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Dec 08, 2023

Bâtiment durable : pour atteindre le confort thermique dans les bâtiments très vitrés grâce au verre intelligent

Date : 12 avril 2023 Auteurs : Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader et

Date : 12 avril 2023

Auteurs : Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader et Ahmed A.Medhat A. Fahim

Source:IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 1113, Visions for Future Cities (VFC-2022) 23/09/2022 - 25/09/2022 Le Caire, Égypte

EST CE QUE JE:10.1088/1755-1315/1113/1/012021

La conception conventionnelle du bâtiment offre des solutions statiques pour l'enveloppe du bâtiment, bien que les caractéristiques climatiques soient des paramètres variables, ce qui conduit à un décalage entre le bâtiment et l'environnement, et donc à un environnement thermique inconfortable pour les occupants. En conséquence, les façades extérieures de nombreux bâtiments conventionnels sont devenues une charge thermique pour leurs occupants, nécessitant des solutions mécaniques pour atteindre le confort thermique, ce qui affecte négativement l'environnement et provoque une crise énergétique, la pollution de l'air et le réchauffement climatique.

L'hypothèse est que l'utilisation de verre intelligent dans l'enveloppe du bâtiment peut fournir des solutions optimales pour adapter les bâtiments aux caractéristiques climatiques et environnementales variables, améliorant ainsi le confort thermique des utilisateurs et, en outre, contribuant à la réalisation des objectifs de développement durable (ODD), qui visent à améliorer la santé, lutter contre le changement climatique et la consommation d'énergie responsable. Ceci est approuvé en simulant un immeuble de bureaux à vitrage élevé à l'aide du logiciel DesignBuilder dans son cas de base et après avoir appliqué les techniques de verre intelligent proposées. Ensuite, les charges de refroidissement sont calculées pour étudier l'efficacité de la consommation d'énergie.

Le confort humain est un objectif important dans le processus de conception architecturale. Les personnes doivent être en sécurité et en bonne santé dans le bâtiment pendant leur utilisation. Une fois la sécurité et la santé assurées, ils ont besoin d'un confort environnemental intérieur qui comprend notamment un confort thermique pour non seulement le bonheur mais aussi la productivité et les interactions sociales. [1]

Les bâtiments doivent être adaptés à leur environnement et interagir intelligemment avec les conditions environnementales locales. Cette interaction est logiquement plus réalisée par l'enveloppe du bâtiment (principalement pour une réponse aux conditions climatiques souhaitées ou non souhaitées) où les climats changeants. Ainsi, les enveloppes des bâtiments, en particulier très vitrées, doivent être intelligemment conçues pour interagir avec les conditions environnementales environnantes afin d'offrir des performances élevées par rapport aux performances des enveloppes statiques et traditionnelles.[2],[3]

2.1. Architecture durable, verte et intelligente

L'intégration de techniques de conception verte et de technologies intelligentes dans le bâtiment réduit non seulement la consommation d'énergie et l'impact environnemental, mais réduit également les coûts d'exploitation et de maintenance, crée un environnement de travail agréable et confortable, améliore la santé des utilisateurs et augmente leur productivité, et augmente la valeur du bâtiment et les revenus locatifs. L'architecture intelligente contribue à la réalisation des objectifs de développement durable avec des applications intelligentes et une technologie moderne qui s'intègrent aux technologies de communication dans les éléments de construction. Tout bâtiment intelligent est un bâtiment vert, et non l'inverse. Les bâtiments intelligents ont une performance efficace vis-à-vis de l'environnement grâce à une interaction dynamique positive entre les éléments de construction et l'environnement. [4] La figure 1 présente les points communs entre les bâtiments intelligents et verts.

2.2 Fenêtre intelligente

L'enveloppe intelligente est définie comme une performance avancée pour l'enveloppe du bâtiment avec une conception intelligente liée aux conditions climatiques et des solutions technologiques pour la construction telles que les fenêtres intelligentes, l'isolation intelligente, la façade intelligente, les systèmes intelligents et les solutions d'équipement technologique intelligentes telles que les systèmes de gestion intelligents, le tout pour offrir les meilleures conditions aux utilisateurs telles que le confort thermique, le bien-être intérieur, la conservation efficace de l'énergie et l'utilisation efficace de l'environnement. La réponse adaptative d'une enveloppe intelligente peut être de manière passive ou active, ou une combinaison des deux. Les réponses passives se produisent sans aucune interférence de l'occupant. D'autre part, des réponses actives se produisent en intégrant des dispositifs et des systèmes de contrôle automatique dans les éléments de l'enveloppe du bâtiment. Les enveloppes de bâtiments intelligentes sont capables d'auto-apprentissage des utilisateurs et d'attendre les configurations requises des conditions environnementales changeantes. Ils éduquent également les utilisateurs, modifient leurs actions, se renseignent sur les besoins des occupants, sélectionnent l'action la plus appropriée pour chaque stimulus et le font. [5], [6]

