contrôler facilement leurs préférences dans une maison intelligente est d'une importance considérable. Cet article vise à contribuer à ce sujet en examinant le potentiel d'un système de fenêtre intelligent doté d'un double vitrage isolant dynamique (DDIG) pour empêcher le gain de chaleur et maximiser la lumière du jour à l'intérieur, en tenant compte de la protection intelligente de la vie privée de jour comme de nuit. Un modèle à petite échelle a été développé pour examiner le système de fenêtre proposé. La température de la cellule d'essai, la température de la surface du verre et le lux d'éclairage intérieur ont été étudiés.

Les résultats ont montré que le DDIG avait un contrôle élevé de la chaleur solaire à l'intérieur de la cellule d'essai, avec une réduction significative de 2,5 °C par rapport au vitrage commun en verre translucide utilisé dans la ville de Najran, en Arabie saoudite. À des intensités d'irradiation solaire élevées, aucune différence significative dans le contrôle du gain de chaleur vers la cellule d'essai n'a été trouvée entre le DDIG coloré (DDIG-colo) et le DDIG transparent (DDIG-trans). Une réduction progressive entre DDIG-trans et DDIG-colo a été trouvée avec une intensité solaire décroissante, qui s'est avérée être de 15 %, 10 % et 8,7 % à des intensités d'irradiation de 200, 400 et 600 W/m², respectivement. Les transparents DDIG ont maintenu le lux d'éclairage avec une réduction plus élevée sous une faible irradiation solaire. Le DDIG a également assuré la protection de la vie privée et accordé des préférences aux utilisateurs pour les connexions extérieures.

La conception soignée des fenêtres dans les bâtiments permet des économies d'énergie suffisantes [1] et un confort visuel approprié pour les occupants [2]. Dans les climats chauds, par rapport aux murs, les fenêtres sont une source majeure de gain de chaleur [3,4]. L'efficacité énergétique des fenêtres est principalement obtenue en concevant des fenêtres pour contrôler le gain de chaleur solaire [1]. Le contrôle du gain de chaleur solaire à travers le vitrage des fenêtres peut se faire de deux manières. La première consiste à bloquer le rayonnement solaire direct, qui traverse le vitrage sous forme de rayonnement à ondes courtes et forme alors un effet de serre dans l'environnement clos [5]. Cette approche peut être contrôlée par l'ombrage de la fenêtre [6].

La deuxième méthode consiste à réduire le flux de chaleur (IR à ondes longues) à travers les fenêtres, qui est déterminé par la différence de température de l'air entre l'intérieur et l'extérieur [7]. Ici, la réduction de l'émissivité des surfaces vitrées est un choix et peut être obtenue par des revêtements réfléchissant la chaleur [8]. Cependant, dans les climats chauds et arides, il est difficile de contrôler le gain de chaleur par les vitrages conventionnels. L'examen du marché de la ville de Najran, en Arabie saoudite, où cette étude a été menée, a montré que les vitrages de fenêtre typiques utilisés dans les bâtiments résidentiels sont le verre translucide (verre à tête d'épingle PG principalement utilisé à des fins d'intimité) et le verre teinté. Atteindre l'intimité avec le verre translucide présente de nombreux aspects négatifs, tels qu'un contrôle minimal du gain de chaleur et une inflexibilité avec la vue et la connexion extérieures.

Le verre teinté est disponible en plusieurs couleurs (bronze, vert et gris) et a une valeur U inférieure à celle du verre translucide de PG. Dans les climats chauds et arides, le principal inconvénient du verre teinté est qu'il absorbe une grande quantité de rayonnement infrarouge (IR). Dans le climat chaud d'été de Najran, où les températures de l'air extérieur peuvent culminer à 43 °C [9], l'IR à ondes longues (chaleur) augmente la température de surface du vitrage teinté, qui est finalement transmise à l'intérieur [4]. Les vitrages teintés entraînent également une réduction de la lumière visible en fonction du degré de teinte [10,11], de l'orientation de la fenêtre et de la saison [12].

Le verre à faible émissivité réfléchissant la chaleur est le choix préféré pour les environnements à haute température de l'air extérieur en raison de sa capacité à réfléchir l'énergie thermique dans l'espace environnant [13]. Autrement dit, si la surface est tournée vers l'extérieur, la chaleur est alors évacuée vers l'extérieur du bâtiment. Pour maintenir la durabilité du revêtement à faible émissivité, un double vitrage avec vide doit être utilisé [14]. En climat chaud, une couche à faible émissivité doit être appliquée sur la vitre intermédiaire et extérieure du double vitrage pour protéger l'intérieur du rayonnement thermique [15]. Cette double couche à faible émissivité doit également être intégrée à du verre teinté pour réduire le gain de chaleur solaire direct optique [16].

Cependant, cette teinte fait en sorte que le verre à faible émissivité réduit l'éclairage de la lumière du jour à l'intérieur et n'a aucune flexibilité pour répondre aux différents moments de la journée et aux conditions météorologiques. En particulier, il ne peut pas facilement fournir une protection de la vie privée la nuit. Ainsi, une teinte (film) intelligente et dynamique intégrée à un double vitrage clair low-e est nécessaire. Ceci est particulièrement important pour les bâtiments résidentiels dans les sociétés conservatrices, où le vitrage des fenêtres nécessite une sélection rigoureuse pour améliorer le bien-être des locataires en offrant une vue acceptable sur l'extérieur [17] sans diminuer la protection de la vie privée.

