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HAL Id: tel-02085932 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02085932 Submitted on 1 Apr 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Études expérimentale et numérique des performances énergétiques d’une fenêtre pariétodynamique Remy Greffet To cite this version: Remy Greffet. Études expérimentale et numérique des performances énergétiques d’une fenêtre par- iétodynamique. Thermique [physics.class-ph]. Université de La Rochelle, 2016. Français. NNT : 2016LAROS020. tel-02085932 Université de La Rochelle – UFR Sciences Fondamentales et Sciences pour l’Ingénieur Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (UMR - 7356 CNRS) École doctorale Sciences et Ingénierie en Matériau, Mécanique, Énergétique et Aéronautique Thèse de doctorat pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de La Rochelle Spécialité : Énergétique et Thermique ÉTUDES EXPÉRIMENTALE ET NUMÉRIQUE DES PERFORMANCES ÉNERGÉTIQUES D’UNE FENÊTRE PARIÉTODYNAMIQUE Rémy GREFFET Soutenue le 31 mars 2016 JURY Monica SIROUX Professeur, INSA de Strasbourg Rapporteur Stéphane LASSUE Professeur, Université d'Artois Rapporteur Jean-Jacques ROUX Professeur, INSA de Lyon Examinateur Jean-Baptiste RIDORET Directeur Général Délégué, Groupe Ridoret Examinateur Patrick SALAGNAC Professeur, Université de La Rochelle Directeur de thèse Ghislain MICHAUX Maître de conférences, Université de La Rochelle Co-encadrant 3 Remerciements Une thèse de type Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) permet de mettre en relation la recherche académique et industrielle. Cela a été pour moi l’occasion de bénéficier du meilleur des deux entités. Cette thèse n'aurait pas pu exister sans la participation de nombreuses personnes. Ainsi, je tiens tout d’abord à remercier vivement les premières personnes qui m’ont fait confiance et qui ont accepté de diriger mes recherches : Patrick Salagnac et Ghislain Michaux. Ils ont su trouver le juste équilibre pour me guider tout en me laissant une certaine autonomie au cours de la thèse. Leurs expériences en modélisation et en expérimentation ont permis de définir un plan de travail adapté. Enfin, leurs relectures minutieuses de ce manuscrit ont permis l’aboutissement de ce travail. Aussi, cette thèse CIFRE n’aurait pu voir le jour sans la confiance d’une entreprise. Je remercie vivement Jean-Baptiste Ridoret, directeur général délégué du Groupe Ridoret, pour sa confiance, son suivi technique pointu et son engagement. J’ai eu plaisir de pouvoir échanger directement avec lui, souvent sur des sujets très techniques. Je remercie aussi Cyrille Raclet pour sa présentation de l’entreprise et ses explications détaillées sur le processus de fabrication des fenêtres. Merci à Axel Corlay pour sa grande participation à la fabrication des fenêtres prototypes en PVC et aux nombreux essais aérauliques. Merci aussi à Paul Gautelier pour son aide précieuse pour la conception des cellules expérimentales, ainsi que son aide et ses conseils pour la mise en place de l’instrumentation. Enfin, je remercie toutes les autres personnes du Groupe Ridoret qui ont pu apporter leur aide durant ma thèse. Au sein du Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (LaSIE), je tiens à remercier notamment Michel Burlot pour ses conseils sur l’instrumentation et l’étalonnage des capteurs, Jean Luc Faure pour sa formation et sa participation aux essais de perméabilité à l’air des cellules et Anas Sakout pour le prêt du matériel de mesure sonore. Je tiens aussi à remercier Jacques Paziaud, précurseur de la fenêtre pariétodynamique en France, pour sa riche expérience des fenêtres pariétodynamiques et les nombreux documents d’études antérieures qu’il m’a transmis. Je remercie aussi les membres du jury qui ont accepté d’évaluer ce travail de recherche : Monica Siroux, Stéphane Lassue et Jean-Jacques Roux. Leurs questions et remarques me permettront d’approfondir ce travail de recherche au sein du Groupe Ridoret. Enfin, je remercie chaleureusement mes collègues du LaSIE pour les échanges constructifs et leur bonne humeur : Alexandra, Rayan, Cécile, les deux Adrien, Valerian, Jean-Louis, Serge, Thomas, Remon, Laurent, Brice, Pierre, Kevin, Nesrine, Yacine, Malek, Nabil, Maxime, Alexis … et toutes celles et ceux qui se reconnaitront. Je remercie aussi ma famille pour son soutien tout au long de mes études. Ce mémoire de thèse marque à la fois leurs fins et la poursuite du travail au sein du Groupe Ridoret, en collaboration avec le laboratoire LaSIE. Cette poursuite sera, je n’en doute pas, tout aussi intéressante. 