CE04 - Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique

Développement et caractérisation d’une fenêtre fonctionnalisée énergie et qualité de l’air – WINFIL

Santé, énergie, confort : WINFIL, la fenêtre filtrante pour la ville de demain

Développement et caractérisation d’une fenêtre fonctionnalisée énergie et qualité de l’air

Un produit multi-fonctions pour répondre aux enjeux énergétiques et sanitaires du bâtiment

Le secteur du bâtiment représente 44 % de l’énergie consommée en France et émet plus de 123 millions de tonnes de C02, ce qui en fait l’un des domaines clés de la transition énergétique. Parallèlement, la pollution croissante de l'air en milieu urbain, en particulier par les particules, amène à requestionner le bien-fondé de la ventilation des bâtiments telle qu'elle est majoritairement pratiquée actuellement, c'est-à-dire sans aucun traitement de l'air entrant. Le projet s'inscrit dans le cadre de la recherche de solutions répondant à cette problématique de maîtrise conjointe des consommations énergétiques, du confort, et de la qualité de l'air dans les bâtiments résidentiels ou tertiaires. Il vise à développer une fenêtre pariéto-dynamique intégrant un module de filtration électrostatique des particules, et à caractériser sa capacité d'amélioration de la qualité de l'air intérieur dans diverses configurations environnementales et opératoires. Outre les verrous technologiques liés à la miniaturisation du procédé, aux contraintes d'intégration de la fenêtre aux bâtiments (électrification, faible perte de charge, etc.), et à la maintenance du produit (nettoyage régulier du collecteur), deux problématiques scientifiques sont au cœur des développements. La première est l'optimisation de l'électrofiltre pour maximiser son efficacité de filtration sur une large gamme de taille des particules (incluant les nanoparticules) tout en réduisant autant que possible la puissance appelée d'une part, et les quantités d'ozone et d'oxydes d'azote produites sous l'effet des hautes tensions, d'autre part. La seconde concerne la modélisation des transferts de particules potentiellement chargées dans les environnements intérieurs, pour la caractérisation des expositions avec et sans la fenêtre WINFIL dans un contexte environnemental (pollution extérieure, émissions internes), architectural et opératoire déterminé.

Deux types d'ioniseur (fil-plaques et aiguille/optique), différentes géométries de collecteur, et plusieurs mode d'intégration de l'électrofiltre à la fenêtre pariéto-dynamique ont été envisagés sur la base de simulations de l'écoulement d'air entre les 3 vitrages qui la composent. Chacune de ces configurations a été testée sur un banc d'essai de type veine d'air à l'entrée de laquelle sont générées soit des particules salines (particules principalement submicroniques), soit des particules d'alumine (microniques). La meilleure configuration sera déterminée sur la base des mesures d'efficacité spectrale, de la perte de charge et des flux de composés secondaires produits. Une étude paramétrique complète sera alors menée pour caractériser l'influence du débit, des conditions hygrothermiques de l'air, de la polarité et de la tension d'alimentation de l'ioniseur et du collecteur sur ces indicateurs de performance. Un modèle élémentaire représentant le comportement de la fenêtre WINFIL en sera issu. Intégré à un outil de simulation dynamique de la qualité de l'air intérieur représentant les transports par les flux d'air, les dépôts sur les matériaux, les phénomènes de coagulation et les émissions internes, ce modèle permettra d'évaluer l'impact de la fenêtre filtrante sur les expositions chronique et aigüe des occupants aux particules, à l'ozone et au dioxyde d'azote dans des configurations environnementales et opératoires variées et représentatives de situations réelles. Une campagne de mesures in situ alternant des séquences où l'électrofiltre fonctionne et est à l'arrêt, permettra de positionner les résultats numériques et en environnement contrôlé par rapport à la réalité des faits, en intégrant notamment la variabilité de la composition chimique de l'aérosol atmosphérique et les phénomènes induits par l'empoussièrement graduel du collecteur.

