Aspects de construction de l'eau hybride

Date : 13 février 2023

Auteurs : Matyas Gutai, Shwu-Ting Lee, Bumpei Magori, Yu Morishita, Abolfazl Ganji Kheybari et Joshua Spencer

Source:Journal de conception et d'ingénierie de façade, 8(2), 127–152.

EST CE QUE JE:https://doi.org/10.7480/jfde.2020.2.4784

Les enveloppes de bâtiment remplies d'eau sont des constructions hybrides avec un composant solide et un composant fluide, généralement une coque en verre ou en acier remplie d'eau. L'article présente les défis du développement d'une structure de façade remplie d'eau et évalue la possibilité de l'utiliser comme système de construction viable à l'échelle du bâtiment. Le verre rempli d'eau (WFG) a fait l'objet de recherches dans le passé et il a été présenté comme un élément de fenêtre indépendant d'un bâtiment conventionnel, où les économies d'énergie sont réalisées en utilisant l'absorption de la couche d'eau pour la gestion énergétique de l'enveloppe du bâtiment. Les résultats suggèrent que l'efficacité de WFG pourrait être encore améliorée si le système est assemblé comme une enveloppe de bâtiment unie dans laquelle le fluide peut circuler entre les panneaux et les éléments de construction. L'article présente deux bâtiments expérimentaux de « maisons d'eau » avec ces paramètres de conception, conçus et construits par l'auteur. L'importance de ces bâtiments est qu'une enveloppe connectée remplie d'eau est construite pour la première fois. La discussion présente deux méthodes de construction de façades remplies d'eau, évalue leur viabilité pour différents climats, introduit les aspects conception-construction de la technologie et propose une comparaison avec les méthodes de construction existantes.

Une enveloppe de bâtiment fluide-solide permet d'importantes économies d'énergie opérationnelle et grise, en réduisant la charge de refroidissement, en réutilisant la chaleur absorbée, en équilibrant les différences thermiques entre les parties de l'enveloppe et le reste du bâtiment, tout en rendant obsolètes les éléments de construction supplémentaires (par exemple, les ombrages extérieurs).

Les matériaux de structure ont un impact significatif sur l'empreinte écologique de l'environnement bâti. Ceci s'applique spécifiquement aux enveloppes de bâtiments qui jouent un rôle majeur dans l'efficacité énergétique et le confort thermique d'un bâtiment. En particulier, les enveloppes de bâtiments avec des rapports fenêtre-mur (WWR) élevés en sont un bon exemple, car les façades en verre utilisent des matériaux à forte intensité énergétique (Adalberth, 1997) et augmentent la demande d'énergie opérationnelle (Gasparella, Pernigotto, Cappelletti, Romagnoni et Baggio, 2011). Les innovations dans les enveloppes de verre ont un grand potentiel de changement positif dans l'impact environnemental des bâtiments, en particulier si elles sont capables de réduire à la fois l'énergie grise et l'énergie opérationnelle. C'est particulièrement le cas lorsqu'une évaluation du cycle de vie (ACV) plus élevée est signalée pour les bâtiments à énergie nulle par rapport aux constructions à faible consommation d'énergie (Ramesh, Prakash et Shukla, 2010), ce qui est principalement dû à l'augmentation de la composante d'énergie grise (c'est-à-dire l'ajout de panneaux photovoltaïques ou solaires) des premiers par rapport aux seconds. Cela implique qu'il existe un besoin d'innovations capables d'améliorer les performances énergétiques sans augmenter l'énergie grise.

En termes de gestion énergétique des enveloppes de bâtiments, l'état actuel de la recherche sur les fenêtres optiquement transparentes peut être divisé en quatre groupes. La première catégorie concerne les apports solaires (SHGC) avec revêtement, vitrage dynamique ou actif. Les solutions pour cela incluent le revêtement Low-E (Cui & Mizutani, 2016), le vitrage électrochromique ou EC (DeForest et al., 2015), le vitrage à particules en suspension ou SPD (Ghosh, Norton, & Duffy, 2016) et les cristaux liquides dispersés polymères ou PDLC (Hemaida, Ghosh, Sundaram, & Mallick, 2020). La deuxième catégorie consiste à améliorer la résistance thermique (valeur U) de l'enveloppe du bâtiment, comme les vitrages multicouches (Arici, Karabay et Kan, 2015). La troisième approche consiste à réduire la demande de refroidissement avec de l'ombrage (Tao, Jiang, Li et Zheng, 2020). Enfin, la dernière solution consiste à utiliser un milieu fluide, c'est-à-dire un flux d'air ventilé dans le vitrage, qui peut, par exemple, refroidir le verre lui-même en utilisant l'air extérieur ou être utilisé pour préchauffer l'air avant qu'il ne pénètre dans l'espace intérieur (Ismail, Salinas, & Henriquez, 2009). Une alternative à la circulation d'air consiste à utiliser une "chambre à eau en circulation", qui a l'avantage de capter l'énergie solaire et de transformer cette charge énergétique potentielle en une source d'énergie renouvelable (Chow, Li et Lin, 2010).

Depuis que le système de verre fluide a été introduit (Gutai, 2010) et a été breveté par l'auteur (P 11 00 156, 2011 ; 6250530, 2012 ; EP2689192A2, 2012), la technologie a été étudiée par différents groupes de recherche. Parmi ceux-ci, un développement important a été d'établir une corrélation entre l'intensité du débit d'eau pompée dans la cavité et les caractéristiques de la fenêtre (valeur U et SHGC), ce qui a également montré que ces valeurs peuvent être adaptées aux conditions extérieures (Sierra & Hernández, 2017). En termes de consommation d'énergie, une comparaison de la fenêtre standard avec WFG à Hong Kong a été présentée (Chow, Li, & Lin, 2011a). Une approche différente a été montrée pour un cas de Madrid, où WFG avait une température de l'eau stable pour réduire la demande d'énergie pour le chauffage et le refroidissement (Gil-Lopez & Gimenez-Molina, 2013). Des recherches supplémentaires ont inclus la simulation énergétique pour la demande énergétique annuelle dans les climats humides (Li & Chow, 2011), l'analyse de l'impact de l'angle solaire (Chow, Li, & Lin, 2011b), l'évaluation des collecteurs (Chow & Lyu, 2017) et les performances dans différents climats en Chine (Lyu, Chow, & Wang, 2018).