Une fenêtre pour l'intimité jour et nuit dans les bâtiments résidentiels est importante pour le confort. Les solutions typiques pour obtenir de l'intimité comprennent les stores et les stores ; ont cependant des limites. Par exemple, ils assombrissent un espace et réduisent la connexion extérieure. D'autre part, les vitrages colorés et teintés peuvent améliorer l'intimité de la maison pendant la journée mais ne fournissent pas d'intimité la nuit. Il réduit également l'éclairage naturel pendant la journée [10,11]. Actuellement, il n'existe pas sur le marché de vitrage de fenêtre qui puisse fournir à la fois intimité et connexion extérieure pendant la journée et la nuit.

Dans ce contexte, une solution unique est un système de fenêtre qui intègre un verre intelligent et dynamique. Les types de verre intelligent les plus populaires sont les cristaux liquides électrochromiques (EC) et polymères dispersés (PDLC). Ces types de verre intelligent avec des signaux électriques peuvent permettre une transmission de la lumière du jour plus élevée dans les deux états de transparent et translucide [18]. Ils diminuent également la transmission du rayonnement solaire sans avoir besoin de dispositifs d'ombrage, tels que des stores [19], et peuvent également être utilisés pour la protection de la vie privée [20]. L'utilisation de l'EC présente certains inconvénients, notamment une vitesse de commutation lente et des coûts de production élevés [21]. Cependant, le PDLC est le verre intelligent le plus économique [22] et a une vitesse de réponse rapide avec un taux de coloration de 1 s ou moins [23].

Plusieurs études ont été menées sur les vitrages de fenêtre avec un film PDLC. Hemaida et al. [24] ont étudié l'effet des fenêtres PDLC sur la performance énergétique globale des immeubles de bureaux en utilisant un programme de simulation sous deux zones climatiques contrastées : un climat aride (Riyad, Arabie saoudite) et un climat tempéré (Londres, Royaume-Uni). Ils ont conclu que la fenêtre PDLC était plus efficace avec une réduction de refroidissement de 12,8 % (climat aride) qu'une réduction de chauffage de 4,9 % (climat tempéré). Ils ont également constaté que le PDLC offrait un excellent éclairement intérieur dans les deux climats.

Dans une autre étude, Hemaida et al. [22] ont examiné les performances optiques et thermiques d'un système de vitrage PDLC pour les états translucides et transparents. Une cellule de test à petite échelle équipée d'un vitrage PDLC a été exposée à des irradiations solaires de 1000, 800, 600 et 40 W/m² pendant 3 h. La principale découverte était que le système de vitrage PDLC présentait des performances thermiques efficaces pour le chauffage dans un climat froid, avec des valeurs de coefficient de gain de chaleur solaire SHGC de 0,68 pour les états transparents et de 0,63 pour les états translucides. Ghosh et Mallick [25] ont tenté de trouver les caractéristiques optiques des vitrages PDLC pour les applications de construction.

Ils ont découvert que l'état transparent PDLC offrait une transmission du rayonnement solaire (longueurs d'onde allant de 300 à 2500 nm) de 41 %, tandis que celle de l'état translucide était de 23 %. Ah et al. [26] ont évalué les propriétés optiques de quatre types de films PDLC et ont conclu que le film PDLC réduisait la consommation d'énergie annuelle du bâtiment et améliorait les performances de la lumière du jour tout en tenant compte de la prévention de l'éblouissement, qui est la fonction la plus fondamentale des dispositifs d'ombrage. Le tableau 1 résume les études antérieures menées sur les propriétés thermiques et éclairantes du PDLC dans les états transparent et translucide.

Tableau 1. Propriétés thermiques et éclairantes des vitrages PDLC.

En résumé, dans le concept de maison intelligente, l'une des principales caractéristiques de soutien est la capacité de surveiller les changements dynamiques du rayonnement solaire, puis d'utiliser des fenêtres intelligentes pour fonctionner de manière économe en énergie [27,28]. Cette étude vise à étudier le potentiel d'un système de fenêtre intelligent doté d'un double vitrage isolant dynamique (DDIG) pour empêcher le gain de chaleur et maximiser la lumière naturelle à l'intérieur sans sacrifier la protection de la vie privée de la maison pendant le jour et la nuit. Ainsi, l'étude propose un système DDIG, à savoir un double vitrage avec un revêtement à faible émissivité sur la surface intérieure du vitrage extérieur, combiné à un film commutable PDLC sur la surface intérieure du second vitrage. L'importance de cette étude est que le système proposé aide à améliorer les performances thermiques et visuelles et fournit une protection dynamique de la vie privée pour les bâtiments résidentiels.

