Optimisation thermique des cadres de fenêtre

Résumé Les performances thermiques des trames de fenêtre peuvent facilement être calculées à l'aide de simulations numériques 2D. Plusieurs packages de logiciels commerciaux sont disponibles et les normes internationales fournissent une méthodologie claire pour calculer la transmittance thermique. Cependant, même si ces méthodes sont bien connues dans le monde universitaire et la communauté de recherche en général, l'optimisation thermique n'a pas encore atteint son plein potentiel dans l'industrie du bâtiment et il y a une marge d'amélioration considérable. Plus précisément pour les petites et moyennes entreprises, il existe un manque de directives qui sont à la fois suffisamment génériques pour garantir une utilisation large, ainsi que suffisamment spécifique pour permettre une interprétation et une implémentation faciles et simples. 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 d'amélioration des performances thermiques pour chaque type de cadre de fenêtre ont été identifiées et décrites. Par la suite, l'impact des améliorations distinctes, ainsi que des effets combinés ont été étudiés en utilisant des méthodes de calcul standardisées et avancées. Pour cela, les phénomènes de transfert de chaleur et la façon dont ceux-ci sont modélisés en fonction des procédures de calcul standard sont discutés. À côté de cela, un certain nombre d'effets secondaires provenant des normes sont discutés, par exemple l'épaisseur des IGU, la profondeur de la remise des fenêtres, les conductivités thermiques équivalentes et l'impact des coefficients de transfert de chaleur réduits. Examen par les pairs sous la responsabilité du Centro Congrès Internazionale Srl Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2501 au cours des dernières décennies, il y a eu un intérêt croissant à réduire la consommation d'énergie dans les bâtiments. Il existe de nombreux aspects qui contribuent à l'efficacité énergétique globale d'un bâtiment, par exemple: une conception intelligente, des systèmes de CVC efficaces, des interfaces étanches à l'air et un niveau d'isolation approprié. En particulier, la performance de l'isolation a été approfondie dans les études antérieures. Malgré de nombreuses recherches, un composant de bâtiment reste une source de préoccupation, plus précisément le cadre de la fenêtre. Il s'agit d'un composant assez complexe en raison de conditions aux limites spécifiques liées aux performances mécaniques, à l'opérablilité, à l'acoustique, etc. Pour les murs, les toits et les planchers, les lignes directrices typiques pour la transmittance thermique maximale dans le centre des pays du nord-européen sont situées entre 0,1 et 0,3 W.m²k, qui peuvent facilement être réalisées 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 sur les IGU. Le double vitrage commercial avec revêtement à faible teneur en E et garniture de gaz argon ont une transmittance thermique de 1,1 W / m²k, tandis que le vitrage triple et le vitrage à l'aspirateur peuvent aller aussi bas que 0,5 W / m²k. À la connaissance des auteurs, il n'y a pas de restrictions spécifiques dans différents pays sur la conductivité thermique des cadres de fenêtre. Notez que l'imposant de restrictions spécifiques rendrait impossible de construire certaines configurations de fenêtres spécifiques. Par exemple, les fenêtres et les portes coulissantes typiques en aluminium ou en vinyle disponibles sur le marché ont une transmittance thermique 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 de la fabrication et de la facilité d'utilisation. Les informations sur l'optimisation thermique dans la littérature scientifique et la littérature en général sont plutôt rares [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] ont étudié l'impact de la conductivité thermique du matériau du cadre et des pauses thermiques, pour définir les cibles de performance des matériaux pour les conceptions de fenêtres de courants. Notez qu'une valeur U de 0,5 W / m²K a été choisie comme niveau de performance requis, simplement en fonction du fait que les meilleurs Igu commerciaux sur le marché ont désormais une valeur U de 0,5 W / m²k. Sur la base de cette approche, il a été conclu que les ruptures thermiques devraient avoir une conductivité thermique inférieure à 0,02W / Mk (ou 0,005 W / Mk si des «nouveaux» matériaux sont développés), des matériaux isolants structurels pour les profils composites en bois devraient avoir une conductivité thermique inférieure à 0,03W / MK, et idéalement en aluminium et en matériaux environnants. Aucune directive de conception pour la géométrie des fenêtres n'a été présentée et aucune voie n'a été spécifiée sur la façon 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. Des recherches de Gustavsen [1] ont indiqué que bien que la convection soit modélisée dans 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. ISO 10077-2 prescrit que les cavités avec une interconnexion ne dépassant pas 