Les fenêtres intelligentes sont définies comme "le type de fenêtres qui bloquent partiellement le rayonnement solaire indésirable et peuvent aider les bâtiments à maintenir des niveaux de performance énergétique plus élevés". La fenêtre intelligente peut réaliser différents stimuli externes, qu'il s'agisse des conditions environnementales (chaleur, lumière, etc.) ou du courant électrique et réagir en modifiant ses propriétés (par exemple, le facteur solaire, le rayonnement transmis par le spectre solaire) pour contrôler la température intérieure et la lumière transmise à travers le verre. En conséquence, la fenêtre intelligente doit contrôler l'absorption thermique, l'absorption thermique, la transmission thermique, la vue et la transmission optique. [7], [8] "Le vitrage à transmission variable (VTG) est une fenêtre intelligente où les propriétés de transmission varient pour atteindre les environnements lumineux et thermiques optimaux." [9] Les VGT sont également appelés vitrages dynamiques ou commutables et ont un rôle d'auto-ombrage. Les vitrages intelligents dynamiques peuvent être classés en trois catégories : chromiques (thermochromiques, photochromiques et électrochromiques), les dispositifs à cristaux liquides et les dispositifs à particules en suspension. En outre, ils peuvent être regroupés en vitrages actifs et passifs, comme le montre la figure 2. Les systèmes de vitrages actifs peuvent être contrôlés par un système de gestion du bâtiment (BMS) répondant aux besoins des occupants et aux changements environnementaux. Le vitrage EC offre une meilleure protection contre les rayons solaires et UV que le verre SPD et LCD. Les systèmes de vitrage passifs n'ont pas besoin de stimuli électriques ; ils changent eux-mêmes leurs propriétés en raison de stimuli naturels (par exemple, la chaleur et la lumière). [10], [11]

DesignBuilder est l'outil de simulation pour l'étude de cas présentée dans cet article. Il s'agit d'un programme de modélisation environnementale convivial où nous pouvons travailler avec des modèles de bâtiments virtuels. EnergyPlus est le moteur de simulation qui sera utilisé dans l'étude de cas. EnergyPlus est un logiciel prêt à l'emploi qui s'intègre à l'environnement DesignBuilder et permet d'effectuer des simulations complètes sans quitter l'interface. "Les calculs d'EnergyPlus sont basés sur les définitions ASHRAE avec différentes méthodes de traitement des données." [12], [13]

L'étude se compose de cinq phases : analyse du site et description du bâtiment -analyse des spécifications des éléments de l'enveloppe du bâtiment et simulation de ce cas de base -application des solutions techniques intelligentes proposées à l'enveloppe et simulation de chaque cas -simulation des charges de refroidissement du cas de base et des cas intelligents proposés -comparaison analytique et conclusion de leur efficacité pour atteindre les exigences de confort thermique et économiser l'énergie.

Actuellement, les immeubles de bureaux sont construits avec une grande surface vitrée extérieure et manquent de ventilation naturelle, ce qui impacte la qualité de l'air et le confort thermique des employés dans leurs espaces de travail et, par conséquent, leur santé, leur productivité et leur adaptabilité. [14] Sur cette base, l'étude de cas sélectionnée est un projet d'immeuble de bureaux avec environ 85 % de surface à simple vitrage ; La figure 3 montre le modèle de bâtiment créé par les outils du programme de simulation. En conséquence, cette enveloppe du bâtiment devient une charge thermique pour les occupants, ce qui conduit à une utilisation intensive des technologies mécaniques pour atteindre le confort thermique. L'étude de cas est située dans la zone de l'aéroport du Caire et a un plan semi-carré, comme le montrent les figures 4–6.

4.1. L'analyse des données

La plupart des espaces architecturaux de cet immeuble de bureaux ont deux orientations. Ainsi, pour le rez-de-chaussée et les étages types, quatre pièces de bureaux ont été choisies, avec les orientations Nord et Est-Nord et Ouest-Sud et Est-Sud et Ouest (comme le montrent les Figures 7, 8 et 9), pour étudier les performances thermiques de ces espaces et les comparer aux limites du confort thermique. Et de même, les mêmes orientations seront à nouveau étudiées pour les quatre bureaux du dernier étage (comme le montre la figure 10) pour déterminer l'effet des charges thermiques du toit.

