Analyse expérimentale et numérique des U-valeurs des double-fenêtres en mode insufflation

Experimental and numerical analysis of U-values of supply-air double windows

• Auteur / Autrice : Yujian Huang
• Direction : Mohamed El Mankibi, Richard Cantin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Zhiqiang Zhai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Giroux-Julien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdeslam Draoui, Liangzhu Wang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Fenêtres

Constructions -- Isolation thermique

Monuments historiques -- Conservation et restauration

Mots clés libres

Double-fenêtre en mode insufflation

Cadre d'identification inverse

Modèle de régression

Simulation de mécanique des fluides numériques (MFN)

Boîte chaude gardée (GHB)

U-valeur

Supply-air double window

Inverse identification framework

Regression model

Computational fluid dynamic (CFD) simulation

Guarded hot box (GHB)

U-value

Résumé

La surface des fenêtres des bâtiments protégés dans des villes françaises, également appelés bâtiments Haussmanniens, constitue plus de 65 % de leurs façades. Ainsi, l'amélioration de la performance des fenêtres dans les bâtiments protégés représente un grand potentiel pour atteindre les objectifs d'efficacité énergétique des bâtiments. Un défi de la rénovation des fenêtres dans les bâtiments protégés réside dans le fait que les façades de ces bâtiments doivent être préservées. Pour relever ce défi, la double-fenêtre en mode insufflation est proposée comme solution de rénovation en plaçant une fenêtre secondaire à l'intérieur de l'ancienne fenêtre. Lors des procédures de conception, de construction et de rénovation des fenêtres, la U-valeur est un indicateur important. Nos travaux de recherche se concentrent sur les U-valeurs des fenêtres, notamment en proposant une nouvelle méthode expérimentale pour identifier les U-valeurs, en menant une étude paramétrique complète sur les U-valeurs, en déterminant une nouvelle méthode pour calculer les U-valeurs dynamiques et en proposant un cadre d'identification inverse. Plus précisément, une méthode expérimentale ajustée de boîte chaude gardée (GHB) a été proposée en améliorant la configuration de la GHB et le processus de calibration. Au cours des expériences GHB, les U-valeurs de différentes configurations de fenêtres ont été testées et comparées afin de révéler le potentiel d'application des double-fenêtres en mode insufflation. En outre, des simulations numériques ont été réalisées sur la base d'un modèle tridimensionnel de dynamique des fluides numérique (CFD), validé par les données expérimentales de la GHB. Sur la base des simulations, une étude paramétrique complète a été réalisée afin de mieux comprendre les variations des U-valeurs et une analyse de sensibilité a été effectuée pour comparer les effets de différents paramètres sur les double-fenêtres en mode insufflation. En outre, des modèles de régression permettant une prise de décision rapide dans différentes conditions aux limites ont été établis et optimisés sur la base des données recueillies lors des simulations CFD. Les modèles de régression optimisés ont été comparés en termes de différents indicateurs d'évaluation et l'effet de la taille du jeu de données sur la performance du modèle a également été étudié. En outre, un cadre d'identification inverse a été proposé pour les double-fenêtres rénovées. Ce cadre pourrait fournir des exigences pour les paramètres de conception de la rénovation des fenêtres (par exemple, la U-valeur de la fenêtre secondaire et le débit d'air fourni) et faciliter ainsi le travail de rénovation.

Windows area of French cities protected building also called Haussmann constitute more than 65 % of their facades. Thus, the improvement of window performance in protected buildings has a large potential to achieve building energy efficiency goals. A challenge of window renovation in protected buildings is that the façades of these buildings need to be preserved. To face this challenge, the supply-air double window is proposed as a renovation solution by putting a secondary window inside of the old window. During the window design, construction and renovation procedures, the U-value is an important indicator. Our research works are focus on the U-values of supply-air double windows, including proposing a new experimental method to identify the U-values, conducting a comprehensive parametric study on U-values, determining a new method to calculate dynamic U-values and proposing an inverse identification framework. Specifically, an adjusted guarded hot box (GHB) experimental method was proposed by improving the GHB setup and calibration process. During the GHB experiments, the U-values of different window configurations were tested and compared to reveal the application potentials of supply-air double windows. Furthermore, numerical simulations were performed based on a three-dimensional computational fluid dynamic (CFD) model which was validated by the GHB experimental data. Based on the simulations, a comprehensive parametric study was performed to better understand the variations in U-values and a sensitivity analysis was taken to compare the effects of different parameters on supply-air double windows. Furthermore, regression models which can support a fast decision-making under different boundary conditions were established and optimized based on data collected from CFD simulations. The optimized regression models were compared in terms of different evaluation indicators and also the effect of dataset size on model performance was investigated. Moreover, an inverse identification framework was proposed for renovated supply-air double windows. Such a framework could provide requirements for window renovation design parameter (e.g., the U-value of secondary window and supplied air flow rate) and thus facilitate the renovation work.