2 mm doivent être considérées comme distinctes. Toute référence aux articles ou à la recherche fait défaut pour cette hypothèse, et au moyen de 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 trames de fenêtre actuellement disponibles sur le marché belge a entraîné la conception de trois matériaux de cadre différents: l'aluminium, le bois et le vinyle. Ce sont une base neutre pour les simulations et peuvent être utilisées comme modèles génériques afin d'éviter que les produits existants soient avantagenés ou désavantagés. Ces modèles ont été conçus en collaboration avec la Belgian Construction and Certification Association BCCA) et le European Aluminium Center, non seulement pour garantir la conception neutre des cadres, mais aussi 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 profil à 3 chambres avec une rupture thermique en polyamide renforcé de fibres de verre. Le système est fabriqué étanche à l'air et étanche au moyen d'un joint central, généralement en combinaison avec un joint intérieur. De même, les cadres de fenêtre en vinyle communs sont composés de 5 chambres, et un profil en acier est inséré pour assurer une résistance et une rigidité adéquates. L'arrêt est également assuré par deux joints, un au plan intérieur, un au plan extérieur. Le cadre de référence en bois a une épaisseur de 68 mm et est en bois dur et comprend un joint intérieur et central. En collaboration avec le BCCA, un petit exercice de simulation à la ronde a été lancé. Les fabricants de châssis de fenêtre ont été invités à simuler les modèles génériques et à signaler la valeur UF selon l'EN ISO 10077-2. Seules 5 entreprises ont répondu à l'appel, donc les résultats ne peuvent pas être considérés comme représentatifs pour l'industrie du bâtiment belge complet, mais néanmoins un certain nombre de conclusions intéressantes ont été tirées. Tout d'abord, Therm [7] et Bisco [8] ont été utilisés et 2502 Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 résultats ont été trouvés. Deuxièmement, pour le cadre en bois, l'écart type était de 0,00 W / m²k, tandis qu'un écart-type de 0,01 W / m²k a été trouvé pour le cadre en vinyle et en aluminium. De toute évidence, la conduction est le moyen le plus important de transfert de chaleur dans le cadre en bois, tandis que la convection et le rayonnement (et les conductivités thermiques équivalentes) sont plus importantes dans les autres profils. Fig. 1 Cadres de fenêtres génériques en aluminium (à gauche), vinyle (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 pas représentatives de la pratique actuelle de construction, mais en utilisant cette approche, il est plus simple d'évaluer et de quantifier l'impact de 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 se fait généralement en utilisant un programme commercial de transfert de chaleur 2D tel que Therm ou Bisco. Pour cette analyse, 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 du modèle de rayonnement non linéaire (contrairement à l'utilisation de la conductivité thermique équivalente pour les cavités dans EN ISO 10077-2) et l'analyse séparée du rayonnement et de la convection dans les cavités et aux surfaces internes et externes. L'EN ISO 10077-2 spécifie qu'une température moyenne de 10 ° C peut être adoptée pour calculer la conductivité thermique équivalente. Les simulations montrent que même dans les cadres symétriques, la convection dépendante de la température induit en fait des différences jusqu'à 0,003 W / m²k dans les modèles qui sont considérés ici (l'esprit dans les conditions plus extrêmes où la convection et le rayonnement sont plus importants, des différences allant jusqu'à 0,04W / 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 plus précise, la valeur UF du cadre de la fenêtre en vinyle est 2% plus faible par rapport à la méthode de calcul EN ISO 10077-2, tandis que pour les cadres de fenêtre en bois et en aluminium, la valeur UF est presque 1% inférieure. 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. Plus précisément pour le modèle de cadre en bois, la différence dans la contribution des formes de transfert de chaleur entre l'EN ISO 10077-2 et la méthode plus précise est frappante. À mesure que la conductivité thermique équivalente des cavités se développe, elle s'approche de la conductivité du bois. Ainsi, une partie du flux de chaleur qui a initialement traversé le bois «choisit» maintenant de traverser la cavité au moyen du rayonnement, car la différence de résistance au flux de chaleur entre le bois et la cavité a diminué. Enfin, dans les simulations, les IGU sont - en ligne avec EN ISO 10077-2 - remplacés par une couche d'isolation par la même épaisseur et une conductivité thermique de 0,035 W / mk. Étant donné que pour le calcul des valeurs UF qui ne sont pas basées sur des projets (comme c'est généralement le cas), il n'est pas clair quelle épaisseur de verre doit être supposée. Le tableau 1 montre les ufvalues ​​des trois cadres de référence, calculés 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 al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2503 Tableau 1. Valeurs UF de cadres de fenêtres génériques avec vitrage de 24 mm et 42 mm. Valeurs UF Double vitrage 24 mm (p / m²k) Triple vitrage 42 mm (p / 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. de différentes stratégies d'optimisation thermique ont été trouvées. Une analyse de sensibilité des différentes techniques d'optimisation a été réalisée sur les modèles génériques correspondants. 