Anatomie et mode de transfert thermique dans une fenêtre

ANATOMIE ET MODE DE TRANSFERT THERMIQUE DANS UNE FENÊTRE

Composition d’une fenêtre

Les fenêtres sont insérées habituellement dans l’enveloppe des bâtiments. Elles comprennent un cadre constitué d’une partie fixe (dormant), et une partie mobile (ouvrant), ainsi qu’une unité scellée. L’unité scellée est la partie transparente d’une fenêtre qui laisse passer le rayonnement solaire à l’intérieur des bâtiments. La figure 1-1 illustre les parties fixe et mobile du cadre d’une fenêtre typique. Ce cadre est composé de plusieurs cavités. Ces cavités permettent de réduire la quantité de matériaux nécessaire et augmente la résistance thermique de l’ensemble. L’étanchéité entre l’ouvrant et le dormant est assurée par un joint d’étanchéité qui a pour fonction principale de limiter les infiltrations d’air et d’assurer une protection contre l’eau et la neige.

L’unité scellée est simplement formée de deux plaques de verre séparées par un intercalaire qui permet de maintenir une distance constante entre les plaques. Les intercalaires sont faits généralement d’aluminium ou de mousse rigide à faible conductivité thermique. Les intercalaires intègrent un dessicant qui permet d’absorber la vapeur d’eau contenue dans la cavité formée par l’unité scellée. La cavité entre les plaques est normalement remplie d’air. Cependant, on retrouve des fenêtres remplies d’argon, de krypton ou de dioxyde de carbone. Ces gaz « spéciaux » ont une conductivité thermique légèrement plus faible que celle de l’air. Le cadre et le châssis constituent en général le tiers de la surface totale des fenêtres, d’où la nécessité d’utiliser un matériau résistant et idéalement isolant pour permettre un entretien facile, prolonger la durée de vie et minimiser les déperditions de chaleur.

Les modes de transfert de chaleur dans une fenêtre

Dans une fenêtre, les trois modes de transfert thermique sont présents. La conduction se trouve dans les parties solides de la fenêtre et elle se qualifie comme étant le mode principal de transfert thermique au niveau du cadre. Le deuxième mode de transfert thermique est la convection. C’est un phénomène d’échange de chaleur sous l’effet du mouvement d’un fluide. Ce mouvement peut être forcé ou naturel (sous l’effet de la variation de la masse volumique avec la température). Sur la surface d’une fenêtre située du côté intérieur, la convection s’effectue généralement en régime naturel contrairement au régime de convection forcé qui est généralement dominant du côté extérieur. Le gaz présent dans l’unité scellée est soumis à une différence de température. Si la différence de température entre les plaques de verre dépasse un certain seuil, ce gaz se met en mouvement naturellement (poussée d’Archimède) créant ainsi une boucle de convection qui augmente le transfert de chaleur entre les surfaces du vitrage diminuant par conséquent, la résistance thermique de l’unité scellée et de la fenêtre dans son ensemble. Le dernier mode de transfert de chaleur, mais non le moindre est le rayonnement. Le transfert de chaleur par rayonnement désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. En fait, le rayonnement est le mode de transfert de chaleur le plus important dans une fenêtre. Dans une fenêtre typique, près des deux tiers du transfert de chaleur total s’effectue par rayonnement. La figure 1.2 illustre schématiquement les trois modes de transfert se produisant dans une fenêtre.

Les aspects techniques des fenêtres commercialisées

Au cours des dernières décennies, plusieurs développements ont permis d’accroître de façon substantielle la résistance thermique des fenêtres. On retrouve des produits spécialement conçus pour des climats froids (résistance thermique élevée) et chaud (coefficient SHGC faible). Mentionnons, entre autres, l’utilisation de gaz de remplissage pour diminuer le transfert thermique par conduction et par convection dans la cavité des unités scellées. Ces gaz tels que l’argon ou le krypton, ont une conductivité thermique inférieure à celle de l’air. Commercialisés au début des années 80, les revêtements à faible émissivité (Low-) : permettent d’augmenter significativement la résistance thermique d’une fenêtre. Ces revêtements sont habituellement constitués de couches métalliques minces qui s’appliquent sur le vitrage afin de réduire le transfert thermique par rayonnement dans l’unité scellée. La majorité des fenêtres actuellement disponibles sur le marché possèdent un intercalaire creux en aluminium. Ce matériau est léger, résistant et facile à mettre en forme.

Cependant, l’aluminium est un excellent conducteur thermique, ce qui comme conséquence d’augmenter le transfert de chaleur dans la région associée à la bordure du vitrage. Pour pallier cette lacune, certains manufacturiers offrent des fenêtres à intercalaire « isolé » constitué généralement de mousse incompressible ou de plastique. Ces intercalaires permettent une réduction du coefficient Ueg de l’ordre de 5 à 10%. Présentement, des produits tels que les fenêtres sous vide et les fenêtres aérogels commencent à faire leur apparition dans les expositions commerciales. Cependant, le coût de ces fenêtres à grande résistance thermique demeure très élevé et leur utilisation à grande échelle n’est pas prévue à court ni à moyen terme. Par contre, d’autres produits tels que les fenêtres dynamiques ont atteint un certain niveau de maturité.

