Numerical and experimental characterization of the thermo-aeraulic behaviour of an active double window
Caractérisations numérique et expérimentale du comportement thermo-aéraulique d’une double-fenêtre active
Résumé
Double windows appear as a relevant renovation solution to both energy and architectural questions of historic buildings preservation. The device consists in the addition of a second window behind an original one, the new one being mainly installed on the interior side of the historic facade. Double windows differ from double glazings since it is a question of adding an entire window, not just a glazed surface. The scientific literature investigation highlighted the lack of knowledge concerning historic buildings integration of double windows although it alters their design and their working. The device studied in this PhD thesis is an interior double window, adapted to historic features of XIXth century buildings, mechanically ventilated making this façade element active and innovative. There is no characterization or characterization tool of this kind of device yet. Thus, this PhD work aims to characterize the thermo-aeraulic behaviour and performances and to extract some design or use recommendations. With this in mind, two approaches were set up. The first one, the experimental approach, consisted in the design and the use of multi-scale prototypes. Two kind of prototype were elaborated in order to perform both controlled conditions and in situ tests. Several experimental campaigns were led et and provided a strong experimental database. This work allowed us to describe the thermo-aeraulic behaviour of the active double window in many functional configurations and to highlight the dynamic characteristics of its energy performances. However, it appeared that the characterization remained incomplete so we decided to set up a second approach. This latter, which is numerical, consisted in the precise and dynamic modelling of the active double window. The numerical model was experimentally validated thanks to the measurements database and to an original and critical validation method. Finally, the numerical approach focused on the parametrical characterization of the active double window in order to back up and complete the experimental previous observations. This parametrical approach also highlighted a dynamic determining method of the thermal performances.
La double-fenêtre est une solution de rénovation qui répond aux problématiques énergétique et architecturale de préservation des façades du bâti ancien. Elle constitue un système basé sur la pose de deux fenêtres, l’une derrière l’autre, la nouvelle fenêtre étant le plus souvent, posée du côté intérieur de l’habitat ancien. Ce système se différencie des doubles vitrages puisqu’ici il s’agit d’ajouter une fenêtre entière (dormant et ouvrant). L’étude approfondie de la littérature scientifique a mis en avant qu’aucune considération n’a été apportée à l’application de ce dispositif à des bâtiments historiques alors que cela modifie fortement sa conception et son fonctionnement. Le système étudié dans ce travail de thèse est une double-fenêtre par l’intérieur, adaptée aux bâtis historiques du XIXe siècle, ventilée mécaniquement en insufflation rendant cet élément de façade actif. Il s’agit d’un dispositif innovant que ce soit par son domaine d’application ou par ses propriétés techniques dont il n’existe à l’heure actuelle, ni de caractérisation ni d’outil pour caractériser la double-fenêtre innovante étudiée dans cette thèse. Par conséquent, ce travail de thèse vise à caractériser son comportement et ses performances thermiques et à dégager des recommandations quant à sa conception et son utilisation. Pour atteindre ces objectifs, deux approches ont été mises en place. La première, expérimentale, a consisté en l’élaboration et l’utilisation de prototypes multi-échelle. Deux types de dispositifs expérimentaux ont été mis au point, afin de mener des tests en conditions contrôlées et in situ. Plusieurs campagnes de mesures ont été effectuées et ont fourni une base de données expérimentale conséquente. Grâce à ce travail expérimental, nous avons pu décrire le comportement thermo-aéraulique de la double-fenêtre en diverses situations de fonctionnement et montrer le caractère dynamique de ses performances. En revanche, il s’est avéré que la caractérisation du comportement thermique de ce dispositif n’a pu être complète. Par conséquent, nous avons décidé d’utiliser une seconde approche, numérique. Celle-ci a constitué, dans un premier temps, en l’élaboration d’un modèle numérique dynamique et rapide d’utilisation. L’outil numérique créé a été validé à l’aide des données expérimentales et d’une méthode originale et critique de validation. Dans un second temps, l’approche numérique s’est portée sur la caractérisation paramétrique de la double-fenêtre ventilée afin d’appuyer et compléter les observations expérimentales. Cette approche paramétrique a également permis de fournir une méthode de détermination dynamique des performances thermiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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