2. Méthodologie

Les méthodes expérimentales de base capables d'évaluer les performances des bâtiments sont les modèles expérimentaux à petite échelle, les modèles grandeur nature, les modèles analytiques et les modèles de simulation [29]. Cependant, le modèle à petite échelle est une technique expérimentale pour collecter des données sur les effets des nouveaux matériaux et des éléments nouvellement conçus dans les enveloppes des bâtiments [30]. Même si les performances thermiques et d'éclairage peuvent ne pas être les mêmes que celles de la pièce réelle dans des conditions extérieures, l'utilisation de cette méthode présente plusieurs avantages. Par exemple, il est beaucoup plus économique [29], facilement adaptable et fournit des données expérimentales qui peuvent être utilisées dans la modélisation et les simulations informatiques.

Pour étudier le système de vitrage proposé d'un système DDIG, des expériences de laboratoire ont été conçues en utilisant un modèle à petite échelle, ainsi que divers matériaux et équipements. Les paragraphes suivants décrivent le système DDIG, l'équipement utilisé pour examiner l'effet du système DDIG sur les performances thermiques et l'éclairage en lux à l'intérieur de la cellule d'essai et la capacité du système à assurer la protection de la vie privée du domicile.

2.1. Cellule d'essai, système de vitrage et instrumentation

Les mesures ont été effectuées dans une cellule d'essai environnemental à petite échelle de 80 cm de large, 80 cm de profondeur et 60 cm de haut, comme le montre la figure 1. La cellule d'essai a été construite de l'extérieur vers l'intérieur (contreplaqué 18 mm + isolation ARNON 10 mm + contreplaqué 6 mm). La cellule d'essai a été construite en double paroi avec un espace de 10 cm sur les deux parois latérales et de 20 cm sur la paroi arrière, formant des dimensions intérieures de 60 L × 60 W × 60 H pour une pièce cubique non meublée représentative du modèle réduit (1: 5). Les doubles parois offraient plus d'isolation et créaient une cavité sûre pour un enregistreur de données. Tous les murs intérieurs de la cellule ont été colorés avec de la peinture blanche.

Le mur avant (60 cm de large), qui avait une fenêtre de 30 cm × 30 cm, a entraîné un WWR de 25 %, soit 5 % de plus que celui recommandé par le Code du bâtiment saoudien de 20 % WWR [31]. En effet, les vendeurs fournissent des échantillons de vitrage limités à 30 cm × 30 cm. Le DDIG a été construit spécifiquement pour cette étude par l'industrie HUAKE TEK (verre clair à faible émissivité de 5 mm + entrefer de 12 mm + film PDLC + verre trempé clair de 5 mm), comme le montre la figure 1. Le film PDLC intégré dans un double verre à faible émissivité peut être contrôlé soit par l'utilisateur, soit automatiquement par l'environnement extérieur (température de l'air extérieur, rayonnement solaire extérieur, éclairement extérieur). Les propriétés optiques du PDLC ont été discutées plus tôt comme un résumé de plusieurs études précédentes (tableau 1).

La cellule de test était équipée de capteurs de température de surface, de température de l'air et de lux pour mesurer ses performances via le DDIG. Un enregistreur de données LSI R-Log a été utilisé pour mesurer la température de l'air à l'intérieur de la cellule de test et ambiante (salle de laboratoire), la température intérieure et extérieure de la surface du verre et l'éclairage en lux à l'intérieur de la cellule de test. Un thermomètre infrarouge Extech a été utilisé au début du test pour réduire l'incertitude de mesure. Un capteur BH1750FVI a été fixé au mur avant de la fenêtre et connecté à un Arduino pour un contrôle intelligent des transparences DDIG. Le tableau 2 comprend des informations sur les capteurs et leurs précisions.

Tableau 2. Caractérisation technique des capteurs et leurs précisions.

2.2. Simulateur solaire

Les simulateurs solaires sont utilisés dans des expériences en laboratoire avec un espace de construction réduit pour tester les facteurs affectant les bâtiments dans des conditions contrôlées. Les systèmes de simulation solaire sont coûteux, mais un simulateur solaire à faible coût peut être conçu en utilisant plusieurs types de lampes qui couvrent toute la gamme de longueurs d'onde d'irradiation. Étant donné que cette étude étudie les performances thermiques et d'éclairage d'un système de fenêtre, elle bénéficie des progrès des lampes aux halogénures métalliques avec une bonne correspondance spectrale avec la sortie solaire allant de 200 nm à bien au-delà de 2500 nm, et des températures allant de 5000 K à 6000 K (presque similaire aux 5800 K de la surface du soleil) [32,33,34]. La présente étude a été conçue un simulateur solaire utilisant une lampe aux halogénures métalliques blanc chaud Osram avec une puissance de 150 W et une température de 4000 K.

