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Modelling of long-term thermal behaviour of vacuum insulation panels : (VIP)

By Antoine Batard

Abstract

On peut distinguer deux familles d'isolants thermiques pour le bâtiment : les isolants dits traditionnels et les super-isolants qui se caractérisent par un pouvoir isolant plus performant qu'une simple lame d'air immobile (25 mW/m/K). Les Panneaux Isolants sous Vide (PIV) font partie de cette seconde catégorie. Un PIV n'est pas un matériau homogène, mais un système constitué d'un matériau de cœur mis sous vide et enfermé dans une enveloppe. La performance thermique du PIV repose sur la structure nano-poreuse du matériau de cœur et du vide primaire maintenu par l'enveloppe qui possède une très faible perméabilité aux gaz. Alors que les isolants traditionnels ont des conductivités thermiques allant de 21 mW/m/K pour la mousse polyuréthane à 50 mW/m/K pour les laines les moins performantes, celle des PIV est d'environ 4 mW/m/K à l'état neuf. Cependant, comme tout isolant, leur performance se dégrade dans le temps. Cette diminution de conductivité thermique est davantage préjudiciable pour les PIV à cause de leur très bonne performance initiale et de leur coût encore élevé. Il convient donc d'étudier l'évolution de leur performance thermique sur l'ensemble de leur durée de vie dans le bâtiment, c'est à dire 50 ans. Pour cela la modélisation a été choisie comme outil car l'expérimentation ne peut satisfaire ces durées d'étude. L'étude du comportement thermique des PIV passe par différents axes de recherches intervenant à différentes échelles.Le premier concerne les mécanismes de transferts des gaz à travers les enveloppes des PIV, aussi appelés complexes barrières. L'enjeu est d'améliorer notre compréhension sur les relations qui existent entre les propriétés morphologiques des complexes barrières et les phénomènes de diffusion de la vapeur d'eau et de l'air sec à travers les différentes couches de matériaux qui constituent ces complexes barrières. Les résultats obtenus ne permettent pas encore de proposer un modèle de diffusion juste à cette échelle, mais mettent en avant certaines tendances et mécanismes physiques qui ouvrent de nouvelles pistes d'exploration.Le deuxième axe de recherche s'intéresse au comportement hygro-thermique à l'échelle des panneaux. Un modèle numérique de PIV a été développé afin de prendre en compte ses propriétés géométriques, thermiques et hydriques dans le calcul la performance thermique globale du panneau. Le modèle intègre le vieillissement du matériau de cœur par la modification de son isotherme de sorption à la vapeur d'eau. Des PIV fabriqués avec différents types de matériaux de cœur sont étudiés dans différentes conditions constantes en température et humidité. Les résultats des simulations permettent de mieux comprendre l'évolution de la conductivité thermique des PIV, d'analyser leur comportement global et de déterminer les principales caractéristiques qui sont déterminantes pour améliorer leur performance.Enfin, la troisième partie des travaux de recherche est consacrée au développement d'une méthode d'analyse de la performance des PIV en conditions réelles d'installation dans un bâtiment, dans différent climats français et plusieurs applications d'isolation. L'objectif est tout d'abord de déterminer les sollicitations réelles auxquelles sont soumis les PIV mis en œuvre, et ensuite de simuler leur comportement thermique à long terme afin de prédire leur performance moyenne. Les résultats donnent des températures et humidités qui sont très variables selon les climats, les systèmes d'isolation et les saisons de l'année, mais celles-ci restent finalement relativement modérées. La performance thermique moyenne des PIV sur 50 ans dépend très peu des applications, mais plus des climats et encore plus du type de silice qui constitue leur matériau de cœur. Contrairement à ce que laissent supposer les essais à court terme, les silices hydrophobes sont les plus favorables. Selon les applications et les climats, la conductivité thermique moyenne des PIV peut varier entre 4,7 et 7,3 mW/m/K.Two types of thermal insulation materials exist for building application: the conventional insulation and the super-insulation materials which is characterized by an insulating performance higher than that of a simple layer of still air 25 mW/m/K). Vacuum Insulation Panels (VIP) belong to the second category. VIP is not a homogeneous material, but a product consisting of a core material maintained under vacuum by an envelope. The thermal performance of VIP is based on the nanoporous property of the core material and on the vacuum maintained by the envelope which has a very high gas barrier properties. While conventional insulation material has a thermal conductivity values from 21 mW/m/K for polyurethane foams to 50 mW/m/K for the worst wools, that of new VIPs is around 4 mW/m/K. Nevertheless, like every insulation materials, their performance degrades over time. This increase of thermal conductivity is even more detrimental for VIPs because of their very high initial performance and of their high cost. It is therefore important to study their thermal performance evolution over all their service-life in building, over 50 years. In order to manage this, modelling has been chosen, because experiments cannot be realised over such long periods. Studying the thermal performance of VIPs is going through different research topics which take place at different scales.The first one concerns the gas transfer mechanisms through the VIPs’ envelope, also called barrier complexes. The challenge is to improve our understanding of the relationship between the barrier complexes morphological properties and the water vapour and dry air diffusion phenomena through the different layers of materials which compose these barrier complexes. The results do not allow to provide a correct model at this scale, but put forward some trends and physical mechanisms that open up new avenues of exploration.The second research topic is focused on the hygro-thermal behaviour at panels’ scale. A numerical model of VIP has been developed in order to take into account its geometric, thermal and hygric properties in the global thermal performance calculation of the panel. The model integrates the ageing process of the core material by moving its water vapour sorption isotherm. VIPs made with different types of core material has been studied in different constant conditions of temperature and humidity. Simulation results allow to better understand the thermal conductivity evolution of VIPs, to analyse their global behaviour and to determine the main characteristics which are relevant to improve their performance.Then, the third part of the research studies is dedicated to the development of a method which allows to analyse the VIPs’ performance in real conditions of installation in building, in different French climate conditions and several insulation applications. The aim is first to determine the real solicitations imposed on VIP, and then to simulate their long-term thermal performance in order to predict their mean performance. Results show a large dispersion of solicitations submitted to VIPs according to the climate conditions and insulation systems. Temperatures and humidities are highly variable according to the seasons, but finally remain relatively moderate. It is turns out that the mean thermal performance of VIPs over 50 years differs little from applications, but more from climate conditions and even more from the type of silica used for the core material. Contrary to what the short term tests would suggest, hydrophobic silicas are most favourable. The mean thermal conductivity of VIPs can varies between 4.7 and 7.3 mW/m/K

Topics: Thermique, Panneau, Isolation, Vide, Piv, Comportement, Thermal, Vacuum, Insulation, Panel, Vip, Performence, 620
Year: 2017
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Provided by: Theses.fr
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