Optimisation thermique des châssis de fenêtres

Résumé Les performances thermiques des cadres de fenêtres peuvent facilement être calculées à l'aide de simulations numériques 2D. Plusieurs logiciels commerciaux sont disponibles et les normes internationales fournissent une méthodologie claire pour calculer le coefficient de transmission thermique. Cependant, même si ces méthodes sont bien connues dans le monde universitaire et dans la communauté de la recherche en général, l'optimisation thermique n'a pas encore atteint son plein potentiel dans le secteur du bâtiment et il existe une marge d'amélioration considérable. Spécifiquement pour les petites et moyennes entreprises, il manque des lignes directrices suffisamment génériques pour garantir une utilisation généralisée, mais aussi suffisamment spécifiques pour permettre une interprétation et une mise en œuvre faciles et directes. Dans ce projet de recherche, des sections de fenêtres génériques ont été développées pour les cadres en vinyle, en aluminium et en bois en collaboration avec l'industrie du bâtiment. Sur la base d'une étude de marché, des approches typiques pour améliorer les performances thermiques de chaque type de cadre de fenêtre ont été identifiées et décrites. Par la suite, l’impact des améliorations individuelles ainsi que les effets combinés ont été étudiés à l’aide de méthodes de calcul standardisées et avancées. Pour cela, les phénomènes de transfert thermique et la manière dont ceux-ci sont modélisés selon des procédures de calcul standards sont discutés. Parallèlement, un certain nombre d'effets secondaires issus des normes sont discutés, par exemple l'épaisseur de l'IGU, la profondeur de la feuillure de la fenêtre, les conductivités thermiques équivalentes et l'impact des coefficients de transfert thermique réduits. Examen par les pairs sous la responsabilité du CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2501 Au cours des dernières décennies, la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments a suscité un intérêt croissant. De nombreux aspects contribuent à l'efficacité énergétique globale d'un bâtiment, par exemple : une conception intelligente, des systèmes CVC efficaces, des interfaces étanches à l'air et un niveau d'isolation approprié. En particulier, les performances de l'isolation ont été étudiées de manière approfondie dans des études antérieures. Malgré de nombreuses recherches, un élément du bâtiment demeure une source de préoccupation, plus particulièrement le cadre des fenêtres. Il s'agit d'un composant assez complexe en raison de conditions aux limites spécifiques liées aux performances mécaniques, à l'opérabilité, à l'acoustique, etc. Pour les murs, les toits et les sols, les directives typiques pour la transmission thermique maximale dans les pays d'Europe centrale et du nord se situent entre 0,1 et 0,3 W.m²K, ce qui peut facilement être réalisé avec des types de construction courants. Pour les fenêtres, les directives sont moins strictes et varient généralement entre 0,8 W/m²K et 2,4 W/m²K. Dans certains pays, il existe également des exigences spécifiques concernant les IGU. Le double vitrage commercial avec revêtement à faible émissivité et remplissage de gaz argon a une transmission thermique de 1,1 W/m²K, tandis que le triple vitrage et le vitrage sous vide peuvent descendre jusqu'à 0,5 W/m²K. A la connaissance des auteurs, il n’existe pas de restrictions spécifiques dans les différents pays sur la conductivité thermique des châssis de fenêtres. Notez qu'imposer des restrictions spécifiques rendrait impossible la construction de certaines configurations de fenêtres spécifiques. Par exemple, les fenêtres et portes coulissantes typiques en aluminium ou en vinyle disponibles sur le marché ont une transmission thermique comprise entre 2,0 et 4,5 W/m²K. Non pas parce que les performances thermiques n'ont pas été prises en compte dans le processus de conception, mais en raison des restrictions pratiques liées à la fabrication et à la facilité d'utilisation. Les informations sur l'optimisation thermique dans la littérature scientifique, et dans la littérature en général, sont plutôt rares [1-4]. Gustavsen et coll. [1, 2] ont étudié l'impact de la conductivité thermique du matériau du cadre et des ruptures de pont thermique, afin de définir des objectifs de performance des matériaux pour les conceptions de fenêtres actuelles. Notez qu'une valeur U de 0,5 W/m²K a été choisie comme niveau de performance requis, simplement sur la base du fait que les meilleures IGU commerciales du marché ont désormais une valeur U de 0,5 W/m²K. Sur la base de cette approche, il a été conclu que les ruptures