Page 1 CSTC 31/08/2004 WIS 3.0: LOGICIEL EUROPEEN

WIS 3.0: LOGICIEL EUROPEEN GRATUIT POUR LE CALCUL DES
PROPRIETES THERMIQUES ET OPTIQUES DES FENETRES
INTRODUCTION
WIS 3.0 constitue un logiciel avancé, basé sur des normes européennes et conçu pour
assister l’utilisateur dans la détermination des caractéristiques thermiques et solaires des
fenêtres multi-composants (vitrage, châssis, protection solaire, …).
Il s’agit d’un outil puissant et facile d’utilisation, grâce à son interface conviviale, destiné à une
grande diversité d’utilisateurs incluant les ingénieurs consultants, les fabricants, les
architectes, les chercheurs et les personnes impliquées dans la normalisation, les
réglementations dans le bâtiment et l’enseignement.
Le logiciel WIS, dont la première version avait été développée comme sous licence dans le
cadre d’un précédent projet de recherche financé par la Commission européenne, a été mis à
jour et amélioré au cours des trois dernières années au sein du réseau thématique WINDAT,
pour aboutir à WIS 3.0. Une quarantaine de participants à travers l’Europe ont apporté leur
contribution à ce réseau, parmi lesquels des organismes de recherche et d’enseignement de
premier rang, des fabricants, des architectes et ingénieurs de bureaux d’étude, avec une forte
représentation des groupes de travail internationaux de normalisation.
Les algorithmes de calcul de WIS se basent non seulement sur des normes internationales
(CEN, ISO), mais aussi sur des routines de calcul avancées pour des composants ou des
conditions pour lesquels aucune norme n’est actuellement disponible.
Dans ce sens, WIS contribuera aux futurs travaux de normalisation et d’harmonisation des
composants de la fenêtre.
WINDAT et WIS ont été financés par la Direction Générale de l'Energie et des
Transports de la Commission Européenne.
DESCRIPTION DE WIS
WIS met en œuvre les routines de calcul les plus avancées dans un environnement utilisant
une interface graphique conviviale. L’outil fonctionne sous Windows 98, Windows 2000,
Windows NT et Windows XP. La Figure 1 fournit une vision globale de la structure de WIS.
Une fenêtre associe différents composants : un système transparent (un vitrage), un profilé
d’encadrement et un espaceur. Chacun de ces composants peut être choisi, dans
l’environnement WIS, parmi une grande liste de possibilités disponibles dans la base de
donnée associée à l’outil.
Le système transparent de la fenêtre se compose lui-même de plusieurs couches. Chacune
d’entre elles est choisie dans une base de données contenant plusieurs sortes de verres, des
composants diffusant la lumière (comme les protections solaires ou verres diffusants) ainsi
que les gaz de remplissage. Les échanges d’air entre une couche du vitrage et
l’environnement ou entre deux couches du vitrage peuvent être modélisés au choix en
convection naturelle ou forcée.
Les nouveautés par rapport à la première version de WIS sont les suivantes :
• les bases de données ont été alimentées par un grand nombre de composants (des
centaines de vitrages, des dizaines de profilés d’encadrement, d’espaceurs et de
protections solaires)
• les algorithmes de calcul ont été adaptés aux dernières versions des normes
internationales CEN et ISO
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de nouveaux composants, absents dans les bases de données initiales, peuvent
facilement être ajoutés dans WIS. En particulier, les propriétés optiques des verres
peuvent être importées à partir d’autres sources (comme les bases de données des
versions antérieures de WIS, ou encore la base de donnée IGDB « International
Glazing Database »)
les coefficients de transmission thermique linéaire des profilés et des espaceurs
peuvent être déterminés de trois façons différentes
les propriétés optiques des protections solaires peuvent être obtenues par la
méthode du du lancer de rayon (ray-tracing) à présent intégrée dans WIS en
complément de la méthode de radiosité déjà existante (méthode des facteurs de vue)
en plus des stores vénitiens, WIS peut aussi prendre en compte des stores de type
plissés et des stores enroulables, ainsi que d’autres composants diffusants.
Figure 1 Structure de WIS.
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Vous trouverez ci-après quelques propriétés des composants utilisés dans WIS.