3.1. Le tableau 2 en aluminium rapporte les différentes stratégies d'optimisation appliquées au modèle de cadre de fenêtre en aluminium avec une transmittance thermique de 2,775 W / (m²k). La valeur UF la plus faible réalisable en combinant ces stratégies est de 1,210 w / (m²k), une réduction de la perte de chaleur de 56%. Notez que cela ne doit pas être considéré comme la valeur la plus faible réalisable. L'analyse rapportée ici se concentre sur l'impact relatif des interventions séparées et combinées, et au moyen d'une optimisation spécifique plus ciblée, des valeurs encore plus faibles peuvent être obtenues. Tableau 2. Stratégies d'optimisation pour les frères de fenêtre en aluminium. Stratégies d'optimisation UF-valeur (W / m²K) Amélioration (%) Démarrage: modèle de fenêtre en aluminium 2,775 0 A. Largeur d'optimisation des membres du profil en aluminium 2,759 1 B. Break thermique (de λ = 0,30 à λ = 0,17W / mk) 2,624 5 C. Divide des places de casse (de 34 mm) 2,660 4 D. Divide les places de cavité (de 34 mm). 2.713 2 E1. Diviser la rupture thermique (Cavités de profondeur 6 mm) 2,411 13 E2. Isolation à la rupture thermique (λ = 0,035W / mk) 2,336 16 F1. Glazing prolongé-étanchéité pour bloquer le rayonnement 2,570 7 F2. Glazing décalé (de 15 à 30 mm en verre) 2.486 10 F3. Isolation entre le vitrage et le 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 A + B + C + D + E1 + F3 1,518 45 COMBINATION A + B + C + D + E2 + F1 1,649 41 COMBINATION A + B + C + D + E2 + F3 1,473 47 La 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 la baisse de la convection, la rupture thermique peut être divisée en différentes cavités, ou les cavités entre la rupture thermique peuvent être remplies de matériau d'isolation. La dernière option se révèle être la plus efficace: une amélioration de la valeur UF de 16% a été obtenue, tandis qu'une réduction de 13% était évidente lors de la division de la rupture thermique en cavités distinctes. De plus, la cavité entre les IGU et le cadre peut être traitée de différentes manières. Il peut être divisé en 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 Cavités séparées en étendant le joint de vitrage ou en déplaçant le vitrage plus profondément dans le cadre. Cependant, le remplissage de cette cavité avec l'isolation semble être à nouveau la meilleure option. Si cette technique est appliquée, l'attention doit être accordée pour empêcher l'eau capillaire de pénétrer dans le scellement secondaire des IGU. En combinant différentes stratégies d'optimisation, l'effet cumulatif n'est pas égal à la somme de l'amélioration distincte car certains effets contrecarrent. Figure 2. Résultats de la simulation pour les trames optimisées (en haut) et de référence (en bas). La figure gauche montre la distribution de température dans les profils en aluminium, la figure du milieu montre le flux de chaleur dans chaque partie du cadre en aluminium, la figure droite montre le flux de chaleur 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 le réduire à 0,759 W / m²k ou 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 renforcement en acier. Il existe deux méthodologies typiques pour résoudre ce problème: remplacez le renforcement par un matériau mieux isolant par une résistance comparative ou remplacez le matériau du cadre par un matériau plus fort par lequel le renforcement devient redondant. Pour la première option, deux matériaux sont proposés: en acier inoxydable et un matériau composite. L'acier inoxydable fonctionne à peine mieux que l'acier, un renforcement composite (λ = 0,2 W / Mk) en revanche fait vraiment une différence. De plus, si le cadre entier était fait d'un composite fort (par exemple avec une fibre de verre; λ = 0,2 W / Mk), aucun renforcement n'est nécessaire, le résultat s'approche presque de celui du cadre en vinyle avec un renforcement composite. Cependant, si dans les cavités centrales sont isolées, les cadres composites obtiennent une meilleure performance par rapport aux cadres renforcés. La division du cadre en plus de cavités d'approfondissement de la section Rendu de manière inefficace. Approfondissant le cadre de 90 mm à 120 mm et l'isolement réduit la perte de chaleur de 29%. L'installation d'un joint central réduit la perte de chaleur de 4%, l'isolation entre les IGU et le cadre de 3%, en utilisant un matériau composite pour éliminer le renforcement en acier rend une réduction de 11%. 