de pont thermique devraient avoir une conductivité thermique inférieure à 0,02 W/mK (ou 0,005 W/mK si de « nouveaux » matériaux sont développés), que les matériaux isolants structurels pour les profilés en bois composite devraient avoir une conductivité thermique inférieure à 0,03 W/mK et qu'idéalement, les cadres en aluminium et en PVC devraient comprendre des cavités avec une émissivité inférieure à 0,05 pour les matériaux environnants. Aucune directive de conception pour la géométrie des fenêtres n'a été présentée et aucune voie n'a été spécifiée sur la manière d'acquérir les conductivités spécifiées. De même, Byars et Arasteh [5] se sont également concentrés sur l'impact de la conductivité thermique sur la valeur U du cadre. Les recherches de Gustavsen [1] ont indiqué que bien que la convection soit modélisée dans la norme EN ISO 10077-2 [6] en adoptant une approche simplifiée avec des conductivités thermiques équivalentes, les résultats se comparent bien avec les simulations d'écoulement de fluide. L'ISO 10077-2 prescrit que les cavités dont l'interconnexion ne dépasse pas 2 mm doivent être considérées comme distinctes. Toute référence à des articles ou à des recherches manque pour cette hypothèse, et grâce à des simulations CFD, il a été démontré que 7 mm serait un critère plus réaliste. 2. Modèles et méthode de simulation Une analyse des caractéristiques d'une gamme de cadres de fenêtres actuellement disponibles sur le marché belge a abouti à la conception de trois matériaux de cadre différents : aluminium, bois et vinyle. Ceux-ci constituent une base neutre pour les simulations et peuvent être utilisés comme modèles génériques afin d’éviter que les produits existants ne soient avantagés ou désavantagés. Ces modèles ont été conçus en collaboration avec l'Association belge de construction et de certification (BCCA) et le Centre européen de l'aluminium, non seulement pour garantir la conception neutre des cadres, mais également pour obtenir un aperçu fiable des mesures typiques prises pour améliorer les performances thermiques des cadres. Pour les cadres en aluminium, la référence standard actuelle en Belgique est un profilé à 3 chambres à rupture de pont thermique en polyamide renforcé de fibres de verre. Le système est rendu étanche à l'air et à l'eau au moyen d'un joint central, généralement associé à un joint intérieur. De même, les cadres de fenêtres en vinyle courants sont composés de 5 chambres et un profilé en acier est inséré pour assurer une résistance et une rigidité adéquates. L'étanchéité est également assurée par deux joints, un au plan intérieur, un au plan extérieur. Le cadre de référence en bois a une épaisseur de 68 mm, est réalisé en bois dur et comprend un joint intérieur et central. En collaboration avec la BCCA, un petit exercice de simulation circulaire a été lancé. Les fabricants de cadres de fenêtres ont été invités à simuler les modèles génériques et à communiquer la valeur Uf conformément à la norme EN ISO 10077-2. Seules 5 entreprises ont répondu à l'appel, les résultats ne peuvent donc pas être considérés comme représentatifs de l'ensemble du secteur belge de la construction, mais un certain nombre de conclusions intéressantes ont néanmoins été tirées. Tout d'abord, Therm [7] et Bisco [8] ont été utilisés et des méthodes similaires 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2 500 – 2 505 résultats ont été trouvés. Deuxièmement, pour le cadre en bois, l’écart type était de 0,00 W/m²K, alors qu’un écart type de 0,01 W/m²K a été trouvé pour le cadre en vinyle et en aluminium. Évidemment, la conduction est le mode de transfert de chaleur le plus important dans la charpente en bois, tandis que la convection et le rayonnement (et les conductivités thermiques équivalentes) sont plus importants dans les autres profilés. Fig. 1 Cadres de fenêtres génériques en aluminium (à gauche), vinyle (au milieu) et bois (à droite). La géométrie de chaque modèle est basée sur le dénominateur commun des systèmes commerciaux. Ces conceptions peuvent être considérées comme basiques et peut-être non représentatives des pratiques de construction actuelles, mais en utilisant cette approche, il est plus simple d'évaluer et de quantifier l'impact des différentes stratégies d'amélioration. La norme européenne EN ISO 10077-2 fournit une méthode de calcul numérique pour calculer la valeur U du cadre (Uf), qui est généralement effectuée à l'aide d'un programme commercial de transfert de chaleur 2D tel que Therm ou Bisco. Pour cette analyse, le Bisco a été utilisé mais une approche plus physiquement correcte a été adoptée. Les changements les plus importants sont le calcul précis des