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Development, characterization and evaluation of switchable façade elements

Développement, Caractérisation et Évaluation d’Éléments de Façades Commutables
 
: Pflug, Thibault
: Kuhn, Tilmann; Maurer, Christoph

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-n-4383008 (5.2 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 9d25923105cdbf083fe65ca4d8face95
Created on: 14.3.2017


Strasbourg, 2016, 187 pp.
Strasbourg, Univ., Diss., 2016
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISE ()

Abstract
The new building energy regulations in Europe imply always better insulated building facades. The increase of the building insulation level reduces significantly the heating energy demand of buildings. However, it can also increase prevent the building to cool down during the cooling period, when the external conditions are favorable, which can create additional cooling loads and overheating in summer. In this thesis, the concept of façade elements with switchable thermal properties, or switchable insulation, is developed. Switchable insulations are insulation systems that can be deactivated whenever it is of advantage considering the external conditions. The overall heat transfer coefficient of the façade, the U-value, can then be switched from a low, insulating value, to a high, heat conducting value: during the cooling period, this can be used to cool down the building’s mass during the night or colder periods. During the heating period, the switchable insulation can be used to whenever it is warm outside and solar gains can be used. In this thesis the potential of switchable insulation for an European continental climate and for office buildings is investigated. Also, two new concepts of switchable insulation are introduced and developed. The new façade elements are characterized experimentally, with numerous U-value and optical properties measurements. For the first technology, a detailed thermal nodal model has been introduced, validated and used to assess the impact of relevant parameters on the performance of the new façade element. The second new façade element has been investigated from individual forms of heat transfer on the level of an air cavity to the level of a whole façade element. A prototype has been tested experimentally. The potential of switchable insulation in general and the two new elements in particular is investigated on a building level, using building energy simulation. Several control strategies have been developed, introduced and compared. The influence of thermal mass on the reduction of heating and cooling demand was also investigated, as well as the influence of the orientation or the elements’ frame. It was shown that the heating and cooling demand can be reduced by up to 30 % by using switchable insulations.

 

Les nouvelles réglementations énergétiques en Europe impliquent des façades de bâtiments mieux isolées. L'augmentation du niveau d'isolation des bâtiments permet de réduire considérablement les besoins de chauffage. Cependant, ces résistances thermiques importantes des parois peuvent aussi diminuer le refroidissement du bâtiment en été, quand les conditions extérieures sont favorables. Ceci peut créer des charges de refroidissement supplémentaires et cause des surchauffes en été. Dans cette thèse, le concept d’éléments de façade à propriétés thermiques commutables, ou isolations commutable, est développé. Les isolations commutables sont des systèmes d'isolation qui peuvent être désactivés à chaque fois qu'il est possible de profiter des conditions extérieures pour diminuer les besoins de refroidissement ou de chauffage du bâtiment. Le coefficient de transmission thermique de la façade U peut alors être commuté d'une faible valeur (état isolant) à valeur élevée (état conducteur): pendant les périodes de refroidissement, cela peut être utilisé pour refroidir la masse du bâtiment pendant la nuit ou quand il fait plus froid à l’extérieur qu’à l’intérieur. Pendant les périodes de chauffage, ce concept peut être utilisé à chaque fois qu'il que les températures extérieures sont assez chaudes ou que les gains solaires peuvent être utilisés. Dans cette thèse, le potentiel des isolations commutables pour un climat continental européen est étudié. En outre, deux nouveaux concepts d'isolations commutables sont introduits et développés. Les nouveaux éléments de façade sont caractérisés expérimentalement, avec de nombreuses mesures de la valeur de U ainsi que des mesures des propriétés optiques. Pour la première technologie présentée, un modèle nodal détaillé a été mis en place, validé et utilisé pour évaluer l'impact des paramètres les plus pertinents sur la performance énergétique du nouvel élément de façade. Le second nouvel élément de façade a été étudiée en allant des transferts de chaleurs dans une cavité d’air jusqu’à l’élément de façade dans son ensemble. Un prototype a été testé expérimentalement. Le potentiel des isolations commutables en général et des deux nouveaux éléments en particulier a été étudié au niveau en utilisant la simulation énergétique dynamique du bâtiment. Plusieurs stratégies de contrôle ont été mises au point, introduites et comparées. L'influence de la masse thermique sur les réductions des besoins de chauffage et refroidissement a également été étudiée, ainsi que l'influence de l'orientation ou du cadre des éléments. Il a été montré que les besoins de chauffage et de refroidissement être réduits jusqu'à 30 % grâce aux isolations commutables.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-438300.html