3.3. Bois L'évolution récente pour appliquer des cadres en bois dans les bâtiments à faible énergie est un signe qui en particulier les cadres en bois Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2505 ont un potentiel pour une faible transmittance thermique. Ainsi, les performances thermiques des IGU doivent être équilibrées avec les performances du cadre. Par conséquent, le modèle de référence sur lequel les différentes techniques d'optimisation sont appliquées a un triple vitrage. En revanche, les fenêtres en aluminium sont généralement choisies en fonction de leur rentabilité, de leur durabilité et nécessitent généralement un entretien minimal. Cependant, comme les cadres en aluminium sont largement utilisés, l'amélioration du cadre a des conséquences importantes. Le bois doux est un meilleur isolant que le bois dur, mais il est moins durable et peut-être sensible à la détérioration prématurée. C'est pourquoi le modèle de référence est en bois dur, mais lorsqu'il est correctement protégé de l'environnement, le bois doux est utilisé. Le cadre de référence a une ufvalue 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 en ce qui concerne le volume en bois du cadre sont comparées. La meilleure technique est de remplacer trois couches de bois dur par liège, PU et encore du liège. Une autre approche, quoique moins réussie, consiste à remplacer une partie rectangulaire de la masse centrale par Cork. La troisième option consiste à faire de petits trous dans le cadre sans réduire sa force. Afin de protéger le cadre en bois de l'environnement extérieur, un aluminium ou un dépistage synthétique isolé peut être utilisé. Les deux projections offrent de bons résultats qui découlent du remplacement du bois dur par le bois doux qui isole mieux. L'approfondissement du cadre de 68 mm à 108 mm diminue la valeur UF de 1,640 à 1,269w / m²k. Le remplacement du matériau en bois dur par une combinaison de bois-cuck-cuck-wood réduit la perte de chaleur de 47%. Notez que l'insertion de petites cavités d'air (4 mm de haut de 14 mm de large) dans le matériau en bois solide peut affecter la durabilité, et un volume de 16% des cavités réduit la perte de chaleur de 9%. Enfin, l'insertion d'isolation entre les IGU et le cadre a un impact beaucoup plus faible par rapport aux autres profils (1%). Contrairement aux autres profils, l'arrêt 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 trames de fenêtre montrent qu'un cadre 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 gagnent un optimum dans d'autres conditions que l'ancienne méthodologie supposée. De plus, de nouvelles idées ont chuté de l'analyse. Certaines interventions n'atteignent pas un optimum en fonction de la transmittance thermique seule: par exemple, la profondeur théoriquement du cadre de fenêtre en bois pourrait être augmentée sans cesse pour minimiser la perte de chaleur. Une conception intelligente devrait trouver un équilibre optimal entre les performances thermiques, une utilisation restreinte du matériau et d'autres restrictions pratiques. Pour les cadres creux comme le modèle vinyle et en aluminium, l'effet positif de l'augmentation de la profondeur des IGU dans le cadre peut être examiné. Une autre option serait peut-être de lier structurellement les IGU au cadre sur la largeur totale du cadre, de sorte que la fonction structurelle du cadre est partiellement transférée aux IGU. En raison de l'influence significative de l'aluminium sur la transmittance thermique du cadre en raison de la conductance thermique élevée, des recherches supplémentaires sur la réduction de l'émissivité des matériaux peuvent entraîner une réduction substantielle du transfert de chaleur par rayonnement. Références [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Développement des cadres de fenêtres à faible conductance: capacités et limites des outils de conception de vitre de vitre actuel - Revue de pointe, Journal of Building Physics, vol. 32 (2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Éléments clés des cibles de performance matérielle pour les cadres de fenêtres hautement isolants. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influence des propriétés géométriques et d'émissivité des cavités sur les performances thermiques globales des cadres en aluminium pour les fenêtres. Énergie et constructions [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Analyse thermique des fenêtres super isolées (enquêtes numériques et expérimentales), Energy and Buildings, vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Options de conception pour les cadres de fenêtre à faible conductivité. Matériaux d'énergie solaire et cellules solaires 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Performances thermiques des fenêtres, des portes et des volets - Calcul de la transmittance thermique Partie 2: Méthode numérique pour les cadres, 2012. [7] Therm 6.3 Manuel de simulation NFRC, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013. [8] Bisco 10.0w. Manuel d'utilisation, Physibel, 2012.