facteurs de vue et le modèle de rayonnement non linéaire (contrairement à l'utilisation d'une conductivité thermique équivalente pour les cavités dans la norme EN ISO 10077-2) et l'analyse séparée du rayonnement et de la convection dans les cavités et sur les surfaces internes et externes. La norme EN ISO 10077-2 précise qu'une température moyenne de 10°C peut être adoptée pour calculer la conductivité thermique équivalente. Les simulations montrent que même dans des cadres symétriques, la convection dépendante de la température induit en réalité des différences allant jusqu'à 0,003 W/m²K dans les modèles considérés ici (il convient de noter que dans des conditions plus extrêmes où la convection et le rayonnement sont plus importants, des différences allant jusqu'à 0,04 W/m²K ont été trouvées). En général, cela conduit à des valeurs Uf légèrement inférieures, mais permet une évaluation plus correcte des différentes stratégies d'optimisation. En utilisant la méthode de simulation la plus précise, la valeur Uf du cadre de fenêtre en vinyle est inférieure de 2 % à celle de la méthode de calcul EN ISO 10077-2, tandis que pour les cadres de fenêtre en bois et en aluminium, la valeur Uf est inférieure de près de 1 %. En revanche, une plus grande différence est enregistrée dans la contribution des trois différentes formes de transfert de chaleur (conduction, rayonnement et convection) à la performance thermique globale. Généralement, la méthode de calcul EN ISO 10077-2 sous-estime l'importance du rayonnement et de la convection et surestime l'importance de la conduction. Spécifiquement pour le modèle à ossature en bois, la différence dans la contribution des formes de transfert de chaleur entre la méthode EN ISO 10077-2 et une méthode plus précise est frappante. Cela peut être attribué à une redistribution des différentes formes de transfert de chaleur en raison de l'importance sous-estimée du rayonnement et de la convection dans les cavités du cadre. À mesure que la conductivité thermique équivalente des cavités augmente, elle se rapproche de la conductivité du bois. Ainsi, une partie du flux thermique qui traversait initialement le bois « choisit » désormais de traverser la cavité par rayonnement, car la différence de résistance au flux thermique entre le bois et la cavité a diminué. Enfin, dans les simulations, l'IGU est – conformément à la norme EN ISO 10077-2 – remplacé par une couche isolante de même épaisseur et d'une conductivité thermique de 0,035 W/mK. Étant donné que pour le calcul des valeurs Uf ne sont pas basées sur un projet (comme c'est généralement le cas), il n'est pas clair quelle épaisseur de verre doit être prise en compte. Le tableau 1 présente les valeurs Uf pour les trois châssis de référence, calculées pour une épaisseur de verre de 24 mm (double vitrage 4-16-4) et 42 mm (triple vitrage 4-15-4-15-4). Nathan Van Den Bossche et coll. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2503 Tableau 1. Valeurs Uf des cadres de fenêtres génériques avec vitrage de 24 mm et 42 mm. Valeurs Uf double vitrage 24mm (W/m²K) triple vitrage 42mm (W/m²K) différence (W/m²K) différence (%) aluminium 2,773 2,618 0,155 5,59 bois 1,707 1,640 0,067 3,93 vinyle 1,503 1,451 0,052 3.46 3. Stratégies d'optimisation thermique Tout au long de l'analyse des cadres de fenêtres commerciales existantes, une gamme de différentes stratégies d'optimisation thermique a été trouvée. Une analyse de sensibilité des différentes techniques d'optimisation a été réalisée sur les modèles génériques correspondants. 3.1. Aluminium Le tableau 2 présente les différentes stratégies d'optimisation appliquées au modèle de cadre de fenêtre en aluminium avec un coefficient de transmission thermique de 2,775 W/(m²K). La valeur Uf la plus basse pouvant être atteinte en combinant ces stratégies est de 1,210 W/(m²K), soit une réduction des pertes de chaleur de 56 %. Notez que cela ne doit pas être considéré comme la valeur la plus basse possible. L'analyse rapportée ici se concentre sur l'impact relatif des interventions séparées et combinées, et grâce à une optimisation spécifique plus ciblée, des valeurs encore plus basses peuvent être obtenues. Tableau 2. Stratégies d'optimisation pour les cadres de fenêtres en aluminium. Stratégies d'optimisation Valeur Uf (W/m²K) Amélioration (%) début : modèle cadre de fenêtre en aluminium 2.775 0 A. optimisation largeur des profilés en aluminium 2.759 1 B. rupture de pont thermique (de λ=0,30 à λ=0,17W/mK) 2.624 5 C. rupture de pont thermique étendue (de 34 à 54mm) 2.660 4 D. joint central de séparation (profondeur cavités 6mm) 2.713 2 E1. rupture de pont thermique de séparation (profondeur