Systèmes intelligents d'ouvertures vitrées intégrant protections solaires et ventilation naturelle – OVI-SOLVE

Tâche 1 : Revue technologique des types d'ouverture
L'analyse des technologies d'ouverture présentes sur le marché montre la prédominance des fenêtres à la française et oscillo battantes. En ce qui concerne les protections acoustiques mobiles utilisables «fenêtre ouverte«, l'analyse a montré qu'il est nécessaire d'imaginer des dispositifs combinant capacité d'atténuation du bruit et passage de l'air. Pour limiter le nombre de prototypes à tester, on a d'abord testé numériquement des dispositif en chicanes (2 ou 3 couches) et à lamelles en configurations horizontale et verticale. On a retenu la configuration en chicanes à 2 rangs en position verticale.

Tache 2 : Expérimentation en ventilation mono façade et en ventilation traversante
On utilise la méthode du gaz traceur avec du dioxyde de carbone (CO2) par mesure de la décroissance de concentration

Tache 3 : Modélisation thermo-aéraulique par CFD et Modélisation acoustique.
Les résultats thermo aérauliques ont été obtenus par simulation sous Fluent. On a utilisé le modèle Reynolds Stress (RSM) avec deux maillages structurés, séparant les domaines intérieur et extérieur, liés par des interfaces conformes. Le maillage comporte environ 600 000 mailles.
La condition limite d'entrée est basée sur le profil du vent incident et l'intensité de la turbulence. La condition limite de sortie utilise un profil de pression suivant l'approximation de Boussinesq.
Les résultats d’atténuation acoustique des volets ont été obtenus à partir de Comsol.

Tache 4 : Modélisation multi-physique pour l’évaluation des performances
Des modèles simplifiés représentatifs ont été intégrés au sein d'un modèle global de gestion intelligente sous TRNsys. Les fiches algorithmes permettent le transfert sur d'autres plate formes logicielles.

Tache 5 : Optimisation de la conception et de la gestion de concepts innovants
Des études paramétriques permettent de comparer plusieurs types de gestion et un outil d'aide à la décision est proposé.

L’obtention d’un compromis satisfaisant entre consommation énergétique et confort intérieur (thermique, lumineux, acoustique et qualité de l’air) suppose une intégration et une gestion intelligente des différentes fonctions des surfaces vitrées, voire des solutions innovantes permettant un bon compromis entre les contraintes. Une étude des technologies existantes a été complétée par une étude de conception innovante en joignant les différentes compétences présentes dans le consortium.

Pour les ouvertures, deux prototypes de volets sont testés :
• un en plexiglas pour une utilisation diurne
• un en mousse poro élastique pour une utilisation nocturne.
Des pièges à sons utilisant le principe du résonateur d'Helmotz sont proposés pour les fenêtres oscillo battantes
Ces essais ont eu lieu :
• en acoustique et éclairement à l’ENTPE
• en aéraulique en ventilation mono façade à l’ENTPE
• en aéraulique en ventilation traversante dans les locaux du CNRS à Cargèse. Les essais montrent que l'utilisation de plusieurs sondes CO2 autonomes bien placées donne une bonne précision.

Le renouvellement d'air avec volets se détermine au prorata des sections de passage vis à vis de la valeur «sans volet«. La réduction du bruit varie entre 7 et 11 dB.
Pour des débits d'air plus importants en rafraichissement d'été, la ventilation traversante nocturne est recommandée.

Une proposition de contrôle intelligent des ouvertures vitrées qui peut être appliqué totalement par automatismes ou être en partie géré par l'occupant est bâti. On a minimisé le nombre de manœuvres des stores et des fenêtres pour éviter un rejet par l'occupant.
Par cette gestion, on obtient en garantissant l'absence d'éblouissement et un niveau acoustique correct des résultats quasi équivalents en confort thermique et consommation d'éclairage à ceux correspondant à la ventilation naturelle sans respect de ces contraintes.