Les mesures ont utilisé un Arduino pour allumer et éteindre la lampe du simulateur. L'irradiation solaire a été simulée en faisant varier la luminosité de la lampe aux halogénures métalliques en ajustant la distance par rapport au système de fenêtre. La valeur d'irradiation solaire a été confirmée à l'aide d'un compteur Extech HD 450 lux qui mesure de 0,0 à 400 Klux, avec une précision de base de ± 5 %. Le facteur de conversion de l'éclairement lux en rayonnement solaire était de 1 W/m², soit 116 pour la lumière artificielle des simulateurs solaires et 120 pour la lumière naturelle extérieure [35]. Un capteur de lumière numérique BH1750FVI a été fixé sur un côté de la peau extérieure du système de vitrage et connecté à l'Arduino pour contrôler la transparence DDIG selon le programme d'expérience, qui comprenait 60 ou 120 min d'exposition à chacune des huit transparences différentes et 120 min de repos entre chaque cas.

2.3. Fonctionnement du contrôle dynamique du point de consigne

L'Arduino a ajusté le pourcentage de transparence du verre PDLC en fonction de l'opération de contrôle dynamique du point de consigne. Chaque cas de fonctionnement a duré 60 min (dans certains cas, 120 min), suivi de 120 min d'arrêt pour refroidir le système. La figure 2 illustre le schéma de circuit proposé, qui clarifie tous les composants du circuit électrique.

Le tableau 3 montre le calcul des résistances (Rcase et RL) dans différents cas de transparence. Les résistances fournissent la tension appropriée pour le gradient approprié comme suit :

Tableau 3. Mesure de résistance dans différents cas de transparence.

La tension variait de 2 V à 14 V, avec sept boîtiers pour fournir les sept transparences nécessaires du système PDLC proposé.

La résistance de PDLC a été mesurée, où RPDLC = 120 kΩ et Rs a été supposé être de 10 kΩ.

La résistance sur la charge se compose de deux résistances parallèles.

La valeur de la résistance d'état peut être dérivée de l'équation (1), et le résultat est le suivant :

La tension sur le PDLC en fonction du diviseur de tension est donnée :

Les différentes résistances de charge dans différents cas de l'équation (3) peuvent être dérivées comme suit :

L'équation (1) a été utilisée pour calculer les résistances dans chaque cas. Nous avons supposé que les sept scénarios du tableau 3 avec sept tensions allant de 2 à 14 volts produisaient des gradations distinctes sur le film PDLC. Dans chaque situation, la résistance de charge totale peut être calculée et une valeur peut être substituée dans l'équation (2) pour calculer Rcase.

Le tableau 3 ne montre aucune différence entre la résistance de charge et la résistance du boîtier. La raison de ce résultat est que la résistance de charge comprenait deux résistances parallèles, dont l'une était la résistance du film, qui avait une valeur très élevée par rapport à la résistance du boîtier. Selon les lois mathématiques, la somme de deux résistances parallèles, dont la première est très petite et la seconde très grande, équivaut à une approximation de la petite.

La figure 3 illustre l'organigramme du système DDIG proposé du flux de travail :

2.4. Système de Double Vitrage Isolant Dynamique, DDIG

Pour former un système de vitrage isolé dynamique unique pour les bâtiments résidentiels dans les climats chauds, le double vitrage avec film commutable PDLC a été appliqué sur la surface intérieure face à l'environnement de la cellule d'essai, combiné à un panneau extérieur avec une couche à faible émissivité appliquée sur la surface intérieure face à la cavité. Des transparences dynamiques ont été choisies pour faire face au rayonnement solaire dynamique pendant la journée. Cette technologie offrait également la flexibilité de passer à un état transparent pour fournir une connexion extérieure pendant la journée et de passer à un état coloré pour la protection de la vie privée la nuit.

Pour atteindre différentes transparences de DDIG, une tension différente pourrait être appliquée à la peau interne du système, qui avait un film PDLC utilisant un Arduino avec une tension de pas de 2 V à 14 V pour obtenir différents niveaux de transparence. Le tableau 4 montre le DDIG avec différentes transparences de film PDLC, en commençant par l'état coloré (t1-colo), suivi de t2 à t7 et se terminant par l'état transparent (t8-trans). Les photographies du tableau 4 ont été prises lorsque les deux faces du DDIG étaient exposées à la même intensité lumineuse.

Tableau 4. Photographies de différentes transparences DDIG par rapport à la tête d'épingle de 6 mm et au verre clair. Les deux côtés ont été exposés à la même illumination.

Le tableau 5 résume la conception des expériences avec les deux paramètres de conception, à savoir la transparence DDIG et l'intensité du rayonnement solaire impliquant 6 × 8 = 48 tests. La transparence dynamique de DDIG était contrôlée par un Arduino, fournissant huit transparences dégradées. Ces deux paramètres de conception ont été étudiés pour trois paramètres de réponse, à savoir la température de surface du vitrage, la température de l'air de la cellule d'essai et l'éclairement en lux dans la cellule d'essai. La figure 4 montre une photographie de la configuration expérimentale utilisée pour évaluer le système DDIG proposé.

Tableau 5. Conception des expériences, 48 ​​cas.

3.1. Évaluations comparatives-Base de référence

Les expériences de cette étude ont commencé par une enquête préliminaire visant à comparer le vitrage simple PG couramment utilisé dans les bâtiments résidentiels de Najran au système de vitrage DIG à double isolation (low-e). Commencer les expériences en comparant Clear Glass CG et PG à DIG (c'est-à-dire la ligne de base du système DDIG proposé) a fourni une image plus claire de la fiabilité des expériences et des mesures en raison des grandes différences dans les valeurs. Des comparaisons ont été effectuées sur la base des différences de température de l'air extérieur/intérieur et des surfaces vitrées, en plus des lux à l'intérieur de la cellule d'essai.