cavités 6mm) 2.411 13 E2. isolation à rupture de pont thermique (λ=0,035W/mK) 2,336 16 F1. scellement prolongé des vitrages pour bloquer le rayonnement 2,570 7 F2. vitrage décalé (de 15 à 30mm en feuillure) 2.486 10 F3. isolation entre vitrage & cadre (λ=0,035W/mK) 2,475 11 G. aluminium non traité dans les cavités (ε=0,3) 2,499 10 H. Triple vitrage 2,618 6 combinaison A+B+C+D+E1+F1 1,709 38 combinaison A+B+C+D+E1+F2 1,594 43 combinaison A+B+C+D+E1+F3 1,518 45 combinaison A+B+C+D+E2+F1 1,649 41 combinaison A+B+C+D+E2+F3 1,473 47 combinaison A+B+C+D+E2+F3+H 1,210 56 Certaines parties d’une section peuvent être améliorées de différentes manières. Par exemple, pour bloquer le rayonnement et réduire la convection, la rupture de pont thermique peut être divisée en différentes cavités, ou les cavités entre les ruptures de pont thermique peuvent être remplies d'un matériau isolant. Cette dernière option s'avère être la plus efficace : une amélioration de la valeur Uf de 16 % a été obtenue, alors qu'une réduction de 13 % était évidente en divisant la rupture de pont thermique en cavités séparées. De plus, la cavité entre l'IGU et le cadre peut être traitée de différentes manières. On peut le diviser en 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2 500 – 2 505 cavités séparées en prolongeant le joint de vitrage ou en déplaçant le vitrage plus profondément dans le cadre. Cependant, remplir cette cavité avec de l’isolant semble être là encore la meilleure option. Si cette technique est appliquée, il faut veiller à empêcher l'eau capillaire de pénétrer dans le joint secondaire de l'IGU. En combinant différentes stratégies d'optimisation, l'effet cumulé n'est pas égal à la somme des améliorations individuelles car certains effets s'opposent. Figure 2. Résultats de simulation pour les référentiels optimisés (en haut) et de référence (en bas). La figure de gauche montre la répartition de la température dans les profilés en aluminium, la figure du milieu montre le flux thermique dans chaque partie du cadre en aluminium, la figure de droite montre le flux thermique dans les cadres en vinyle. 3.2. Vinyle La valeur Uf du modèle de référence du cadre de fenêtre en vinyle est de 1,503 W/m²K. Il est possible de la réduire à 0,759 W/m²K soit une réduction de 50% en choisissant la bonne combinaison de techniques d'optimisation. Le point faible d’un cadre de fenêtre en vinyle standard est le renfort en acier. Il existe deux méthodologies typiques pour résoudre ce problème : soit remplacer le renfort par un meilleur matériau isolant présentant une résistance comparative, soit remplacer le matériau du cadre par un matériau plus résistant, par lequel le renfort devient redondant. Pour la première option deux matériaux sont proposés : de l'acier inoxydable et un matériau composite. L'acier inoxydable n'est guère plus performant que l'acier, un renfort composite (λ=0,2 W/mK) fait en revanche vraiment la différence. De plus, si l'ensemble du cadre était constitué d'un composite résistant (par exemple avec de la fibre de verre ; λ=0,2 W/mK), aucun renfort n'est nécessaire, le résultat se rapproche presque de celui du cadre en vinyle avec renfort composite. Cependant, si les cavités centrales sont isolées, les cadres composites obtiennent de meilleures performances par rapport aux cadres renforcés. Diviser le cadre en plusieurs cavités pour approfondir le rendu de la section est inefficace. L'approfondissement du cadre de 90 mm à 120 mm et son isolation réduisent les pertes de chaleur de 29 %. L'installation d'un joint central réduit les déperditions thermiques de 4 %, l'isolation entre IGU et charpente de 3 %, l'utilisation d'un matériau composite pour éliminer le renfort en acier permet une réduction de 11 %. 3.3. Bois L'évolution récente vers l'utilisation de charpentes en bois dans les bâtiments à faible consommation d'énergie est le signe que les charpentes en bois, en particulier, Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2505 ont le potentiel d'avoir une faible transmission thermique. Ainsi, les performances thermiques de l'IGU doivent être équilibrées avec les performances du cadre. Par conséquent le modèle de référence sur lequel sont appliquées les différentes techniques d'optimisation est doté d'un triple vitrage. Les fenêtres en aluminium, quant à elles, sont généralement choisies en fonction de leur rentabilité, de leur durabilité et du fait qu'elles nécessitent généralement un entretien minimal. Cependant, les cadres en aluminium étant largement utilisés, leur amélioration a des conséquences importantes. Le bois tendre est un meilleur isolant que le bois dur, mais il est moins durable et