La science derrière les fenêtres à guillotine et comment elles ventilent nos maisons

La science derrière les fenêtres à guillotine et comment elles ventilent nos maisons

Trois régimes d’écoulement différents à travers une fenêtre à guillotine, tels qu’identifiés par les chercheurs, à partir de la gauche : écoulement bidirectionnel à l’ouverture inférieure ; flux unidirectionnel; flux bidirectionnel à l’ouverture supérieure. Crédit : Université de Cambridge

Les chercheurs ont évalué le débit de ventilation naturelle à travers une fenêtre à guillotine – une caractéristique courante dans les bâtiments domestiques – pour éclairer la conception de bâtiments intelligents et à faible consommation d’énergie.

Une ventilation efficace améliore non seulement la qualité de l’air intérieur, mais elle peut également limiter le risque de transmission d’infections aéroportées en faisant circuler de l’air frais dans la pièce. Afin de mettre en œuvre toute stratégie de ventilation, une bonne compréhension de la physique des flux est nécessaire, ainsi que des modèles simples et précis qui peuvent être facilement mis en œuvre pour aider à optimiser les performances des bâtiments neufs et existants.

Une fenêtre à guillotine traditionnelle comporte deux volets coulissants verticaux qui permettent à la fenêtre d’être ouverte en haut et/ou en bas. À l’aide de modèles simples pour estimer la ventilation par la fenêtre, les chercheurs, dirigés par l’Université de Cambridge, ont examiné la ventilation basée sur la flottabilité d’une pièce fermée avec une fenêtre à guillotine ouverte, où la température intérieure est plus chaude qu’à l’extérieur.

En hiver, la ventilation basée sur la flottabilité – qui repose sur la différence de température entre l’air chaud plus léger à l’intérieur du bâtiment et l’air froid plus lourd à l’extérieur du bâtiment – utilise la chaleur à l’intérieur (générée par nos corps et nos appareils) pour générer un flux et ventiler un bâtiment. Par exemple, lorsqu’une fenêtre à guillotine est ouverte, l’air plus léger s’échappera par le haut et l’air plus froid entrera dans le bâtiment par le bas.






Les chercheurs ont identifié trois régimes d’écoulement différents qui peuvent se produire : un écoulement bidirectionnel à travers la fenêtre inférieure, un écoulement unidirectionnel à travers chaque ouverture et un écoulement bidirectionnel à travers la fenêtre supérieure, entraînant ainsi des débits différents. Leurs résultats sont publiés dans la revue Flow. Le modèle qu’ils ont développé est applicable à n’importe quelle fenêtre à guillotine et estime le régime d’écoulement qui se produit, ainsi que le débit de ventilation de la configuration de la fenêtre à guillotine et la différence de température.

Le calcul des débits de ventilation (le volume d’air qui est fourni à une pièce sur une période de temps) est important pour modéliser la qualité de l’air intérieur, ce qui est souvent fait dans l’évaluation de la conception du bâtiment avant la construction ou la rénovation. Ces calculs peuvent être utilisés pour déterminer l’impact énergétique de la ventilation et estimer le transfert de polluants atmosphériques, par exemple, aboutissant à des modèles qui peuvent être intégrés dans des programmes de contrôle de la ventilation des bâtiments intelligents.

Les différents régimes d’écoulement, identifiés par les chercheurs, ont été testés avec des expériences à petite échelle en utilisant un réservoir rempli de compartiments d’eau douce et salée, séparés par une barrière avec une ouverture pour représenter une fenêtre à guillotine à grande échelle. L’expérience a été rétro-éclairée avec un projecteur utilisant un miroir à 45 degrés, la lumière traversant l’expérience étant projetée sur une feuille de papier calque – une technique connue sous le nom de shadowgraph – et utilisée pour la visualisation du flux.

La science derrière les fenêtres à guillotine et comment elles ventilent nos maisons

Shadowgraph d’une expérience de réservoir d’eau, où un écoulement bidirectionnel le long de l’ouverture inférieure de la fenêtre à guillotine peut être observé. Crédit : Université de Cambridge

Les chercheurs montrent que pour une hauteur fermée donnée de la fenêtre à guillotine, le taux de ventilation maximal est obtenu pour une configuration de fenêtre à guillotine symétrique, lorsque les hauteurs des ouvertures inférieure et supérieure sont les mêmes. Ils montrent qu’à mesure que la taille du panneau fermé par rapport à la surface totale de la fenêtre augmente, le taux de ventilation devient plus sensible à la géométrie des ouvertures. Lorsque la hauteur de la partie fermée de la fenêtre à guillotine représente 50 % de la hauteur totale, le débit maximal de ventilation est presque le double du débit minimal. Pendant ce temps, lorsque 90% de la fenêtre à guillotine est fermée, le débit de ventilation maximal est plus de quatre fois supérieur au débit minimal.

Gaël Kemp, Ph.D. étudiant et co-auteur de l’article, a déclaré: “Le but principal de la ventilation est l’élimination des polluants et de la chaleur. Si elles sont utilisées correctement, les fenêtres à guillotine peuvent être des sources de ventilation très efficaces. En utilisant une approche de modélisation semi-analytique et analytique, testé avec des expériences de laboratoire à petite échelle, nous évaluons la disposition optimale des fenêtres à guillotine pour différentes stratégies de ventilation naturelle. Nos résultats peuvent être utilisés dans des bâtiments intelligents pour ouvrir automatiquement les fenêtres à guillotine afin d’obtenir le régime d’écoulement et le taux de ventilation souhaités.


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Plus d’information:
Gaël F. Kemp et al, Mécanique des fluides des fenêtres à guillotine, Couler (2022). DOI : 10.1017/flo.2021.14

Fourni par l’Université de Cambridge

Citation: La science derrière les fenêtres à guillotine et comment elles ventilent nos maisons (4 avril 2022) récupéré le 4 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-science-sash-windows-ventilate-homes.html

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