4.2. Simulation de cas de base

4.2.1. Des données d'entrée

Les dialogues Design-Builder permettent de charger des données dans les espaces modèles (dialogues Activité, Construction, Ouvertures, Éclairage, CVC, Sorties et CFD). [13] Les dialogues d'activité définissent les données d'utilisation du bâtiment, y compris les données sur l'occupation, les points de consigne de température interne, les charges et les horaires des équipements, les taux de ventilation et les niveaux d'éclairement. Les dialogues d'éclairage identifient les densités de puissance d'éclairage pour l'éclairage général et de travail. Les dialogues de construction identifient les données de construction génériques ; les dialogues d'ouverture identifient les données de fenêtrage et le type de vitrage. Le tableau 1 résume ces données.

Tableau 1 : Données d'entrée sur la construction et l'ouverture pour le cas de base (auteur)

4.2.2. Des données de sortie

Selon les données d'entrée, la simulation a été effectuée le 19 août, car la semaine de conception estivale s'étend du 19 août au 25 août. Le tableau 2 comprend les résultats des données de confort : la moyenne horaire de la température opératoire, de la température sèche extérieure et de l'humidité relative.

Tableau 2 : Sorties de données de confort de la simulation de cas de base (Chercheur)

4.3. Re-simulation

D'après la simulation précédente, le bâtiment est thermiquement inconfortable, en particulier les bureaux Sud/Est et Sud/Ouest, en raison de la grande surface vitrée. En conséquence, la section suivante discutera de certains verres intelligents proposés à remplacer par les unités vitrées actuelles pour améliorer les performances thermiques.

4.3.1. Des données d'entrée

Les Smart Glass Techniques proposées :

A. Vitrage thermochromique : Le verre TC peut modifier ses propriétés thermo-optiques en raison d'une différence de température sur la face externe. Le film TC absorbe la chaleur, ce qui provoque une transition de phase ou une réaction chimique. Une fois que la température dépasse le point de transition (65 °C, transparence minimale), le verre devient opaque et devient transparent à des températures plus basses (10 °C, transparence maximale), comme le montre la figure 19. Le matériau thermochromique le plus courant est l'oxyde de vanadium VO2, qui a une température de transition de 68 °C. [6]

B. Vitrage électrochromique : SAGE Electrochromics Inc. SageGlass Green 9mm lami full clear 49%T. EC se compose de deux couches de verre, de deux couches de conducteurs transparents, d'une couche électrochromique, d'un électrolyte et d'une couche de stockage d'ions. Lorsque l'alimentation est allumée, les ions sortent de la couche électrochromique et le verre s'assombrit. Il redevient transparent lorsque le sens du champ électrique est inversé (Figure 20). [6], [16]

C. Verre à faible émissivité : Une unité à double vitrage d'une couche externe de Viracon Low E II (panneau de verre transparent avec revêtement à faible émissivité sur la surface n° 2) - 6 mm d'argon - 6 mm de panneau de verre transparent générique. Les revêtements à faible émissivité sont des films minces spectralement sélectifs appliqués sur un vitrage multiple qui laissent passer la lumière visible et bloquent les longueurs d'onde IR et UV, qui créent généralement de la chaleur pour réduire l'émission de chaleur rayonnante et fournir une isolation thermique. Le revêtement est appliqué au minimum sur une surface de vitres qui font face à la cavité ; sa position dépend des conditions climatiques. Dans les climats chauds, pour augmenter la réflexion et réduire la transmission de l'énergie solaire, il est préférable d'enduire la surface intérieure de la vitre extérieure (Figure 21). [17]

4.3.2 Données de sortie

La partie suivante abordera les rendements des solutions verrières intelligentes pour les bureaux sélectionnés (orientés Sud/Est et Sud/Ouest) .

A. Vitrage thermochromique

TC contrôlait efficacement la quantité d'énergie solaire traversant la fenêtre, fournissant de l'ombrage. Le tableau 3 contient des graphiques qui comparent la température opératoire pour les bureaux des études de cas dans leur cas de base et ce cas proposé.