Ces projets de recherche présentent la technologie comme une fenêtre placée dans une enveloppe de bâtiment conventionnelle. En plus de ceux-ci, l'auteur a conçu et construit des bâtiments expérimentaux intitulés Water House 1.0 ou WH01 (Gutai, 2015) et Water House 2.0 ou WH02 ("Experimental - Future Projects - 2017 | World Architecture Festival," 2017), qui explorent le potentiel des enveloppes de bâtiments connectées dans lesquelles l'eau de remplissage peut circuler entre les panneaux et les parties du bâtiment. dans le livre Trans-structures (Gutai, 2015). La structure hybride de WFG réduit la consommation d'énergie sans augmenter l'énergie grise, car l'eau de remplissage elle-même a un faible impact environnemental par rapport à d'autres matériaux de construction. Les deux bâtiments présentent également deux méthodes de construction différentes : Panneau isolé structure (SIP) et système cadre + remplissage. Les résultats de ces développements structurels sont au cœur de cet article car ils sont essentiels pour le développement d'un système de construction WFG intégré qui dépasse les limites d'une fenêtre unique.

L'article présente une approche de recherche expérimentale au problème du développement d'enveloppes de bâtiment hybrides continues remplies d'eau par la conception et la construction. Ces bâtiments sont présentés au chapitre 3. Les enjeux structuraux propres à cette technologie sont évalués au travers d'essais introduits aux chapitres 4 et 5.

L'intérêt de cette exploration est double. Tout d'abord, le développement de la technologie d'une fenêtre à une enveloppe continue améliore ses performances : consommation d'énergie réduite (54 - 72 % d'économies par rapport au double vitrage et 34 - 61 % par rapport au triple vitrage) (Gutai & Kheybari, 2020), demande d'énergie réduite en raison de moindres écarts de température à l'intérieur du bâtiment (le débit d'eau diffuserait les gains d'énergie dans le bâtiment), (Gutai & Kheybari, 2021) et confort thermique amélioré (l'eau à l'intérieur du WFG peut être chauffée/ refroidi pour une meilleure température radiante moyenne /MRT/). Deuxièmement, les tests et l'analyse du système sont importants car ce type particulier d'enveloppe a été construit pour la première fois, ce qui a eu un impact sur l'utilisation des matériaux, la fabrication, l'assemblage et l'intégration de diverses fonctions (c'est-à-dire le chauffage, le refroidissement, l'absorption solaire, etc.) dans un seul système de construction. La nouveauté de WH01 et WH02 est présentée dans les tableaux 1 et 2 qui présentent l'évolution structurelle et énergétique des projets d'enveloppes remplies d'eau.

Les deux maisons prototypes ont servi de bâtiments expérimentaux pour identifier, résoudre et tester les aspects critiques de la viabilité de la technologie WFG. La recherche a identifié six domaines critiques, qui ont été explorés au cours de cinq années de recherche. Le tableau 3 montre ces domaines et les méthodologies impliquées.

WFG peut être construit en tant qu'unité de fenêtre individuelle ou en tant qu'enveloppe de bâtiment connectée. Le premier type est essentiellement une unité de chauffage/refroidissement à absorption de chaleur, qui bénéficie de l'absorption d'eau comme le montre la Fig. 2. Cette solution est décrite comme "verre fluide" ou "verre soluble" et fonctionne avec une pompe et un débit stable. Le deuxième type est intitulé Water House Construction, qui est construit comme un ensemble de panneaux qui sont reliés les uns aux autres, comme le montrent les Fig. 1 et Fig. 3. Les panneaux sont reliés en une boucle fermée, qui est généralement formée par deux surfaces murales opposées et un sol + plafond/panneau de toit entre les deux (comme illustré à la Fig. 3).

Les deux options absorbent la chaleur qui peut être transportée vers une unité de stockage thermique, comme le montre la Fig. 3. Une pompe nécessite moins d'énergie que le refroidissement ou le chauffage de l'espace, ce qui entraîne des économies d'énergie directes. De plus, la construction de maisons à eau peut distribuer l'énergie dans l'enveloppe, ce qui augmente encore les économies d'énergie en échangeant de l'énergie entre les zones surchauffées et froides d'un bâtiment (par exemple, façade nord-sud, parties inférieures et supérieures du bâtiment).

3.1 MAISON DE L'EAU 1.0 PAVILLON

La première construction de Water House a été construite à Kecskemet, en Hongrie. Le pavillon se composait de 4 panneaux de verre remplis d'eau (WFG) et de 13 panneaux d'acier remplis d'eau (WFS), illustrés à la Fig. 4. Le panneau WFS avait une isolation de 20 cm et le WFG avait une couche externe d'argon. La tuyauterie et les câbles ont été placés dans les interstices de maintenance entre les panneaux muraux et le sol (illustrés à la Fig. 20), pour les protéger de l'impact du climat froid (Köppen-Geiger D - chauffage dominé). L'absorption solaire de l'eau a été utilisée pour réduire la consommation d'énergie pour le refroidissement et le chauffage. Cette approche a été validée dans notre précédente publication (Gutai & Kheybari, 2020) avec 61% d'économie par rapport au double vitrage. Cette préférence a opté pour l'utilisation de revêtements à faible émissivité qui maximiseraient la quantité d'énergie capturée. Les options étaient de l'avoir uniquement sur la couche #2 ou #3 ou les deux (#1, #4, #5 et #6 n'étaient pas viables). Les placer sur # 2 a maximisé l'absorption des gains externes et internes, ce qui a présenté un scénario optimal.

