Optical and energy performance analysis of multi-layer glazing systems incorporating solid-solid phase change materials

Arasteh, Hossein (2026). Optical and energy performance analysis of multi-layer glazing systems incorporating solid-solid phase change materials. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Glazing systems represent one of the most energy-sensitive components of the building envelope due to their low thermal inertia and high solar transmittance, particularly in highly glazed buildings. Integrating phase change materials into fenestration systems has emerged as a promising passive strategy to enhance thermal regulation; however, achieving energy benefits without compromising optical performance and ensuring climate-appropriate behavior remain key challenges. This thesis investigates the optical and energy performance of multilayer glazing systems incorporating solid–solid phase change materials as latent thermal energy storage media. Advanced numerical modeling based on computational fluid dynamics and finite volume methods is employed to simulate transient heat transfer, radiative exchange, phase transition behavior, and natural convection within glazing cavities under realistic climatic boundary conditions. The performance of the proposed glazing systems is evaluated across multiple climates, orientations, and extreme weather conditions. The results demonstrate that solid–solid phase change materials can enhance thermal inertia and reduce heating and cooling demands in heating-dominated and mixed climates when appropriate phase transition temperatures and material properties are selected. The effectiveness of the proposed system is shown to be strongly climate-dependent. In heating-dominated climates, such as Montreal, natural convection plays a negligible role under summer conditions, while exerting a significant influence on phase transition dynamics and overall energy performance during winter. Optical analyses further confirm that carefully designed phase change material layers allow full visual transparency during occupied hours, supporting their applicability in commercial and office buildings. Overall, this thesis provides a comprehensive, physics-based assessment of phase change material-enhanced glazing systems and offers quantitative insights and design guidance to support the development of energy-efficient and climate-responsive smart fenestration technologies.

Titre traduit

Analyse des performances optiques et énergétiques de systèmes de vitrage multicouches intégrant des matériaux à changement de phase solide–solide

Résumé traduit

Les systèmes de vitrage constituent l’un des composants les plus sensibles du point de vue énergétique de l’enveloppe du bâtiment en raison de leur faible inertie thermique et de leur forte transmittance solaire, en particulier dans les bâtiments fortement vitrés. L’intégration de matériaux à changement de phase dans les systèmes de fenestration est apparue comme une stratégie passive prometteuse pour améliorer la régulation thermique; toutefois, l’obtention de gains énergétiques sans compromettre les performances optiques et en assurant un comportement adapté aux conditions climatiques demeure un défi majeur. Cette thèse examine les performances optiques et énergétiques de systèmes de vitrage multicouches intégrant des matériaux à changement de phase solide–solide comme dispositifs de stockage latent d’énergie thermique. Une modélisation numérique avancée, fondée sur la dynamique des fluides numérique et la méthode des volumes finis, est mise en œuvre afin de simuler les transferts thermiques transitoires, les échanges radiatifs, le comportement de transition de phase ainsi que la convection naturelle au sein des cavités de vitrage sous des conditions climatiques réalistes. Les performances des systèmes de vitrage proposés sont évaluées pour différents climats, orientations et scénarios météorologiques extrêmes. Les résultats montrent que les matériaux à changement de phase solide–solide peuvent accroître l’inertie thermique et réduire les besoins en chauffage et en climatisation dans les climats à prédominance de chauffage et les climats mixtes, lorsque des températures de transition de phase et des propriétés matérielles appropriées sont sélectionnées. L’efficacité du système proposé se révèle fortement dépendante du climat. Dans les climats à prédominance de chauffage, tels que celui de Montréal, la convection naturelle joue un rôle négligeable en conditions estivales, tout en exerçant une influence significative sur la dynamique de transition de phase et les performances énergétiques globales en période hivernale. Les analyses optiques confirment en outre que des couches de matériaux à changement de phase soigneusement conçues permettent de maintenir une transparence visuelle complète durant les heures d’occupation, ce qui en favorise l’application dans les bâtiments commerciaux et de bureaux. Globalement, cette thèse propose une évaluation complète et fondée sur la physique des systèmes de vitrage intégrant des matériaux à changement de phase et fournit des éléments quantitatifs ainsi que des orientations de conception pour le développement de technologies de fenestration intelligentes, écoénergétiques et adaptées aux conditions climatiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibiliographiques (pages 261-280).
Mots-clés libres:	matériaux à changement de phase solide–solide, systèmes de vitrage intelligents, énergie des bâtiments, performance optique, dynamique des fluides numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Maref, Wahid
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Saber, Hamed H.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 août 2026 19:09
Dernière modification:	03 août 2026 19:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4052

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