Tableau 3 : Rendement du verre thermochromique. (Auteur)

B. Vitrage électrochrome

Les fenêtres électrochromiques contrôlent efficacement la quantité d'énergie solaire et lumineuse qui peut passer à travers la fenêtre, fournissant de l'ombrage. Le tableau 4 contient des graphiques qui comparent les températures opératoires des bureaux des études de cas dans leur cas de base et ce cas proposé.

Tableau 4 : Rendement des vitrages électrochromes. (Chercheur)

C. Sorties en verre à faible émissivité

Cette unité de vitrage a fourni un contrôle solaire et thermique tout en permettant des niveaux plus élevés de lumière naturelle du jour ou de transmission de la lumière visible. Le facteur thermique (valeur U) est amélioré de plus de 60 % par rapport à un simple vitrage sans revêtement. Le tableau 5 contient des graphiques qui comparent la température opératoire des bureaux des études de cas dans leur cas de base et ce cas proposé.

Tableau 5 : Rendement des vitrages Low-E. (Chercheur)

4.4. Charges de refroidissement

Dans cette étude de cas, un système d'unité de climatisation split typique est utilisé. Un système split à zone unique emballé utilise un équipement unitaire (fabriqué en usine) qui est entièrement autonome pour fournir le chauffage et le refroidissement. Le système d'unités séparées est le système de climatisation le plus courant en Égypte. Dans ce cas, le système split no air frais est installé dans chaque pièce de bureau pour obtenir un confort thermique. Pour le bâtiment dans son cas de base et chaque solution intelligente, la température de consigne dans chaque pièce est ajustée et simulée en deux passages à 23 °C (recommandé pour économiser de l'énergie) et 20 °C (réglage typique). Les résultats de performance énergétique tout au long du 19 août sont présentés dans le tableau 6 pour la situation avec un système d'unités divisées.

Tableau 6 : Sorties des charges de refroidissement (Chercheur)

Performance thermique: Les simulations précédentes ont prouvé l'efficacité de la modernisation du verre existant avec du verre intelligent pour améliorer les performances thermiques du bâtiment, chaque type en quantités différentes. Les résultats montrent que le vitrage électrochrome atteint les meilleures performances thermiques lorsque la température opératoire est réduite d'environ 3 à 7 °C. Le vitrage thermochromique offre les performances thermiques les plus faibles car la température de fonctionnement est réduite d'environ 2 à 5 °C. Selon les sorties de simulation, l'ordre de ces solutions en raison des meilleures performances thermiques : vitrage électrochrome ; unité à double vitrage avec revêtement Low-E ; vitrage thermochromique (Figure 34).

Consommation d'énergie: D'après la comparaison analytique des résultats de la simulation du bâtiment avec les solutions intelligentes proposées et les unités de climatisation divisées, les enveloppes intelligentes peuvent réduire la consommation d'énergie pour le refroidissement d'environ 21 à 36,4 %, selon le type de solution, comme illustré à la Figure 35. La consommation d'énergie est réduite d'environ 12,5 % à 14,5 % lorsque la température de consigne de l'unité split est modifiée de 20 °C à 23 °C.

L'architecture intelligente contribue à la réalisation des objectifs de développement durable avec des applications intelligentes et des technologies modernes qui s'intègrent aux technologies de communication dans les éléments de construction. Cet article présente un examen des systèmes de verre intelligents qui contribuent à créer une enveloppe de bâtiment intelligent durable qui s'attaque au changement climatique et améliore le confort thermique des occupants dans leur environnement bâti. De plus, cela démontre la possibilité d'appliquer ces solutions intelligentes en Égypte.

La comparaison analytique des résultats de la simulation a prouvé l'efficacité de la modernisation du verre existant avec du verre intelligent pour s'adapter aux conditions environnementales en vue d'améliorer les performances thermiques du bâtiment, chaque type en quantités différentes. Les résultats montrent que le vitrage électrochrome atteint les meilleures performances thermiques lorsque la température opératoire est réduite d'environ 3 à 7 °C. Le vitrage thermochromique offre les performances thermiques les plus faibles car la température de fonctionnement est réduite d'environ 2 à 5 °C. L'analyse énergétique montre que l'application d'unités de climatisation séparées aux espaces avec les solutions de verre intelligentes proposées peut réduire la consommation d'énergie pour le refroidissement d'environ 21 à 36,4 %, selon le type de solution simulée. Les vitrages thermochromiques ont les meilleurs résultats puisqu'ils permettent d'économiser environ 36,40 % de consommation d'énergie. Bien que le vitrage électrochrome ait de meilleures performances thermiques, il permet d'économiser environ 21% de consommation d'énergie car il utilise de l'électricité.

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