L'énergie absorbée était pompée vers une unité de stockage thermique saisonnier. L'absorption s'est produite dans les panneaux WFG et dans le sol. L'absorption a permis d'économiser de l'énergie et d'éviter la surchauffe, ce qui était probablement dû au WWR élevé (40 %), à l'orientation sud et au revêtement Low-E. Ces conditions devraient normalement être évitées, mais pour la maison de l'eau, elles sont devenues un atout car elles ont augmenté la quantité d'énergie captée. Cela a montré le potentiel et la viabilité du système Water House pour les bâtiments vitrés.

Le stockage saisonnier du bâtiment était un réservoir d'eau. Le réservoir a été dimensionné en tenant compte de la charge thermique d'une période d'une semaine en été et a été placé partiellement sous terre pour minimiser les pertes de chaleur. La chaleur absorbée était stockée pour une utilisation ultérieure pendant la saison de chauffage.

Comme le montre la Fig. 4, le débit d'eau a été conçu dans trois boucles d'eau de panneaux connectés. Les panneaux dans différentes boucles n'étaient pas connectés. Chaque boucle se composait d'un toit, d'un plancher et de deux panneaux muraux (un nord et un sud). Les façades est et ouest comprenaient la porte (sans eau) et les panneaux WFG/WFS qui étaient refroidis/chauffés individuellement avec des conduites d'alimentation et de retour directes. Le débit d'eau était amélioré par une pompe située dans le pavillon qui déplaçait le fluide dans les boucles, et entre l'unité de stockage et le bâtiment lorsque la température intérieure était en dehors de la zone de confort. Une pompe à chaleur réversible a été utilisée pour le chauffage et le refroidissement en cas de pointe de charge. L'appareil a été placé dans le bâtiment et a été installé avec la pompe (le groupe de refroidissement a été placé à l'extérieur).

Les panneaux WFS étaient isolés de l'extérieur, ce qui limitait leur absorption solaire. Ces surfaces étaient importantes pour la régulation MRT (confort thermique). Les unités WFS ont également complété des boucles et augmenté la surface des surfaces thermiquement actives (Moe, 2010), ce qui a rendu le chauffage/refroidissement plus efficace.

La figure 5 montre le bâtiment terminé et en construction. Les panneaux WFS ont été conçus comme un système de panneaux isolés à structure (SIP) utilisant une couche externe (noyau porteur et isolation thermique) et une couche d'eau tournée vers l'intérieur. Cela était nécessaire car la connexion des panneaux d'eau nécessitait des tuyaux qui devaient rester accessibles après la construction. Le placement de ces raccords de tuyaux vers l'intérieur a permis d'accéder à leur « espace de maintenance » et leur a évité de pénétrer dans la structure porteuse. Le bâtiment n'avait pas d'ombrage installé pour s'assurer qu'il n'y aurait aucune interférence avec les résultats en matière de performance énergétique. (La recherche supposait que les applications réelles utiliseraient une sorte d'ombrage interne pour éviter l'éblouissement, ce qui améliorerait encore l'absorption dans la couche d'eau).

3.2 MAISON DE L'EAU 2.0 PAVILLON

La deuxième maison d'eau a été construite à Taichung, Taiwan, pour un climat tropical humide. La demande de chauffage étant minime, les panneaux WFG sont construits avec un double vitrage et une couche d'eau. Les panneaux WFS sont sans isolation extérieure pour maximiser l'absorption solaire. Il s'agissait d'une différence majeure par rapport à WH01, car toute l'enveloppe du bâtiment pouvait être utilisée pour l'absorption de la charge thermique externe. De plus, un modèle énergétique basé sur l'absorption était également plus efficace pour le climat, car la principale charge de refroidissement résultait du rayonnement, car la différence de température entre la température intérieure et la température ambiante est relativement faible (Qahtan et al., 2014).

La figure 6 montre le système de construction du bâtiment, qui était une ossature en acier + des panneaux de remplissage. Comme pour WH01, les panneaux étaient connectés en boucles. En fonction de la charge solaire et de la température ambiante, le débit d'eau était soit automatique, soit renforcé par une pompe. La figure 7 montre la disposition des boucles. Les boucles se composaient de deux murs (nord et sud) et d'un plancher + panneaux de toit entre.

Ce refroidissement basé sur l'absorption a été encore amélioré par la conception; le toit nord n'a aucun apport solaire direct en raison de son angle et de l'orientation du pavillon. Étant donné que l'insolation à Taichung est relativement élevée en toute saison, cette géométrie a soutenu un flux d'eau automatisé/pompé entre les deux côtés et a fourni un effet de refroidissement car le mur/toit nord rayonnait de la chaleur vers l'extérieur. Le côté sud a été conçu avec des panneaux de verre vers le lac sans ombrage (comme le montre la Fig. 8), ce qui n'est pas conventionnel pour ce climat. La température intérieure a été surveillée et la pompe a amélioré le débit d'eau lorsque le refroidissement était nécessaire. Le système mécanique équilibrait le débit avec un tampon de dilatation dans le stockage thermique.

La structure du pavillon utilisait un système de mur-rideau composé de panneaux structuraux WFG/WFS à « ossature et remplissage ». La charpente métallique a été préfabriquée et assemblée sur place. Les panneaux de remplissage ont été installés une fois le cadre terminé. La façade en verre était fixe et la ventilation naturelle se faisait par des ouvertures de ventilation sous les panneaux de verre et en haut (à travers le plafond).