La figure 5 montre que la cellule d'essai a été exposée à un rayonnement solaire de 800 W/m2 et que la température ambiante (salle de laboratoire) est restée comprise entre 28,1 et 28,8 °C, la climatisation étant maintenue éteinte pendant la période d'expérimentation. D'autres facteurs, tels que la vitesse de l'air et l'humidité relative dans la salle de laboratoire, ont été considérés comme constants et négligeables, car aucun changement ne s'est produit dans l'ambiance de la salle de laboratoire pendant la période d'expérience.

La figure 5 compare la température de l'air et la température de surface du verre de CG, PG, DIG et DDIG-trans sous une irradiation solaire de 800 W/m2, ce qui correspond à la valeur maximale sur les surfaces horizontales pour les journées ensoleillées en été en Arabie Saoudite [36]. La comparaison de la température à l'intérieur de la cellule de test a montré que PG fonctionnait mieux que CG, avec une petite différence de 0,5 ° C après une exposition de 60 minutes à la lampe du simulateur solaire. Au cours de cette courte durée de test, le DIG a contribué de manière significative au contrôle du gain de chaleur à l'intérieur, avec une réduction de 2,2 °C par rapport au PG. L'application d'un film PDLC dans son état transparent sur la peau interne de DIG (DDIG-trans) a entraîné une légère amélioration (moins de 0,5 ° C) dans le contrôle du gain de chaleur solaire vers l'intérieur par rapport à la ligne de base de DIG.

La figure 5 montre également que la température de surface interne du DIG a atteint 38 °C avec une réduction d'environ 17 °C par rapport au PG commun, qui a une température de surface interne d'environ 55 °C. Une augmentation de la température de surface intérieure d'environ 3,3 ° C dans le tracé de DDIG-trans par rapport au verre intérieur de DIG peut être attribuée aux données spectrales du film PDLC sur la peau intérieure de DDIG, qui a plus d'absorption d'énergie solaire par rapport au verre clair du DIG.

Une enquête préliminaire a été menée sur la performance du système de vitrage proposé (DDIG) à son état transparent (DDIG-trans) par rapport au PG et DIG, qui sont utilisés dans les bâtiments résidentiels avec différents pourcentages d'utilisation. DIG s'est avéré être le moins utilisé en raison de son coût élevé. Cependant, l'utilisation de DIG présente également des inconvénients du fait de l'utilisation de la couleur (verre teinté), qui réduit la transmission lumineuse et limite la connexion extérieure claire et l'intimité des résidents, en particulier la nuit. Cependant, après avoir exploré les performances thermiques et lumineuses du système DDIG proposé, les sections suivantes fournissent des expériences approfondies et une discussion sur les transparences dynamiques de DDIG pour correspondre au rayonnement solaire dynamique et au jour/nuit.

3.2. Transparence dynamique de DDIG en fonction de la dynamique du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire varie au cours de la journée et selon les différentes façades et orientations du bâtiment. Ces variations nécessitent la conception de fenêtres dynamiques qui offrent de l'ombrage en période de forte intensité solaire en été, permettent le choix d'un éclairage naturel accru et d'une connexion extérieure en période de faible rayonnement solaire et tiennent compte de la protection intelligente de la vie privée des utilisateurs contre l'exposition à l'extérieur. Le système de fenêtre DDIG proposé, qui intègre un revêtement à faible émissivité et un ombrage dynamique du film PDLC, a été examiné sous différentes intensités d'irradiation solaire avec différentes transparences.

3.2.1. Performance thermique des différentes transparences du système DDIG

Les expériences approfondies ont porté sur 48 cas (tableau 5). Huit transparences différentes de DDIG (t1-t8) ont été exposées à un simulateur solaire intérieur constant à différentes intensités d'irradiation (à savoir 1000, 800, 600, 400 et 200 W/m2) pendant 60 minutes d'exposition. La température à l'extérieur de la cellule d'essai, c'est-à-dire la température du laboratoire, est restée comprise entre 28,1 et 28,8 °C. Les résultats sont tracés et démontrés dans le tableau 6 et discutés comme suit :

Tableau 6. Transparence dynamique du DDIG en fonction de différentes intensités d'irradiation solaire.

La figure 6 résume les résultats en comparant les différences de température entre la cellule de test et l'environnement ambiant. Les valeurs fournies sont une moyenne de 60 minutes d'exposition à la lampe du simulateur solaire pour les 48 cas. Une différence mineure dans la température de l'air intérieur (moins de contrôle du gain de chaleur) avec toutes les transparences de DDIG a été trouvée sous des irradiations solaires élevées de 1000 et 800 W/m².

