Energy and Buildings 54 (2012) 320–336 Contents lists available at SciVerse ScienceDirect Energy and Buildings j our na l ho me p age: www.elsevier.com/locate/enbuild Review Heat transfer modeling in vacuum insulation panels containing nanoporous silicas—A review Mathias Bouquerel a,b,∗ , Thierry Duforestel a , Dominique Baillis c , Gilles Rusaouen b a EDF R&D, Dpt EnerBAT, Av. des Renardières, Ecuelles, 77818 Moret-sur-Loing Cedex, France b CETHIL (Centre de Thermique de Lyon), UMR 5008, INSA de Lyon, Bât. Sadi CARNOT, 9 rue de la physique, 69621 Villeurbanne Cedex, France c LaMCoS (Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures), UMR 5259, INSA de Lyon, Bât. Jean d’Alembert, 18-20 rue des Sciences, 69621 Villeurbanne Cedex, France a r t i c l e i n f o Article history: Received 29 May 2012 Received in revised form 24 July 2012 Accepted 29 July 2012 Keywords: Vacuum insulation panel (VIP) Super insulation Heat transfer modeling Thermal conductivity Nanoporous silica a b s t r a c t A vacuum insulation panel (VIP) is a very efficient thermal insulation system for buildings. A porous core material structure is evacuated and wrapped into a gas barrier envelope. Thanks to the low pressure, the total conductivity measured is as low as 5 mW/(m K) for best panels, six to ten times lower than conventional insulation materials. Thin insulation systems with very high thermal performance can thus be designed with VIPs. Heat transfer modeling in these panels is complex, resulting on four contribu- tions of heat fluxes: radiative transfer, solid conduction, gaseous transfer, and envelope thermal bridge. These last years, several approaches have been investigated to estimate the contribution of each heat transfer mode. A complete first review on heat transfer modeling in vacuum insulation panels containing nanoporous silicas is conducted. Monolithic aerogel but also granular aerogels and nanoporous powders (pyrogenic and precipitated) are considered in this review. The parameters that play a key role in the total heat transfer are identified. A special emphasis is put to discuss the influence of pressure and humidity on the total conductivity. The results synthesis can be used to set up a design strategy to minimize the thermal conductivity and to understand the main aging mechanisms. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved. Contents 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 2. Heat transfer in nanoporous silicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 2.1. Description of the core material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 2.2. Heat transfer modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 2.3. Radiative heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 2.3.1. Rosseland approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 2.3.2. Rayleigh approximation for particle scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 2.3.3. Mie solution of Maxwell equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 2.3.4. Simplified model of thin-wall hollow microspheres in the visible range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 2.3.5. “Scattering by absorption” effect in the near-infrared range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 2.4. Conductive heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 2.4.1. Phonon diffusion model in monolithic aerogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 2.4.2. Granular aerogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 2.4.3. Empirical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 2.4.4. Kamiuto’s model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 2.4.5. Geometrical description and thermal conduction resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 2.4.6. Solid conduction heat transfer—synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 2.5. Gaseous heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 2.5.1. Confinement and porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 2.5.2. Knudsen relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 ∗ Corresponding author at: EDF R&D, Dpt EnerBAT, Av. des Renardières, Ecuelles, 77818 Moret-sur-Loing Cedex, France. Tel.: +33 1 60 73 69 57; fax: +33 1 60 73 65 39. E-mail address: mathias.bouquerel@ponts.org (M. Bouquerel). 0378-7788/$ – see front matter © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.07.034