Comme le montre la figure 9, la méthode de construction du mur-rideau était avantageuse pour l'assemblage car il était plus facile d'établir un espace entre les panneaux. C'était un défi pour la méthode SIP car les panneaux WFG de WH01 devaient être placés sur des profilés en acier, ce qui entraînait un pont thermique car l'épaisseur de l'isolant était limitée dans l'espace. Dans le cas du système de mur-rideau, les panneaux étaient directement fixés à une charpente en acier et pouvaient être positionnés plus librement. Cette solution s'est également avérée plus idéale en termes de charges car les couches structurelles et d'eau se chevauchaient et les panneaux pouvaient être soutenus par le haut et le bas, comme illustré à la Fig. 9.

4.1 DÉFIS STRUCTURELS

4.1.1 Réaction entre l'eau et le verre

Le maintien de la transparence est essentiel pour le verre en raison de ses caractéristiques esthétiques et thermiques. La corrosion et la pollution du verre peuvent se produire sur les surfaces externes et internes de WFG, en particulier parce que la cavité interne n'est pas scellée mais connectée à un système d'eau.

La première responsabilité est la possible accumulation de pollution sur la surface du verre. Cela peut être causé de manière interne (par l'eau polluée) ou externe (à la surface de l'enveloppe). Le premier est une préoccupation plus importante car le panneau ne peut pas être nettoyé de l'intérieur. De plus, toute pollution aurait également un effet sur le débit d'eau, car l'entretoise et les vannes sont une cible potentielle de contamination. Cela s'applique en particulier aux joints inférieurs et à la zone d'entretoise où la pollution a tendance à graviter pendant les périodes sans débit d'eau, ce qui se produirait normalement pendant les périodes sans apport solaire et sans température ambiante confortable. Le remplissage d'eau doit être isolé et conditionné contre la contamination physique ou biologique.

Un autre problème possible est la corrosion du verre, qui peut être renforcée dans l'environnement fermé du panneau. La corrosion aqueuse statique se produit généralement pendant le remplissage de fluide (c'est-à-dire la construction) ou l'élimination du fluide (c'est-à-dire les réparations, les remplacements partiels, les retombées du système) en raison de l'humidité accrue à l'intérieur du panneau. Les surfaces vitrées internes sont continuellement exposées à la corrosion aqueuse dynamique car le verre est en contact permanent avec l'eau. L'extraction alcaline et la formation de liaisons Si-O nécessitent des niveaux de pH supérieurs à 9,0, il est donc essentiel de contrôler le niveau de pH. (Douglas et El-Shamy, 1967 ; El-Shamy, Morsi, Taki-Eldin et Ahmed, 1975)

4.1.2 Pollution de l'eau

La pollution de l'eau est un aspect important de la structure en raison de la visibilité et de la durabilité. Étant donné que les bâtiments "maison de l'eau" contiennent une grande proportion d'eau, il est important d'envisager une méthode de purification qui peut éviter la pollution de l'eau et fonctionne de manière économe en matériaux et en énergie, car la faible énergie grise et la recyclabilité sont des avantages essentiels de la technologie.

Les polluants les plus importants sont les agents pathogènes (c'est-à-dire les virus, les vers et les bactéries), les déchets exigeants en oxygène, les polluants solubles dans l'eau et les nutriments (qui génèrent la croissance des algues et des plantes). Le stockage de chaleur supplémentaire et la tuyauterie constituent des difficultés dans l'entretien de l'eau.

4.1.3 Fuite d'eau

Les fuites d'eau sont une responsabilité importante compte tenu de la pression hydrostatique du système, des détails du collecteur avec des vannes communes et des vannes de purge d'air.

La pression statique des panneaux résulte du poids et de la pression du remplissage d'eau, qui est proportionnelle à la hauteur et à la largeur des panneaux. La pression supplémentaire provient du fonctionnement (pompe à eau) et des charges externes dynamiques (c'est-à-dire la pression du vent). La pression dans les panneaux joue un rôle important dans l'imperméabilisation car les matériaux de confinement de l'eau ne peuvent pas s'adapter à une grande dilatation. Les fuites peuvent donc être causées par la déformation du verre.

Le deuxième facteur important est le détail de l'en-tête et du joint entre les couches de verre. Le matériau du collecteur doit pouvoir résister à la pression de l'eau, doit résister à la corrosion et aux effets chimiques, fournir une surface structurelle continue pour l'imperméabilisation et doit incorporer les vannes du panneau sans compromettre l'intégrité de l'enceinte. Les vannes du système sont un détail important pour deux raisons. Le premier enjeu est la fabrication car les techniques de production de verre existantes sont développées pour des bords de panneaux linéaires et continus. Le deuxième problème est le raccordement des vannes. Les meneaux et les traverses sont maintenus à une taille minimale pour les murs-rideaux et l'écart entre les vitres est généralement compris entre 10 et 40 mm. Cet espace limité est un défi important pour l'assemblage des panneaux, notamment en ce qui concerne l'étanchéité et les joints.

La troisième difficulté pour le confinement de l'eau est la position et le fonctionnement des vannes de purge d'air, car ces unités doivent être placées en haut du panneau. Cela pose un défi car les soupapes de purge d'air doivent être opérationnelles pendant la construction, puisque le remplissage d'eau est la dernière étape de l'assemblage. Une autre difficulté pourrait être la géométrie des plans de verre en raison du besoin d'évacuation de l'air. La principale difficulté de ces vannes est cependant leur accessibilité et leur petite taille, ce qui suggérerait un système de fermeture mécanique au lieu d'un système automatique.

4.1.4 Pression de l'eau

L'estimation de la pression de l'eau pour les structures en verre fluide est essentielle pour un fonctionnement sûr et la transparence. La pression réelle dans le panneau de verre est une somme des charges statiques et dynamiques. Le premier provient de la pression hydrostatique et le second de charges externes (c'est-à-dire le vent) ou internes (c'est-à-dire la pompe). La pression de l'eau modifie la charge du plan de verre car elle agit contre la pression du vent et augmente l'aspiration du vent. Un autre aspect important est le poids de l'eau. Compte tenu de l'équilibre entre la capacité d'absorption de chaleur et la pression hydrostatique, l'épaisseur idéale de la couche d'eau se situe entre 15 et 20 mm (Chow & Lyu, 2017). Cela représente environ 15 à 20 kg/m², soit une augmentation de 25 à 33 % ou de 18 à 25 % pour un double ou un triple vitrage, respectivement. Cette augmentation joue un rôle important dans la stabilité du verre, car elle est avantageuse contre les forces latérales au prix d'une augmentation des charges verticales.