Une amélioration de la capacité du DDIG à réduire le gain de chaleur s'est avérée inversement proportionnelle à l'intensité du rayonnement solaire, où l'efficacité du DDIG augmentait à mesure que le rayonnement solaire diminuait. De plus, les transparences examinées (en particulier t4, t5 et t6) n'avaient aucune variation significative dans le contrôle du gain de chaleur vers l'espace de la cellule d'essai sous toutes les intensités de rayonnement solaire. Les tracés linéaires de la figure 6 montrent que le DDIG coloré avait un meilleur contrôle de la chaleur sous une faible irradiation solaire que sous une irradiation solaire élevée.

3.2.2. Validation des performances thermiques DDIG des deux boîtiers : coloré et transparent

Les résultats ci-dessus ont montré qu'à une irradiation solaire élevée (par exemple, 800 W/m²), aucune différence significative n'a été trouvée entre les états t1-colo et t8-trans dans le contrôle de la transmission de chaleur vers l'intérieur. Pour une discussion plus approfondie et pour confirmer ces résultats, l'étude a répété l'expérience en augmentant le temps d'exposition à 120 min pour chaque cas. La figure 7 compare le cas de référence du DIG (double vitrage avec couche à faible émissivité appliquée sur le verre intérieur de la vitre extérieure) avec le système DDIG proposé dans ses deux états : l'état transparent (DDIG_t8-trans.) et l'état coloré (DDIG_t1-colo.).

Le côté gauche de la figure 7 compare les différences de température de l'air entre la température ambiante (salle de laboratoire) et l'intérieur de la cellule de test. Sous l'intensité d'irradiation de 800 W/m², les différences de température de l'air entre le DIG, le DDIG transparent et le DDIG coloré étaient respectivement de 3,8, 3,7 et 3,4 °C. Une différence plus faible indique de meilleures performances et un meilleur contrôle du gain de chaleur. Par conséquent, aucune différence sérieuse n'est apparue entre ces cas dans le contrôle du gain de chaleur, avec une petite préférence pour le DDIG coloré (t1-colo.) confirmant les résultats de la figure 6 et du tableau 6. Ces résultats concordent avec ceux enregistrés par les auteurs de [26], qui ont effectué une analyse de spectre PDLC et ont constaté que la transmission solaire était réduite de 15,8 % dans l'état coloré par rapport à l'état transparent.

De plus, nos résultats concordent avec ceux rapportés par les auteurs de [24], où l'état coloré du PDLC a atteint une réduction d'énergie annuelle de 12,8 % dans le climat chaud et aride de Riyad, en Arabie saoudite. En revanche, le résultat trouvé par les auteurs de [22] conclut que le PDLC coloré appliqué sur un vitrage simple augmente le gain de chaleur par rapport à son état transparent. Cependant, l'amélioration du contrôle du transfert de chaleur dans la présente étude peut être attribuée à l'intégration du film PDLC avec un vitrage isolant à faible émissivité dans une double fenêtre qui a formé le système DDIG proposé.

En termes de température de surface du verre avec une exposition de 120 min à la lampe du simulateur solaire, la figure 7 montre une augmentation rapide des différences de température des surfaces de vitrage du DDIG. Après 75 min, les différences de température ont commencé à s'installer et se sont maintenues à des valeurs approximativement égales dans les deux états, à savoir les états transparent et coloré. La ligne de base du DIG a montré une réponse différente, où la température de la surface du verre a continué d'augmenter à mesure que le système de fenêtre était exposé à la lampe du simulateur solaire. Cela indique l'avantage du DDIG dans le contrôle du gain de chaleur par rapport à la fenêtre de référence du DIG.

La figure 7 montre également que les différences entre les températures de surface de verre externe et interne du DIG, du DDIG transparent et du DDIG coloré étaient de 19,6, 16,5 et 17,9 °C, respectivement. Notamment, une différence plus faible a été trouvée au transparent-DDIG sous l'irradiation de 800 W/m². Après 120 min d'exposition, le verre extérieur de DDIG transparent et de DDIG coloré avait une température de surface d'environ 60,3 et 60,9 ° C, respectivement, tandis que la température de surface intérieure était de 43,8 ° C et 43,0 ° C, respectivement.

Cependant, la température de la surface intérieure du verre du DDIG est restée inférieure à celle de l'extérieur, entraînant une transmission d'énergie thermique plus faible vers l'intérieur. Cette constatation est en désaccord avec les résultats trouvés par les auteurs de [22], où la température de la surface intérieure du verre était supérieure à celle de la surface extérieure du verre, provoquant un flux de chaleur vers l'intérieur. L'amélioration du DDIG proposé peut être attribuée à son double vitrage, qui utilise du verre isolé à faible émissivité comme première peau et du PDLC comme seconde.

3.3. Transmission de l'éclairage et illumination Lux avec le système DDIG

La transmission de la lumière et l'éclairage de la cellule de test ont été examinés pour comprendre comment chaque cas se comporte en comparaison. En ce qui concerne l'éclairement intérieur, l'étude visait à déterminer dans quelle mesure un système DDIG avec une variété de transparences pouvait transmettre la lumière dans la cellule d'essai sous différentes irradiances du simulateur solaire de 100 W/m² à 1000 W/m².