Ce projet contribue à améliorer les connaissances scientifiques dans la compréhension des phénomènes physiques intervenant au travers des ouvertures vitrées et la modélisation thermo-aéraulique, acoustique et des apports solaires et lumineux.
Il contribue à l'amélioration des pratiques professionnelles et permet de définir de nouveaux concepts de systèmes d'ouvertures vitrées intégrant la ventilation naturelle et les protections solaires optimisant le confort thermique, visuel et acoustique.

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Aujourd’hui, un bâtiment doit garantir à la fois une très faible consommation d’énergie, un bon confort thermique et visuel et une qualité environnementale acceptable (bruit, qualité de l’air). Toutes ces contraintes génèrent des exigences sur les caractéristiques d’un bâtiment qui se révèlent souvent contradictoires.
En particulier, la réduction des besoins de chauffage suppose une bonne isolation thermique et l'étanchéité de l’enveloppe, ainsi que la maximisation des apports solaires. Ceci entraine une augmentation des risques de surchauffe pendant les saisons chaude et intermédiaire, donc des inconforts thermiques ou une augmentation des consommations de refroidissement.
Afin de réduire ces effets négatifs, il est nécessaire de prévoir des dispositifs qui réduisent les apports solaires à travers les surfaces vitrées en période de refroidissement (protections solaires). Toutefois, il faut éviter que la réduction induite de lumière naturelle ait des effets négatifs sur le confort visuel ou augmente substantiellement la consommation d’éclairage artificiel.
En outre, l’ouverture d’une partie des surfaces vitrées, quand l’air extérieur est plus frais que l'air intérieur, contribue à la réduction des surchauffes mais ne doit pas générer de problèmes acoustiques ni augmenter les apports solaires à travers l’ouverture non protégée au point d’annuler l’effet du rafraîchissement par ouverture des baies.
L’obtention d’un compromis satisfaisant entre consommation énergétique et confort intérieur (thermique, lumineux, acoustique et qualité de l’air) suppose donc une intégration et une gestion intelligente des différentes fonctions des surfaces vitrées.
Les surfaces vitrées apparaissent comme une interface clé entre l'intérieur et l'extérieur pour la réduction des consommations hivernales et pour le confort d'été. Elles constituent un élément dynamique de l’enveloppe. Dans la pratique, la conception et l’optimisation de systèmes intelligents d'ouvertures vitrées requièrent une approche multi-physique prenant en compte la thermique, la ventilation, l’éclairage, l’acoustique et la qualité de l’air, ainsi que les interactions et contraintes qui dérivent du fonctionnement combiné des composants vitrés, des protections solaires et des ouvertures.
Cependant, la modélisation des ouvertures dans les outils de simulation du bâtiment est aujourd'hui très simplifiée et ne rend pas compte des différents phénomènes physiques en jeu. Le développement de modèles est indispensable pour permettre aux concepteurs et bureaux d'études de concevoir, de dimensionner et de gérer des systèmes de fenêtres afin de minimiser les consommations d'énergie et de maximiser le confort des occupants.

Ces travaux de recherche visent à acquérir de nouvelles connaissances sur les ouvertures vitrées du bâtiment mais aussi à améliorer la conception et la gestion de ces ouvertures par la mise à disposition des concepteurs de nouveaux outils de modélisation multi-physique. En particulier, les objectifs sont :
• d'élaborer et de valider expérimentalement des modèles multi-physiques de systèmes d'ouvertures vitrées pour évaluer leur impact sur la performance des bâtiments tertiaires en termes de consommations, confort thermique, confort visuel et performance acoustique.
• d'évaluer ensuite, grâce à ces résultats de modélisation, différentes options de conception et de gestion pour obtenir des choix "optimaux", sur la base d’une approche multicritères.
A l'issue du programme de recherche, les outils de modélisation multi-physique développés seront mis à disposition des concepteurs dans l'optique d'une utilisation dans des plateformes logicielles telles que TRNSYS ou EnergyPlus. Par ailleurs, des principes de conception et gestion optimisées seront proposés.