peut-être susceptible de se détériorer prématurément. C'est pourquoi le modèle de référence est fabriqué en bois dur, mais lorsqu'il est correctement protégé de l'environnement, c'est du bois tendre qui est utilisé. Le référentiel a une valeur Uf de 1,640W/m²K et en combinant les techniques appropriées, une valeur Uf de 0,584 peut être obtenue. Il s'agit d'une amélioration de 64%. Trois techniques d'optimisation du volume bois de la charpente sont comparées. La meilleure technique consiste à remplacer trois couches de bois dur par du liège, du PU et encore du liège. Une autre approche, quoique moins réussie, consiste à remplacer une partie rectangulaire de la masse centrale par du liège. La troisième option consiste à faire de petits trous dans le cadre sans réduire sa résistance. Afin de protéger la charpente en bois de l'environnement extérieur, un écran en aluminium ou en synthétique isolé peut être utilisé. Les deux écrans offrent de bons résultats qui proviennent du remplacement du bois dur par du bois tendre qui isole mieux. L'approfondissement du cadre de 68 mm à 108 mm diminue la valeur Uf de 1,640 à 1,269 W/m²K. Le remplacement du matériau bois dur par une combinaison bois-liège-pu-liège-bois réduit les pertes de chaleur de 47 %. Notez que l'insertion de petites cavités d'air (4 mm de haut sur 14 mm de large) dans le matériau en bois massif peut affecter la durabilité, et un volume de 16 % de cavités ne réduit la perte de chaleur que de 9 %. Enfin, l'insertion d'isolant entre l'IGU et le cadre a un impact bien moindre par rapport aux autres profilés (1%). Contrairement aux autres profilés, la butée de vitrage a déjà un effet isolant, ce qui rend l'isolation supplémentaire moins efficace. 4. Conclusions et discussion Les résultats de simulation des modèles génériques de châssis de fenêtre montrent qu'un châssis de fenêtre moyen peut être amélioré de 50% jusqu'à 64% avec des stratégies d'optimisation simples trouvées sur le marché belge. La nouvelle méthodologie de simulation prouve sa valeur car certaines techniques s'avèrent plus efficaces ou obtiennent un optimum dans d'autres conditions que celles supposées par l'ancienne méthodologie. En outre, de nouvelles idées ont émergé de l’analyse. Certaines interventions n'atteignent pas un optimal basé uniquement sur la transmission thermique : par exemple, en théorie, la profondeur du cadre de fenêtre en bois pourrait être augmentée à l'infini pour minimiser les pertes de chaleur. Une conception intelligente doit trouver un équilibre optimal entre performances thermiques, utilisation restreinte des matériaux et autres restrictions pratiques. Pour les cadres creux comme le modèle en vinyle et en aluminium, l'effet positif de l'augmentation de la profondeur de l'IGU dans le cadre peut être examiné. Une autre option serait peut-être de lier structurellement l’IGU au cadre sur toute la largeur du cadre, de sorte que la fonction structurelle du cadre soit partiellement transférée à l’IGU. En raison de l'influence significative de l'aluminium sur la transmission thermique du cadre en raison de sa conductance thermique élevée, des recherches plus approfondies sur la réduction de l'émissivité des matériaux pourraient conduire à une réduction substantielle du transfert de chaleur par rayonnement. Références [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Développement de cadres de fenêtres à faible conductance : capacités et limites des outils actuels de conception de transfert thermique de fenêtres - Revue de l'état de l'art, Journal of building physical, Vol. 32 (2) (2008), pages 131 à 153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Éléments clés et objectifs de performance des matériaux pour les cadres de fenêtres hautement isolants. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influence des propriétés géométriques et émissives des cavités sur les performances thermiques globales des cadres en aluminium pour fenêtres. Énergie et bâtiments [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Analyse thermique des fenêtres super isolées (investigations numériques et expérimentales), Énergie et bâtiments, Vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Options de conception pour les cadres de fenêtres à faible conductivité. Matériaux d'énergie solaire et cellules solaires 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Performance thermique des fenêtres, portes et volets - Calcul du coefficient de transmission thermique Partie 2 : Méthode numérique pour les cadres, 2012. [7] Therm 6.3 NFRC Simulation Manual, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013. [8] Bisco 10.0w. Manuel d'utilisation, Physibel, 2012.