Étude expérimentale des performances énergétiques d’une fenêtre pariétodynamique équipée d’un vitrage chauffant

Experimental study of the energy performance of an airflow window equipped with a heating glass

• Auteur / Autrice : Alain Makhour
• Direction : Ghislain Michaux, Patrick Salagnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et thermique
• Date : Soutenance le 13/07/2021
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Didier Saury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ghislain Michaux, Patrick Salagnac, Didier Saury, Stéphane Lassue, Monica Siroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Lassue, Monica Siroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air ambiant intérieur

Constructions -- Économies d'énergie

Propriétés thermiques

Fenêtres

Habitations -- Chauffage et ventilation

Mots clés libres

Bâtiments

Fenêtre ventilée

Pariétodynamique

Ventilation

Étude expérimentale

Thermographie infrarouge

PIV

Confort thermique

QAI

Énergétique

Buildings

Ventilated window

Parietodynamic

Ventilation

Experimental study

Infrared thermography

PIV

Thermal comfort

IAQ

Energetics

Résumé

Dans le secteur du bâtiment, les parois vitrées et le renouvellement d’air représentent aujourd’hui deux points faibles majeurs de l’enveloppe du bâtiment en termes de performance énergétique. Ils représentent environ 30 à 40 % des déperditions thermiques globales pour un bâtiment existant et peuvent atteindre 80 % pour un bâtiment neuf performant (60 % par les parois vitrées et 20 % par la ventilation). Dans ce contexte, la fenêtre pariétodynamique peut être une solution puisqu’elle agit simultanément sur ces deux postes de déperditions thermiques. Nous étudions ici la pertinence de l’intégration d’un vitrage chauffant au sein de ce type de fenêtre dans le but de répondre à plusieurs besoins, à savoir la ventilation, l’accès à la lumière naturelle et le chauffage. L’avantage de ce composant d’enveloppe multifonctionnel serait de récupérer les pertes en face arrière du vitrage chauffant grâce à l’effet pariétodynamique (circulation d’air neuf extérieur à travers les vitrages avant son introduction dans le bâtiment). Ce type de fenêtre présenterait également l’intérêt de créer un environnement intérieur plus confortable (suppression de l’effet de paroi froide, réduction du risque de courant d’air froid) et d’apporter un gain de surface habitable puisque l’émetteur de chaleur est intégré à l’enveloppe. L’objectif de la thèse a été d’évaluer expérimentalement, en conditions hivernales et sans apports solaires, les gains apportés par la fenêtre pariétodynamique en termes d’efficacité énergétique et de confort thermique, mais également de qualité d’air intérieur. À cette fin, une fenêtre pariétodynamique chauffante a été intégrée et instrumentée au sein d’une enceinte climatique dont les conditions sont contrôlées. Plusieurs techniques de mesures thermiques et aérauliques ont été utilisées afin de réaliser les mesures nécessaires à la réalisation de cette étude. Les résultats obtenus ont mis en évidence que, pour des conditions climatiques équivalentes, la capacité de la fenêtre pariétodynamique chauffante à réduire les besoins de chauffage et à préchauffer l’air entrant est supérieure à celle d’une fenêtre conventionnelle à double vitrage associée à un radiateur électrique et à celle de fenêtres à triple vitrage chauffant. En absence de film chauffant, l’écart d’efficacités entre la fenêtre pariétodynamique non chauffante et la fenêtre à triple vitrage non-chauffante est maximal. À puissance maximale, cet écart diminue, mais la fenêtre pariétodynamique chauffante reste 22 % plus performante que celle à triple vitrage chauffante. Il a été mis en évidence que la fenêtre pariétodynamique chauffante améliore le confort thermique par rapport au cas de référence (fenêtre à double vitrage associée à un radiateur électrique). Elle réduit également le risque de gradient de température vertical et ne présente aucun risque d’asymétrie de rayonnement. Enfin, la fenêtre pariétodynamique chauffante permet une meilleure distribution de l’air neuf dans une pièce par rapport au cas de référence.

In building’s envelope, glazed walls and air renewal represent two major weak points in terms of energy performance. They represent about 30 to 40 % of the global thermal losses for an existing building and can reach up to 80 % for a new high-performance building (60 % by glazed walls and 20 % by ventilation). In this context, the airflow window could be a solution since it acts simultaneously on these two thermal loss posts. In this study, we investigated the relevance of integrating heated glazing within this type of window in order to meet several needs : namely, the ventilation, access to natural light, and heating. The advantage of this multifunctional envelope component would be to recover the loss on the backside of the heated glazing, thanks to the parietodynamic effect (circulation of fresh renewal air through the glazing before it enters the building). Moreover, this type of windows has the advantage of creating a more thermally comfortable interior environment (elimination of the cold wall effect, reduction of the draft risk) and of providing a gain in the living space since the heat emitter is built in the building envelope.The objective of this thesis was to evaluate experimentally the gain brought by the airflow window in terms of energy efficiency, thermal comfort, and indoor air quality in winter conditions and without solar gain. A heated airflow window has been integrated and instrumented within a climatic chamber whose conditions are controlled. Several thermal and aeraulic measurement techniques were used to perform the measurements necessary for the realization of this study.The obtained results showed that, in equivalent climatic conditions, the heated airflow window has a greater ability in reducing the heating needs and in preheating the incoming air compared to the conventional double-glazed, and triple-glazed windows. In the absence of the power of the heating film, the difference in efficiency between the non-heating airflow window and the non-heating triple-glazed window is maximal. At maximum power, this difference decreases, but the heated airflow window remains 22 % more efficient than the heated triple glazed window.It has been shown that the heated airflow window improves thermal comfort compared to the reference case (double-glazed window associated with an electric heater). It also reduces the risk of the vertical temperature gradient and does not present any risk of radiation asymmetry. Finally, the heated airflow window allows a better distribution of fresh air in a room compared to the reference case.