La pression hydrostatique est également importante en termes de visibilité. La flexion maximale du verre doit être inférieure à 0,3 % pour éviter un impact sur la transparence. Compte tenu de la hauteur typique des applications de murs-rideaux, il s'agit d'une mise en garde majeure. La conception WFG doit refléter cette limitation soit en déterminant une proportion largeur-hauteur idéale pour les panneaux, soit en proposant des géométries qui ont des largeurs inférieures dans les zones critiques pour la même hauteur.

4.1.5 Construction

Bien que les fenêtres et les murs-rideaux WFG soient similaires aux autres méthodes de construction en verre, il existe des différences importantes, en particulier le problème du réseau d'eau intégré et le processus d'assemblage, y compris le remplissage fluide.

Le problème des ponts thermiques résulte des vannes communes insérées pour la circulation de l'eau. Il existe trois options pour positionner les vannes (illustrées à la Fig. 10) :

Compte tenu des ponts thermiques potentiels, les aspects suivants ont dû être pris en compte :

Sur la base de ces critères, la première est l'option la plus souhaitable. Le facteur de risque le plus important est le gel, qui peut très probablement se produire lorsque le réseau d'eau est à l'extérieur. La deuxième préoccupation est la perte d'énergie du réseau de tuyauterie, ce qui rend encore une fois la première option préférable. La première option a également un meilleur impact esthétique. Enfin, il est également préférable pour l'écoulement de l'eau car le fluide pénètre verticalement dans le verre. Cependant, cette solution se fait au prix d'une valeur U plus élevée, car les joints pénètrent dans le cadre.

Le deuxième facteur est la taille du réseau d'eau intégré. Les tuyaux eux-mêmes peuvent être intégrés à la structure (par exemple, dans des traverses pour atteindre les vannes de joint). La difficulté est l'espace disponible pour l'assemblage, qui est limité à la taille des éléments structuraux, généralement de 40 à 80 mm.

Le dernier défi est la construction et la maintenance, en particulier compte tenu des vannes à joint intégré et de la résolution du processus de remplissage (y compris une libération d'air suffisante pendant le processus).

4.1.6 Isolation, climat, énergie et viabilité

La capacité d'isolation de WFG et le nombre de couches de verre dépendent du climat, comme d'autres structures de verre : WH01 et WH02 utilisent des couches de verre triples ou doubles pour les climats continentaux et chauds et humides. Il s'agit d'une approche logique étant donné que le WFG a une gamme de valeurs U aussi large que le verre standard, comme indiqué dans les tableaux 4 et 5. Cependant, le WFG est également utilisé comme dispositif de refroidissement-chauffage et son efficacité est compromise sans isolation externe, ce qui rend le WFG à trois couches idéal car l'isolation externe peut maintenir les performances de chauffage/refroidissement à l'intérieur. La couche d'eau interne est également préférable à une couche externe pour l'absorption (Sierra & Hernández, 2017). Enfin, une troisième couche de verre peut améliorer la valeur U pour des économies d'énergie supplémentaires. Nos calculs sur la valeur économique des économies d'énergie ont montré que le système permet des économies d'énergie importantes pouvant atteindre 3 à 13 USD/m2a, ce qui offre un retour sur investissement (ROI) compétitif même pour l'option triple vitrage, en particulier pour les grands bâtiments (Gutai & Kheybari, 2020). La troisième couche est également idéale en raison du stress thermique sur les vitres, qui peut se produire avec l'absorption de chaleur.

En plus de l'isolation, les revêtements, en particulier les revêtements à faible émissivité, jouent un rôle majeur dans les performances du WFG. Tout comme dans le cas de l'isolation, le climat est un facteur important dans l'examen de la position et du nombre de revêtements à faible émissivité. Comme présenté ci-dessus pour WH01, les climats avec une demande de chauffage bénéficient de Low-E soit sur la surface #2 ou #3, ce qui maximiserait l'absorption pour l'été et l'hiver.

Enfin, la préférence pour l'absorption ou l'isolation doit être considérée pour chaque scénario climatique. WFG a une large plage de valeurs U (U = 2,9 – 6,34). Les options les plus importantes sont indiquées ci-dessous dans le tableau 4. Cela donne la possibilité de concevoir des panneaux WFG à base d'isolation ou d'absorption. Le WFG peut être adapté à des climats spécifiques, ce qui est pertinent car dans les climats tropicaux, l'absorption a un impact plus fort sur la consommation d'énergie que l'isolation (Bui et al., 2017).

4.2 SOLUTIONS POSSIBLES ET MÉTHODES DE CONSTRUCTION POUR LES ENVELOPPES DE BÂTIMENT À PANNEAU D'EAU

4.2.1 Revêtement de verre et conditionnement de l'eau

Les essais de prototypes et les bâtiments ont montré que le risque de pollution et de corrosion peut être traité efficacement en maîtrisant l'état chimique de l'eau. L'eau devait être maintenue en boucle fermée afin de maintenir un état stable de l'eau. Le moyen le plus simple d'y parvenir était d'établir une boucle fermée de panneaux connectés avec une tuyauterie d'eau minimale qui est connectée au reste du système mécanique via un échangeur de chaleur. En plus de l'échangeur de chaleur, la boucle fermée nécessite une pompe pour le débit induit et un filtre pour capter toute pollution potentielle dans le fluide. Dans le cas des water house présentés ici, ceux-ci étaient placés entre la pompe et les panneaux, idéalement juste avant la vanne de prise d'eau.