5 Résumé L'utilisation massive des énergies fossiles est en grande partie responsable des émissions de gaz à effet de serre. De plus, la croissance de la demande énergétique et la raréfaction des ressources fossiles conduisent à l'accroissement du coût de l'énergie. La réponse à cette problématique passe par deux moyens d'action indissociables : la réduction des consommations énergétiques et le recours aux énergies renouvelables. La fenêtre pariétodynamique permet d’agir sur les deux postes principaux de déperdition thermique d’un bâtiment que sont les baies et la ventilation. Le principe de la fenêtre pariétodynamique étudiée est de faire circuler de l’air en convection forcée entre trois verres avant d’être restitué à l’ambiance intérieure du bâtiment. Cela permet à l’air de récupérer à la fois une partie des déperditions thermiques à travers la fenêtre et une partie de l’énergie solaire absorbée par les verres. Afin d’étudier le comportement thermo-aéraulique et les performances de la fenêtre, nous avons développé un modèle numérique de cette dernière. Un dispositif expérimental a été mis en place et utilisé afin de valider le modèle numérique et de comparer en conditions réelles les performances de la fenêtre étudiée à celles d’une fenêtre à double vitrage classique. Ces résultats expérimentaux ont été complétés par une étude paramétrique numérique réalisée pour différentes conditions climatiques et de fonctionnement. Les principaux enseignements issus de ces études expérimentales et numériques sont que le préchauffage de l’air se fait essentiellement dans la lame d’air intérieure, la température de la première lame d’air restant proche de celle de l’air extérieur. De plus, et contrairement aux températures de la face intérieure et de l’air soufflé, celle de la face externe de la fenêtre est peu impactée par les paramètres étudiés. Concernant le cadre de la fenêtre, nous avons observé que celui-ci bénéficie aussi des échanges thermiques avec l’air circulant, mais dans une moindre mesure. Cela contribue à rendre la fenêtre peu déperditive. Enfin, en couplant le modèle développé à un logiciel de simulation thermique dynamique, nous avons évalué le potentiel d’intégration de fenêtres pariétodynamiques dans une maison individuelle. Nous mettons ainsi en évidence que le besoin de chauffage est réduit d'environ 20 à 30 % par l’utilisation de fenêtres pariétodynamiques à la place de fenêtres à double vitrage classique. En été, si l’ambiance intérieure du bâtiment est plus fraîche que l’environnement extérieur, la fenêtre pré-rafraîchit l’air neuf entrant. Mots-clés : bâtiment, fenêtre, pariétodynamique, ventilation, menuiserie, vitrage, étude expérimentale, modèle numérique. 7 Abstract The massive use of fossil energies is largely responsible for greenhouse gas emissions. Moreover, the growth in energy demand and the depletion of fossil resources lead to an increase in energy costs. The response to this challenge requires two means of action which are linked: the reduction of energy consumption and the use of renewable energy. The airflow window acts on the two main ways of building heat losses that are windows and the ventilation. The principle of the studied airflow window is based on the circulation of fresh air, by forced convection, between the three glasses of the window before entering the building. This allows air to recover both a part of heat losses through the window and part of the solar energy absorbed by the glasses. To study the thermo-aeraulic behavior and thermal performances of the window, we have developed a numerical model of the studied airflow window. An experimental set up was used to validate the numerical model and compare, in real conditions, the studied window performances to the ones of a conventional double-glazed window. These experimental results were complemented by a numerical parametric study for different climatic and operating conditions. The main information from these experimental and numerical studies are that the preheating of the air takes place essentially in the inner air gap, temperature in the first air layer remaining close to the outdoor one. In addition, unlike the temperatures of the inside face and of the blown air, the outer face temperature of the window is not greatly affected by the studied parameters. On the window frame, we found that it also benefits of heat exchanges with the circulating air, but to a lesser extent. This makes the window energy efficient. Finally, by coupling the developed model to a thermal building simulation software, we evaluated the airflow windows integration potential in a house. We thus demonstrated that the heat load is reduced by about 20 to 30% by the use of airflow windows instead of conventional double-glazed windows. Moreover, in summer, when indoor is cooler than outdoor, we pointed out that the airflow window cools the incoming fresh air. Keywords: uploads/Science et Technologie/2016greffet82702-pdf.pdf