Fenêtres électrochromiques

Bien que le phénomène électrochromique fût découvert au début des années 70, ce n’est que vingt ans plus tard qu’apparaissent les premières études mettant l’emphase sur l’utilisation des matériaux électrochromiques pour les systèmes de fenêtres. À titre d’exemple, mentionnons les travaux de Lampert (1998) ainsi que Truong et Mehra (November 1984). Ces travaux présentent les développements technologiques nécessaires pour l’utilisation à grande échelle des fenêtres électrochromiques. On y mentionne notamment l’importance d’augmenter la durée de vie des matériaux chromogènes et de diminuer le temps de transition entre les états clair et coloré particulièrement à basse température. Mathew et al. (1997) mentionnent que la durée de vie d’une fenêtre électrochromique dépend de sa capacité à résister aux rayons ultraviolets, aux températures extrêmes et à l’humidité. Cette durée de vie devra être de l’ordre de 20 à 40 ans pour une utilisation dans les bâtiments commerciaux et d’au moins 15 ans dans le secteur résidentiel. Au milieu des années 90, le département américain de l’énergie (DOE) a inauguré un programme appelé « Electrochromics Initiative » qui avait comme objectif d’établir une formule de partage des coûts entre le DOE et l’industrie privée, pour le développement et la commercialisation de prototypes de fenêtres électrochromiques. Ce programme de partenariat a permis à plusieurs entreprises comme par exemple Sage Electrochromics Inc. de développer des fenêtres aux propriétés optiques variables dont les performances énergétiques sont nettement supérieures aux fenêtres à double vitrage standard.

Warner et al. (1992) ont étudié cinq prototypes de fenêtres représentant une gamme d’options de contrôle, pour évaluer le potentiel d’économie d’énergie des fenêtres électrochromiques par rapport aux fenêtres aux propriétés solaires statiques. Selon cette étude, les fenêtres électrochromiques peuvent fournir des réductions significatives de la demande de climatisation et d’éclairage artificiel par rapport aux autres fenêtres. La stratégie de contrôle permettant le changement entre les états clair et coloré est basée sur l’intensité de la lumière incidente sur la fenêtre. Cette stratégie permet de réduire considérablement la charge de refroidissant et la demande d’éclairage. Pour des conditions estivales dans la ville de Reno (Nevada), Klems (2001) a fait des mesures sur un puits de lumière (skylight) composé de verre électrochromique, dans le but de déterminer ses performances thermiques.

Klems a mis en évidence qu’à l’état coloré, le SHGC était réduit de façon significative, mais qu’une partie de l’énergie absorbée se transmet malgré tout à l’intérieur du bâtiment. Par contre, d’autres mesures effectuées sur un certain type d’électrochromique doté d’un enduit intégral à faible émissivité montrent une diminution significative de la portion absorbée de l’énergie. Les premières études à grande échelle sur les fenêtres électrochromiques ont été réalisées dans les laboratoires LBNL par Lee et DiBartolomeo (2002). L’étude avait pour objet d’illustrer l’effet de l’utilisation de ce type de fenêtres sur le confort des occupants et la consommation d’énergie. Dans cette étude, des fenêtres électrochromiques orientées sud-est ont été testées dans un secteur commercial d’Oakland (Californie) en saison hivernale. Les résultats ont montré que les gains énergétiques étaient moins élevés que prévus. Ceci peutêtre en partie dû aux systèmes de contrôle permettant la commutation de coloration.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ANATOMIE ET MODE DE TRANSFERT THERMIQUE DANS UNE FENÊTRE
1.1 Composition d’une fenêtre
1.2 Les modes de transfert de chaleur dans une fenêtre
1.3 Rayonnement solaire
1.4 Propriétés optiques du verre
1.4.1 L’absorptivité (α)
1.4.2 La réflectivité (ρ)
1.4.3 La transmissivité (τ)
1.4.4 L’émissivité (å)
1.5 Coefficient de déperdition thermique d’une fenêtre
1.6 Coefficient d’apport par rayonnement solaire (SHGC)
1.7 Les aspects techniques des fenêtres commercialisées
CHAPITRE 2 FENÊTRES DYNAMIQUES
2.1 Les types de fenêtres dynamiques
2.1.1 Les fenêtres dynamiques non électriques
2.1.2 Les fenêtres dynamiques électriques
2.2 Fenêtres électrochromiques
2.2.1 Fonctionnement des fenêtres électrochromiques
2.2.2 Avantages et inconvénients des fenêtres électrochromiques
CHAPITRE 3 REVUE DE LITTÉRATURE
3.1 Fenêtres électrochromiques
3.2 Norme canadienne du rendement énergétique des fenêtres
3.3 Logiciels pour le calcul des performances énergétiques
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE
4.1 Progiciels Window et Therm
4.1.1 Progiciel Window
4.1.2 Progiciel Therm:
4.1.3 Géométrie dans Therm
4.2 Modèles de fenêtre étudiées
4.3 Conditions aux frontières
4.4 Étapes de calculs
4.4.1 Fichier météorologique
4.4.2 Critères du choix des jours étudiés
4.4.3 Calcul du rayonnement solaire incident
4.4.4 Irradiation
4.4.5 Coefficient de convection extérieur
4.4.6 Conditions frontières intérieures
4.4.7 Utilisations des résultats dans Window et Therm
4.4.8 Calcul du bilan énergétique
CHAPITRE 5 RÉSULTATS NUMÉRIQUES
5.1 Coefficient de déperdition thermique
5.2 Coefficients de gains solaires
5.3 Bilan énergétique : résultats horaires
5.4 Gains solaires : comparaison des trois approches
5.4.1 Première approche
5.4.2 Deuxième approche
5.4.3 Troisième approche
5.4.4 Résumé des trois approches
5.5 Bilan énergétique des fenêtres DW et EW
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I EXEMPLE DES DONNÉES DU FICHIER MÉTÉROLOGIQUE POUR LE PREMIER JANVIER
ANNEXE II CHOIX DES JOURS DE CALCUL
ANNEXE III EXEMPLE DE RÉSULTATS DE LA MÉTHODE DE KLUCHER POUR LE 26 JANVIER, DIRECTION SUD
ANNEXE IV DÉTAIL DES ÉTAPES DE MODÉLISATION LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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