La corrosion et la dégradation du verre sont généralement un processus lent et bien que L. Robinet ait établi que le processus de décomposition pouvait se produire relativement rapidement sous l'influence des polluants (décennies), il s'agit encore d'un long délai pour le considérer comme une source de préoccupation. La durée déterminée est également supérieure à la durée de vie des façades vitrées (Robinet, Coupry, Eremin, & Hall, 2006). Cependant, la formation du film de silice est beaucoup plus rapide, et c'est un problème plus important en raison de son impact sur la transparence. Il existe plusieurs façons d'éviter ou de ralentir le processus. L'utilisation de verre hydrolytique (type I.) à haute résistance à l'eau (par exemple, verre borosilicaté) peut réduire le risque d'altération. Les revêtements ajoutés à la surface du verre pourraient également offrir une protection suffisante, comme le sol-gel développé par K. Kamitani (Kamitani & Teranishi, 2003) ou le revêtement de verre hydrofuge de A. Matsuda (Matsuda, Matsuno, Katayama, & Tsuno, 1989)

De plus, les propriétés physiques et chimiques de l'eau peuvent affecter la corrosion de l'eau. RB Ellestad et II Ostroushko ont établi la relation entre la température et la corrosion du verre (US 2 516 109, 1950 ; Ostroushko, Filipova, & Ignateva, 1962). RW Douglas a supposé que le taux de corrosion est indépendant du pH de 1 à 9,8 (Douglas & El-Shamy, 1967) et El-Shamy a souligné qu'un taux de pH plus élevé entraîne une augmentation du taux de libération de SiO2 (El-Shamy et al., 1975). Sander et al. ont présenté un profil modèle de corrosion pour comparer différents types de verres binaires et discuté des effets de la température de corrosion sur l'accumulation de gel de surface (Sanders & Hench, 1973). Enfin, A. Tournié et al. ont contesté la « formation de gel » lors de la corrosion et ont souligné l'effet d'attaques basiques et acides avec du NaOH bouillant caractérisé par une dissolution sans modifications structurales (Tournié, Ricciardi, & Colomban, 2008). Sur la base des recherches menées, il peut être établi que la corrosion du verre peut être efficacement évitée si l'eau est maintenue à une température (ambiante) et un pH idéaux (inférieurs à 9,8) pour minimiser les intempéries et la pollution. Cette stratégie a également fonctionné efficacement pour WH01 et WH02.

4.2.2 Pollution de l'eau

La pollution de l'eau est un aspect important en raison de son impact esthétique et du colmatage potentiel des canalisations. L'épaisseur de la couche d'eau dans WFG est comprise entre 15 et 20 mm, ce qui limite la vanne commune et fait de la pollution un facteur important. L'eau étant en circuit fermé, les principaux facteurs de pollution sont la contamination biologique et les polluants non solubles. Ce dernier peut être traité efficacement par un mécanisme de filtrage placé entre le panneau et la pompe. Selon la charge thermique, les panneaux WFG fonctionnent en utilisant un flux induit ou automatique. Le débit automatique est beaucoup plus lent et peut être bloqué par le filtre lui-même, ce qui signifie que le filtre et la pompe doivent être installés parallèlement au circuit fermé en tant qu'itinéraire alternatif qui n'est actif que lorsque la pompe est allumée, comme illustré à la Fig. 11. En raison du besoin de filtrage, la pompe doit être allumée régulièrement, même si la charge thermique ne l'exige pas.

La solution la plus efficace pour la contamination biologique est le filtrage UV car il ne présente aucun effet néfaste sur les canalisations d'eau, le verre ou l'étanchéité. Les UV sont efficaces contre tous les agents pathogènes d'origine hydrique : virus et bactéries, en particulier les légionelles (Hijnen, Beerendonk, & Medema, 2006). Z. Liu a également souligné l'importance du filtre, qui devrait idéalement être situé près de la source d'eau immédiate (Liu et al., 1995). Cela suggère un système de filtre dispersé au lieu d'un système central (c'est-à-dire dans un réservoir d'eau), ce qui était le cas pour les projets de Water House.

4.2.3 Étanchéité et entretoise

La pression d'eau constante dans le panneau nécessiterait une solution à double joint pour le panneau, ce qui est prédominant pour le verre isolant. L'avantage de cette solution est qu'elle s'adapte aux techniques de fabrication actuelles et qu'elle supporte mieux la pression car les mastics primaires ont une faible capacité de dilatation. Le matériau et la technique utilisés pour le scellant primaire dépendent également de l'entretoise.

Les entretoises pour la couche d'eau peuvent être des tubes ou des cadres. Le premier a l'avantage d'être facile à plier, à couper ou à coincer, ce qui est important pour contenir l'eau où une surface structurelle continue est essentielle. Cependant, les cadres ont l'avantage de fournir une surface stable et plane pour l'étanchéité, ce qui est plus important pour le verre fluide compte tenu de la pression de l'eau impliquée. Les entretoises peuvent être en acier ou en aluminium. Les projets d'études de cas présentés ici sont faits de ce dernier, car les joints verre-aluminium sont standard dans l'industrie et le matériau a l'avantage supplémentaire de résister à la corrosion.

Le scellant secondaire est essentiel pour l'intégrité du plafond de verre. Sa fonction principale est d'éviter la pénétration d'humidité dans la structure. Pour les panneaux de verre fluide, le mastic secondaire doit également avoir la capacité de supporter le mastic primaire contre la déformation du verre. Cela nécessite une épaisseur plus importante que d'habitude, ce qui signifie que les joints primaires et secondaires sont exposés à la lumière du soleil. Cela a des impacts à la fois esthétiques et structurels car les joints peuvent devenir visibles et exposés aux rayons UV.