La transmission lumineuse a été mesurée sur la cellule de test (mesure sur le terrain) à l'aide de deux luxmètres fixés de part et d'autre du système DDIG. L'un des luxmètres était fixé verticalement à la peau extérieure de la vitre extérieure, face à la lampe du simulateur solaire. Dans le même temps, le deuxième luxmètre était placé verticalement à l'arrière de la surface intérieure en verre qui faisait face à l'intérieur de la cellule de test pour mesurer la quantité de lumière qui traversait le DDIG. En raison de la brume du DDIG-colo, la lumière transmet à plus d'angles qu'un échantillon qui n'est pas brumeux. Cependant, pour une lecture précise, le luxmètre a été placé à 5 cm au-delà de la peau intérieure.

Un verre flotté transparent de 6 mm a été utilisé pour valider les résultats des tests de transmission lumineuse. Ainsi, la transmission lumineuse a été calculée pour le système DDIG en utilisant l'équation suivante.

où I = lumière transmise mesurée sur le verre intérieur du DDIG et Io = lumière incidente sur le verre extérieur du DDIG.

La figure 8 montre les transmissions lumineuses du système DDIG. La transmission lumineuse moyenne pour tous les rayonnements solaires était de 58 %, 24 % et 13 % pour le verre clair de 6 mm, l'état transparent (t8-trans) et coloré (t1-colo), respectivement. Pendant la faible irradiance solaire de 100 à 200 W/m², le DDIG offrait une transmission lumineuse supérieure de 32,5 % à t8-trans par rapport à 17 % à t1-colo. Cette variation indique que sous un faible rayonnement solaire, DDIG-t1-colo a pu fournir de la lumière à l'intérieur en plus du contrôle de l'éblouissement.

Sous l'irradiance solaire élevée de 600 à 1000 W/m², la transmission lumineuse variait entre 18% et 11% à t8-trans et t1-colo, respectivement. Avec l'observation directe, la protection de la vie privée à l'intérieur peut être obtenue avec la plage de t1-colo à t4, avec une transmission lumineuse moyenne variant entre 13 et 16 %, respectivement. Cependant, des études antérieures ont rapporté que le coefficient de trouble PDLC de t1-colo était de 71,4 % et t8 était de 6,4 % [22].

En termes de performances d'éclairage à l'intérieur de la cellule de test avec le système DDIG proposé, les mesures ont été prises à une hauteur de 150 mm au centre de la cellule de test. Les résultats sont fonction des différentes irradiations solaires et des différentes transparences DDIG. La figure 9 montre que le lux d'éclairage a progressivement augmenté avec l'augmentation de la transparence DDIG. Par exemple, l'éclairement à l'intérieur de la cellule de test à 800 W/m² est passé de 1430 lux à t1-colo à 1605 lux à t8-trans, soit une augmentation d'environ 10 %. De même, sous la faible irradiation solaire de 200 W/m², une augmentation d'environ 15 % des lux d'éclairement a été constatée de 690 lux avec t1-colo à 795 lux avec t8-trans. Les transparences dynamiques du DDIG ont montré plus de contrôle du lux d'éclairage à l'intérieur de la cellule de test sous une faible irradiation solaire que sous une forte irradiation solaire.

Ainsi, les transparences dynamiques du DDIG maintiennent mieux l'éclairement intérieur lux (lumière du jour) sous un éclairage du jour diffus que sous un ensoleillement direct. Cependant, le DDIG assurait toujours la protection de la vie privée et peut fournir un contrôle de l'éblouissement dû à la lumière du jour (en contrôlant la lumière directe du soleil). En comparant l'état coloré du DDIG (t1-colo) au PG commun, une forte réduction du lux d'éclairage s'est produite, avec une moyenne d'environ 60 % inférieure sous le DDIG à des irradiations solaires comprises entre 400 W/m² et W/m². Sous l'état coloré du DDIG, un ombrage de lumière plus visible a contribué à une plus grande protection de la vie privée, en plus de son effet sur le contrôle de la transmission thermique. La transparence dynamique du film PDLC intégré au vitrage à faible émissivité en tant que double vitrage (système DDIG) a fourni la flexibilité nécessaire pour répondre aux désirs des locataires en fonction du rayonnement solaire dynamique et de la protection de l'intimité de la maison tout au long de la journée et de la nuit.

3.4. Transparence optimale du système DDIG pour les habitations en climat chaud

L'importance des transparences dynamiques du système DDIG proposé pour les bâtiments résidentiels dans les climats chauds de la ville de Najran est due à sa capacité à répondre au rayonnement solaire dynamique qui contribue au contrôle de l'éblouissement dû à la lumière du jour et à la réduction du gain de chaleur, en particulier par rapport au vitrage conventionnel PG qui est principalement utilisé dans les bâtiments résidentiels de Najran. Le DDIG fournit également une protection dynamique de la vie privée et accorde une connexion extérieure en fonction des conditions extérieures.

