Chapitre II. Présentation des doubles-fenêtres et retours de connaissances scientifiques
II.1. Présentation du dispositif
II.1.1. Un dispositif adaptable
L’ajout de la deuxième fenêtre offre de nombreux types d’installation et de dispositions possibles permettant d’adapter la solution double-fenêtre selon le cas de rénovation. L’ajout peut se faire côté intérieur ou extérieur de la fenêtre existante. L’ajout côté intérieur est le plus souvent mis en place et étudié car étant moins contraignant et n’impactant pas l’architecture de la façade. Ensuite, la seconde fenêtre peut être installée de trois différentes manières (cf. Figure II-1) :
- sur la même allège (a),
- sur une tablette aménagée pour l’occasion en cas d’allège trop petite (b), - sur le plancher (c).
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Il est également possible de faire varier les types et caractéristiques des vitrages (simple, double, peu émissif, …) pour obtenir des performances et effets différents. Enfin, il est possible d’utiliser la double-fenêtre comme système fermé ou ouvert à une ventilation. Cette ventilation peut se faire suivant dix modes différents illustrés sur la Figure II-2 où l’ambiance intérieure est considérée à droite et l’ambiance extérieure à gauche [27]. Dans les modes (1), (2), (3) et (4) la circulation de l’air ne se fait que d’un seul côté. Dans les modes (5), (6) la ventilation est traversante et en extraction d’air alors que dans les modes (7) et (8) la ventilation fonctionne en insufflation d’air. Ce dernier mode permet à l’air circulant dans la cavité de récupérer la chaleur transmise à travers la fenêtre. Le mode (9) correspond à un cas de double circulation dont les sens d’écoulement dépendent fortement des conditions ambiantes. Enfin, le mode (10) correspond à une double-fenêtre fermée sans ventilation.
Figure II-2. Différents régimes de ventilation dans une double-fenêtre [27].
II.1.2. Différentes désignations
La grande adaptabilité de ce dispositif a donné lieu à plusieurs dénominations. On peut les classer en deux catégories : les doubles-fenêtres fermées et les doubles-fenêtres ventilées. Les dispositifs fermés se trouvent aussi sous les désignations « storm window » ou « secondary glazing » par exemple [28–31]. Pour les configurations ventilées on retrouve les désignations « supply air window » ([32–37] par exemple) et « air flow window » ([38– 40] par exemple) quand le flux d’air traverse la double-fenêtre et « ventilated window » ou bien « ventilated double window » lorsque la ventilation n’est pas traversante ([41–44] par exemple). L’ensemble des différentes désignations trouvées dans la littérature de 1960 à 2015 sont regroupées dans la Figure II-3.
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Figure II-3. Différentes désignations des doubles-fenêtres [45].
II.1.3. Des similitudes physiques avec d’autres dispositifs
En termes de physique on peut faire le parallèle avec les façades double-peau transparentes. Tout comme les doubles-fenêtres, ces façades consistent en deux surfaces transparentes séparées par une zone tampon entrainant ainsi des similarités dans le comportement thermo-aéraulique. La différence se fait principalement au niveau de la taille du dispositif. Les façades sont beaucoup plus grandes évidemment ce qui a pour effet de diminuer l’influence des parois latérales. A propos des façades ventilées, Quesada et al. ont effectué un état-de-l’art détaillé des dix dernières années [46]. Ils notent que ces dispositifs ont gagné une reconnaissance en tant qu’élément architectural dans les bâtiments de bureaux et qu’au-delà de l’esthétisme, ces façades ventilées permettent de réduire la demande en chauffage en hiver et la demande en climatisation en été. A l’instar des doubles-fenêtres, une attention spéciale est donnée à l’étude des systèmes d’occultations intégrés dans la zone tampon dans le but de réduire les apports solaires du bâtiment.
Un autre dispositif contenant des similarités est désigné comme une fenêtre ventilée a été étudié par Ismail et al. [47] ainsi qu’Onur et al [48]. Ce dispositif, montré en Figure II-4 diffère des doubles-fenêtres de par l’épaisseur de la cavité d’air et du fait qu’il consiste uniquement en deux panneaux de verre, le rapprochant plutôt d’un double vitrage.
En outre, un système de fenêtre avec vitre amovible a été étudié par Etzion et Erell [49] montré en Figure II-5. Ils ont créé un cadre rotatif à deux vitrages : l’un transparent
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et l’autre absorbant très proche du premier. L’intérêt est de pouvoir utiliser ce système avec un mode estival et un mode hivernal. En été, le vitrage absorbant se positionne à l’extérieur de manière à absorber le rayonnement courte longueur d’onde et à le dissiper en grande longueur d’onde. Le vitrage transparent étant opaque à ces radiations grande longueur d’onde, elles ne peuvent pas être transmises à l’intérieur. En hiver, les deux vitrages s’inversent de manière à piéger le rayonnement courte longueur d’onde dans le gap d’air. Ces deux modes permettent donc de réduire la surchauffe estivale et la demande de chauffage hivernale.
Figure II-4. Dispositif de fenêtre ventilée étudié par Onur et al. [48].
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II.1.4. Une utilisation multi-climat
Les doubles-fenêtres sont des dispositifs connus depuis longtemps et dont les premières études scientifiques remontent aux années 1960. A l’origine, le double vitrage n’étant pas encore généralisé, les doubles-fenêtres sont utilisées dans les pays nordiques en Scandinavie ou au Canada pour leur meilleure isolation thermique comparée à des simples vitrages. Christensen et al. ont mis au point une des premières expérimentations [50]. Il s’agissait d’étudier les facteurs physiques influençant les caractéristiques thermiques d’une double-fenêtre non ventilée et plus particulièrement la résistance thermique et les températures de surface internes.
Malgré l’essor du double vitrage, l’intérêt de la double-fenêtre n’a pas disparu. Plusieurs études ont suivi, dont une aux Etats-Unis dans les années 1980 qui a montré l’intérêt d’utiliser des doubles-fenêtres ventilées [38]. Dans cette étude, Boehm et Brandle précisent notamment que des généralités comparatives entre des doubles-fenêtres sont très complexes en raison de la grande adaptabilité du dispositif démontré en II.1.1. Par conséquent, pour l’ensemble des applications et des problématiques (été, hiver, éclairage, chauffage, refroidissement, …) les solutions diffèrent.
Lors des décennies suivantes, on constate que l’intérêt des doubles-fenêtres a dépassé les climats nordiques initiaux. Par exemple, Carlos et al ont mené une série d’études dans un contexte climatique portugais [51][43][52–54]. De leur côté Baker, McEvoy et Southall ont aussi mené une série d’études concernant une double-fenêtre ventilée pour le climat britannique [36,55–58]. De nos jours les doubles-fenêtres sont étudiées dans plusieurs pays : France [59,60], Nouvelle-Zélande [31], Japon [61], Corée du sud [62], Chine [63] et Afrique du sud [33] par exemple.
Ainsi l’intérêt des doubles-fenêtres, sous quelle configuration que ce soit, suscite un intérêt mondial pour la communauté scientifique, qui utilise l’adaptabilité du système pour l’appliquer à différentes contraintes météorologiques.
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