4.2.4 Épaisseur du verre

La détermination des charges latérales constantes et dynamiques sur l'enveloppe de verre est essentielle pour calculer l'épaisseur de verre de la structure. La recherche a utilisé deux séries de tests pour déterminer deux variables : l'impact de la pression hydrostatique (impact de la hauteur) et l'épaisseur de l'eau (impact du volume d'eau).

La pression de l'eau a été simulée avec un modèle de charge utilisant le poids de l'eau comme charge uniforme, en supposant une pression uniforme dans le panneau. Ce modèle a été simulé dans le logiciel Glastik, en utilisant une charge de vent spécifique égale à la pression de l'eau. Les résultats sont présentés dans les Fig. 13 - 14. La simulation a été validée avec des essais prototypes illustrés à la Fig. 12. Des verres feuilletés, d'épaisseurs de 8, 10 et 12 mm, ont été testés. Les panneaux utilisés pour WH02 étaient de 820 x 1800 mm. La déformation était d'environ 6 mm comme le montre la Fig. 13. Cela était acceptable à la fois en termes de structure et de visibilité (max 0,3 %).

La deuxième série de tests en laboratoire a été menée pour déterminer l'impact de l'épaisseur de l'eau. WFG a été placé horizontalement contre une charge verticale au milieu du plan de verre, comme illustré à la Fig. 15. Cette installation avait l'avantage d'éliminer la pression de l'eau en tant que variable. Deux prototypes ont été testés, avec et sans eau. Les panneaux avaient différentes épaisseurs d'eau, comme indiqué dans le tableau 5. Les résultats sont présentés dans la figure 15, qui indiquent une déflexion inférieure pour le plan extérieur dans un état rempli, mais une déflexion plus élevée du côté interne du panneau. Cela suggère que la charge est mieux diffusée dans WFG par le remplissage fluide. Dans l'ensemble, le taux de déviation n'a pas montré d'augmentation significative de l'état rempli, ce qui suggère que ni la pression de l'eau ni l'épaisseur de remplissage ne compromettraient de manière critique la viabilité du WFG. Le taux de charge-déflexion est beaucoup plus élevé pour BG en raison de sa plus grande taille et de son épaisseur d'eau, ce qui augmente la section et la résistance de l'entretoise.

4.2.5 Construction : cadre, détails, remplissage, dégagement d'air

Le premier défi de la construction est le détail des panneaux fluides, car les conduites d'eau et les vannes communes doivent être intégrées dans la structure du mur-rideau. Il existe deux types de réseaux de canalisations : un pour le débit automatique et un autre pour la pompe. Ce dernier a des tuyaux d'alimentation et de retour qui se connectent à chaque boucle séparément. Ces tuyaux peuvent être placés dans des meneaux et des traverses ou simplement au-dessous/au-dessus du panneau dans un espace comme indiqué sur la Fig. 1 et la Fig. 20. Cette approche a été utilisée pour les deux projets de maison d'eau pour les panneaux WFG. Dans le cas de WFS, le détail était différent afin de répondre aux exigences climatiques et d'isolation spécifiques de la Hongrie et de Taïwan. Pour WH01, les panneaux ont été construits comme un système SIP et la couche d'eau a été attachée au noyau structurel. Dans le cas de WH02, les panneaux opaques n'avaient pas besoin d'isolation et les panneaux d'acier à l'eau avaient une épaisseur similaire aux unités de verre. La structure portante était un cadre en acier, qui était placé entre les unités de panneaux, comme indiqué sur les Fig. 18 et 19.

Comme indiqué sur les coupes (Fig. 19), d'un point de vue structurel, la solution cadre + remplissage est plus idéale car les charges ont été maintenues le long de l'axe central du cadre structurel et les espaces de maintenance entre les panneaux ont pu être facilement atteints. Dans le cas de WH01, cela n'a pas été possible car l'isolation était une priorité et la couche d'eau était fixée sur le côté intérieur des panneaux porteurs en tant que couche supplémentaire. Cette solution n'était pas idéale d'un point de vue structurel, mais était nécessaire pour une bonne isolation de l'espace de maintenance qui permettait d'accéder aux joints flexibles entre les panneaux et la tuyauterie de distribution qui relie chaque boucle au système mécanique principal. Ces espaces sont visibles entre les panneaux sur la Fig. 1 (en bas) et la Fig. 20 (en haut).

Les sections de la Fig. 19 et les détails de la Fig. 1 montrent également que la méthode structurelle SIP offre une meilleure isolation thermique car l'entretoise en acier qui établit l'espace entre les panneaux peut être isolée de l'intérieur et de l'extérieur, ce qui fait des options SIP une méthode de construction plus efficace pour le WFG dans les climats dominés par le chauffage.

Le deuxième défi de la construction est le processus de remplissage et le dégagement d'air des panneaux. La solution pour cela dépend à nouveau de la position de la structure de support car le remplissage de fluide a lieu lorsque la structure est déjà assemblée. Dans le cas d'une construction typique de mur-rideau, les traverses et les meneaux sont placés derrière la surface vitrée, ce qui signifie que la soupape de purge d'air n'est accessible que de l'extérieur. Dans le cas de l'option SIP, les vannes peuvent être orientées soit vers l'intérieur, soit vers l'extérieur, car il y a un espace entre le verre et le toit/plafond. Idéalement, la deuxième option est préférable, comme le montre la Fig. 20.

4.2.6 Énergie et climat

Déterminer la viabilité économique d'une structure de verre fluide est essentiel, en particulier compte tenu des différents climats. Sur la base du suivi de WH01 et WH02 et de tests de prototypes, une simulation globale des façades WFG a été réalisée par les auteurs pour 13 villes de toutes les régions climatiques de Köppen-Geiger (Gutai & Kheybari, 2020). La recherche a conclu que le système est viable dans toutes les régions climatiques à l'exception du climat polaire. La recherche a évalué chaque climat, en considérant s'il fallait privilégier l'absorption ou l'isolation, car cela dépend à la fois de la température et du rayonnement. La recherche a divisé les villes en quatre groupes climatiques en fonction du modèle énergétique utilisé : basé sur l'absorption, intermédiaire, hybride et basé sur l'isolation. Le premier cas est lorsque les économies d'énergie sont basées sur l'absorption uniquement (presque pas de demande de chauffage).