Les différentes configurations géométriques et de positionnement de l'électrofiltre à l'intérieur de la fenêtre pariéto-dynamique ont été testées sur un banc d'essai conçu spécialement pour l'étude.Ils montrent que des efficacités supérieures à 90% peuvent être obtenues sur une large bande granulométrique, pour une consommation d'énergie et une perte de charge minimes.L'ionisation par le système aiguille/optique sera préférée car elle génère beaucoup moins de composés secondaire que la technologie fil-plaques.

Les choix techniques vont être arrêtés pour concevoir le prototype de fenêtre filtrante sur lequel sera menée l'étude paramétrique complète et dont les performances seront évaluées par des mesures in situ.

Aucune à ce stade

Le projet WINFIL est un projet combinant recherche industrielle et recherche en connaissances nouvelles qui vise à mettre au point et à caractériser la performance d’une fenêtre innovante dotée d’un module de filtration électrostatique des particules. La fenêtre dans laquelle est prévue l’intégration du module est une fenêtre pariéto-dynamique de nouvelle génération qui présente des fonctionnalités thermiques et acoustiques avancées. L’intégration d’un module filtrant performant et simple à entretenir donnera lieu à un produit intégré répondant aux problématiques énergétiques et sanitaires actuelles. En plus de la limitation des déperditions thermiques et du réchauffement de l’air neuf avant son introduction dans les locaux, la fenêtre WINFIL permettra en effet d’éliminer une fraction significative des particules contenues dans l’air entrant, et de réduire ainsi l’exposition des occupants. Il s’agit là d’un enjeu sanitaire, social et économique majeur.
Deux procédés de filtration électrostatique seront optimisés et évalués. Dans le premier procédé, la charge des particules sera assurée par un système fils-plaques, tel qu’on le trouve classiquement dans les électrofiltres. Dans le deuxième, les électrodes émissives seront des aiguilles, telles que celles mises en œuvre dans les ioniseurs (épurateurs autonomes).
Le plan de travail prévoit 3 tâches.
• La première, d'une durée de trois mois, aura pour but de définir le cahier des charges technique pour l’intégration du module de filtration électrostatique à la fenêtre pariéto-dynamique existante. Il permettra également d’arrêter le plan d’expériences pour la tâche suivante.
• La seconde verra le développement et l’optimisation de la fenêtre WINFIL à partir de mesures sur banc d’essai où seront testées différentes configurations techniques et opératoires. L’efficacité de collecte des particules sera mesurée pour une large gamme de diamètres (20 nm à 20 µm) dans des conditions opératoires représentatives de l’air atmosphérique en milieu urbain. Outre l’efficacité vis-à-vis des particules, la production de composés secondaires (ozone, dioxyde d’azote) et la consommation énergétique seront mesurées. Au-delà des performances initiales du dispositif, l’impact de l’encrassement des électrodes de collecte et donc du réentrainement des particules fera également l’objet d’une étude.
• Dans le cadre de la troisième tâche, l’amélioration de la qualité de l’air intérieur procurée par la fenêtre pariéto-dynamique filtrante sera caractérisée d’une part par le suivi des concentrations en particules, en ozone et en oxydes d’azote, à l’intérieur et à l’extérieur d’une cellule d’essai représentative d’une pièce de bâtiment, et d’autre part par des simulations numériques de la fenêtre intégrée à des bâtiments soumis à différentes sollicitations environnementales et conditions opératoires (pollution extérieure, régime de ventilation, ...). Des expériences en chambre d'essai visant à caractériser les cinétiques de coagulation et les dépôts de particules chargées électriquement seront également mises en œuvre pour modéliser finement ces phénomènes, et prédire ainsi de manière fine les concentrations en particules auxquelles sont exposées les occupants.

Coordination du projet

Patrice BLONDEAU (Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

TEQOYA TEQOYA
LOCIE Evelyne GONZE
LaSIE Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement
SAG SOCIETE D'ANIMATION ET DE GESTION

Aide de l'ANR 232 259 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2020 - 36 Mois

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