Le concept répond à des consignes solaires sélectionnées (100 W/m² à 1000 W/m²) assorties à différentes transparences du DDIG (t1-colo à t8-trans). Il fonctionne par l'intégration entre deux capteurs de lux situés à l'extérieur et à l'intérieur des espaces, en plus d'un capteur de rayonnement solaire extérieur. Sur la base des résultats discutés précédemment, le tableau 7 résume les transparences optimales du DDIG par rapport au rayonnement solaire dynamique, à l'éclairement lux et à la protection de la vie privée. Les transparences optimales du DDIG ont été conclues comme suit.

Tableau 7. Transparences proposées du DDIG en fonction de l'irradiance solaire extérieure.

3.5. Limites de l'étude

Le système DDIG a été examiné avec une variété de transparences sous différentes irradiances solaires. Cependant, il était difficile de maintenir une irradiance solaire extérieure particulière de 100 W/m² à 1000 W/m² pour examiner les huit cas de DDIG (t1-colo à t8-trans) à chaque soleil individuel. Pour réduire les effets des conditions environnementales extérieures, un modèle à petite échelle a été utilisé pour obtenir des mesures précises du gain de chaleur solaire, des performances thermiques et de la transmission lumineuse du système DDIG dans un environnement intérieur en considérant uniquement le système de verre proposé. Cela a aidé à dessiner une transparence dynamique qui correspondait aux points de consigne de contrôle pour optimiser les performances du système DDIG. De plus, un modèle à petite échelle nécessitait peu de coûts et d'espace.

De plus, un simulateur solaire a été utilisé dans la présente expérience pour étudier les variables dans des conditions contrôlées et reproductibles. Une lampe aux halogénures métalliques a été utilisée car elle offre une bonne correspondance spectrale avec la production solaire, en particulier pour les applications thermiques. Ses sources lumineuses sont disponibles dans le commerce et ne nécessitent pas une alimentation électrique complexe et coûteuse [32,37]. Les lampes aux halogénures métalliques sont limitées fournissant un rendement stable, provoquant l'apparition de quelques fluctuations dans les résultats de cette étude, en particulier au début et à la fin de chaque cas. Pour surmonter cette faiblesse, les expériences ont été répétées en augmentant le temps d'exposition de 60 min à 120 min (comme le montre la figure 7). L'analyse a exclu 5 min du début et de la fin des mesures où la lampe était instable.

4.1. Performance thermique du système de fenêtre DDIG proposé

4.2. Transparences optimales avec points de consigne solaires

Le concept était la réponse de différentes transparences de DDIG (t1-colo à t8-trans) à des consignes solaires sélectionnées (100 W/m² à 1000 W/m²). En général, les transparences dynamiques du DDIG n'avaient aucune différence significative dans le contrôle du gain de chaleur à l'intérieur de la cellule de test.

4.3. En termes d'éclairement intérieur

L'état coloré de DDIG (t1-colo) a réduit l'éclairement lux sur le plan de travail de la cellule de test avec une moyenne d'environ 60 % par rapport au PG translucide sous toutes les intensités d'irradiation solaire de 400 W/m2 à 800 W/m2. Les transparences dynamiques du DDIG ont montré un meilleur contrôle du lux d'éclairage à l'intérieur de la cellule de test sous de faibles intensités de rayonnement solaire que sous des intensités de rayonnement solaire élevées. La transmission lumineuse moyenne (les luxmètres étaient fixés verticalement des deux côtés du DDIG) était de 58 %, 24 % et 13 % pour le CG de 6 mm, le DDIG-t8-trans et le DDIG-t1-colo, respectivement.

Pour une étude plus approfondie : Dans le climat chaud de l'Arabie Saoudite, la conception des fenêtres implique un gain de chaleur solaire en été qui est beaucoup plus critique que la perte de chaleur en hiver. Cependant, une étude future se concentrera sur un système de fenêtre réversible de DDIG qui a une vitre à faible émissivité tournée vers l'intérieur et une vitre PDLC tournée vers l'extérieur en hiver, par rapport à l'ordre inverse en été.

Le système DDIG pourrait être amélioré en intégrant un triple vitrage avec des doubles couches de film PDLC entre les deux pour augmenter la capacité du système en protection solaire et empêcher le rayonnement solaire absorbé de pénétrer à l'intérieur. Les résultats de ce travail seront bénéfiques pour les ingénieurs du bâtiment à intégrer dans la rénovation ou la conception d'un nouveau bâtiment basse consommation avec double vitrage commutable PDLC.

Contributions d'auteur

Conceptualisation, AMQ et AHMA ; Enquête, AMQ et AHMA; Méthodologie, AMQ et AHMA; Logiciel, AHMA ; Rédaction de la première ébauche, AMQ; Visualisation, AMQ Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Financement

Les auteurs remercient le doyen de la recherche scientifique de l'Université de Najran d'avoir financé ce travail dans le cadre du code de subvention du programme de financement général de la recherche (NU/-/SERC/10/562).

Déclaration du comité d'examen institutionnel

N'est pas applicable.

Déclaration de consentement éclairé

N'est pas applicable.

Déclaration de disponibilité des données

Les données utilisées pour étayer les conclusions de cette étude sont disponibles sur demande auprès des auteurs.

Les conflits d'intérêts

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents ou de relations personnelles connus qui auraient pu sembler influencer le travail rapporté dans cet article.