La seconde est lorsqu'il y a une demande de chauffage et que la perte de valeur U augmente la consommation d'énergie pour le chauffage, mais l'amélioration de l'absorption génère toujours plus d'économies d'énergie dans l'ensemble. La troisième est lorsque le bilan énergétique n'est positif que lorsque le gain solaire est stocké et réutilisé pendant la période de chauffage. Le quatrième groupe comprend les régions basées sur l'isolation qui sont des zones dominées par le chauffage. La simulation a présenté deux résultats importants : 1) WFG est viable dans des conditions chaudes et froides et ; 2) la performance énergétique des bâtiments en verre peut être augmentée simplement en améliorant l'absorption, même si cela se fait au prix d'une valeur U plus élevée. Les économies d'énergie se situaient entre 54 et 72 % par rapport au double vitrage et entre 34 et 61 % par rapport au triple vitrage, selon le climat, comme le montre la Fig. 22.

En tant que système de construction développé, WH01 et WH02 ont informé le modèle de simulation en termes de disposition structurelle et testé le système mécanique. Dans le cas de WH01, le bâtiment utilisait un stockage thermique et une pompe à chaleur réversible pour chauffer ou refroidir l'eau localement et maintenir la température de l'eau à un niveau de confort. La figure 21 montre WH02, qui avait le même système mais était principalement utilisé pour le refroidissement.

En ce qui concerne la consommation d'énergie et le climat, il convient de noter que l'effet de l'isolation externe (troisième vitrage et une couche d'argon) dépend du fait que l'eau est refroidie/chauffée ou utilisée uniquement pour l'absorption. Dans le cas de ce dernier, 2 couches de verre avec de l'eau peuvent suffire. Ce type de verre soluble a été analysé par des projets de recherche antérieurs et a été utilisé pour WH02. La principale raison derrière cette solution était que le bâtiment n'avait pas besoin de chauffage pendant la majeure partie de l'année en raison du climat de la ville de Taichung.

Cependant, lorsque le chauffage est nécessaire, l'isolation externe est idéale. Ce fut le cas pour WH01. Cela améliorait le bilan énergétique de l'enveloppe et protégeait dans une certaine mesure l'eau de remplissage du gel, en maintenant la température intérieure à un niveau supérieur à celle de l'extérieur grâce à sa capacité d'isolation.

Un problème similaire s'est posé avec la conception du revêtement de verre. Dans le cas de climats à charge de chauffage prédominante, une couche Low-E peut augmenter l'absorption de la couche d'eau. Cela a été testé avec WH01, et a également justifié l'utilisation d'une deuxième vitre, qui a également agi comme une protection pour le revêtement extérieur.

Les propriétés du WFG et du verre standard utilisés comme cas de base dans la simulation sont présentées dans le tableau 5. Dans l'ensemble, le système a montré des économies d'énergie significatives dans toutes les régions climatiques habitées (tous les climats sauf polaire), comme le montre la Fig. 22.

Les bâtiments expérimentaux ont présenté qu'un système de construction « maison de l'eau » est une solution viable et les problèmes potentiels de la construction de l'enveloppe WFG peuvent être résolus efficacement par ce qui suit :

Les deux bâtiments ont exploré différentes options d'assemblage : WH01 a utilisé un panneau isolé de structure (SIP) et WH02 a utilisé une méthode de cadre + panneau de remplissage. Après construction, leurs performances ont été analysées et les conclusions suivantes peuvent être tirées :

Les deux options de construction ont des mérites et pourraient être mises en œuvre dans n'importe quel endroit, cependant, SIP a plus d'avantages dans les climats plus froids et cadre + remplissage pour les climats chauds en raison de leurs avantages/inconvénients en matière d'isolation.

Impact de WFG dans la construction

La technologie WFG est présentée ici avec deux bâtiments qui sont les premiers exemples d'enveloppes de bâtiment à eau connectée. La différence la plus importante entre une telle enveloppe hybride et des structures solides est que l'énergie peut être captée et distribuée dans l'enveloppe entre les parties du bâtiment avec des expositions différentes (c'est-à-dire les façades nord et sud ou les étages inférieurs et supérieurs). Ce potentiel est une caractéristique particulière de cette méthode d'assemblage (intitulé « construction de maison d'eau »), qui distingue WH01 et WH02 des bâtiments solides ou d'autres recherches en verre soluble qui se concentrent sur une seule fenêtre. L'importance de la construction de la maison de l'eau est:

Suggestions pour de futures recherches :

Plusieurs questions de recherche importantes sont suggérées par les résultats actuels. Les résultats de la surveillance de la boucle d'eau fermée dans les maisons d'eau suggèrent que le débit d'eau autonome peut jouer un rôle plus important dans le confort thermique et les économies d'énergie des projets de maisons d'eau. Cela a été testé avec WH02. Cela devrait être déterminé par les efforts de recherche futurs. Il est nécessaire d'approfondir les recherches sur différentes options pour les revêtements et les vitres à l'échelle mondiale avec simulation énergétique ; notamment en termes d'échelle, de WWR et de climat aiderait à construire des scénarios d'exploitation efficaces pour les maisons d'eau, en fonction de la fonction et de l'emplacement du bâtiment.

Ce projet de recherche était une collaboration entre Loughborough, Tokyo et l'Université Feng Chia et a été soutenu par le ministère des Sciences et de la Technologie de Taïwan (MOST ID 106-2218-E-035-003). Les auteurs sont reconnaissants du soutien continu des entreprises impliquées dans le processus de construction : Jüllich Glas en Hongrie et Hesung Ltd à Taïwan pour leur soutien généreux et continu.

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