GAZ DE REMPLISSAGE
WIS se compose d’une base de données comprenant les propriétés physiques des gaz
couramment utilisés dans les doubles vitrages, comme l’air, l’argon, le krypton, ... L’utilisateur
peut créer n’importe quel mélange, en indiquant les noms et les proportions de deux ou de
plusieurs gaz. WIS calcule alors automatiquement les propriétés physiques de ce mélange,
nécessaires pour déterminer le coefficient de transmission thermique de la fenêtre (voir
Figure 2). Les propriétés des gaz présents dans la base de données sont conformes à la
norme EN673. Les propriétés des mélanges sont obtenues par pondération massique,
toujours conformément à la norme EN 673.
Figure 2 Copie d’écran de WIS : fenêtre traitant des mélanges de gaz.
VERRE
WIS dispose des données spectrales complètes des verres, dans une base de données
étendue comportant des produits de différents fabricants. Les données des verres
officiellement soumises au réseau WINDAT et passées en revue selon les procédures
WINDAT sont marquées par la lettre « E » et sont protégées. De plus, l’utilisateur peut
importer ses propres données spectrales, provenant par exemple de ses mesures ou d’une
autre base de données comme l’IGDB « International Glazing Database ». WIS calcule un
certain nombre de propriétés optiques, comme les coefficients de réflexion et de transmission
solaire (dans les domaines du visible ou des UV), conformément à la norme EN 410. Des
propriétés fonction de l’angle d’incidence peuvent aussi être calculées grâce à des
algorithmes appropriés, comme on le voit dans les figures ci-après.
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Figure 3 Fenêtre de sélection des verres.
Figure 4 Propriétés angulaires du verre sélectionné.
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Figure 5 Propriétés spectrales du verre sélectionné.
PRODUITS DISPERSANT LA LUMIERE
Les produits dispersant la lumière constituent une catégorie spéciale dans WIS. Dans la
nouvelle version du logiciel, on distingue quatre types différents de ces produits :
1. stores à lamelles (stores vénitiens, par exemple)
2. stores plissés
3. stores enroulables et ’screens’
4. autres produits dispersifs (verre diffusant, par exemple).
La base de données contient les mesures des propriétés spectrales de divers produits
(principalement des protections solaires) et l’utilisateur peut y importer ses propres données.
Les propriétés optiques qui sont utilisées par WIS dans les calculs sont les transmissions et
réflexions « direct-direct » ainsi que les transmissions et réflexions « direct-hémisphérique »
pour un ensoleillement solaire à incidence normale.
Pour les stores vénitiens et plissés, WIS calcule leurs propriétés à partir de celles des
matériaux, en prenant en compte toutes les inter-réflexions entre les lamelles/plissés. Les
protections peuvent être partiellement transparentes. Les propriétés des stores plissés sont
toujours calculées avec le module du lancer de rayon (‘ray-tracing’) intégré dans WIS. Pour
les stores vénitiens, le choix est laissé entre cette méthode ou la méthode des facteurs de
vue (‘radiosité’). Bien que nettement plus rapide, la méthode des facteurs de vue suppose
que toutes les réflexions et transmissions des lamelles du store soient diffuses, ce qui peut se
révéler incorrect pour les protections solaires dont la surface présente un aspect
réfléchissant.
Le lancer de rayon constitue une bien meilleure solution pour les protections solaires
présentant une surface hautement spéculaire, comme on peut le voir à la figure 6. Cette
figure montre la réflexion d’une protection solaire à lamelles, avec les lamelles inclinées
à 45°. Les lamelles sont supposées réfléchir de façon spéculaire. Dans ces conditions, le
système devrait avoir un coefficient de réflexion global nul en incidence normale ou pour des
angles d’incidence inférieurs à 0°, car la lumière incidente reçue sur la face supérieure d’une
lamelle est réfléchie et renvoyée sur la face inférieure de la lamelle située au-dessus de celleci, et est ainsi transmise de l’autre côté de la protection solaire. Toutefois, dans la mesure où
la méthode des facteurs de vue suppose que la lumière est réfléchie de manière diffuse, une
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partie de la lumière sera réfléchie dans la direction d’où provient le rayon incident.
Remarque : pour un angle incident de + 90° ou –90°, toute la lumière est supposée être
réfléchie.
Une nouvelle fonctionnalité (seulement avec la méthode du lancer de rayon) réside dans la
possibilité de calculer les propriétés de protections solaires munies de lamelles incurvées. On
retrouve ce genre de protections très fréquemment, du fait de leur faculté à rediriger la
lumière. L’utilisateur modélise la lamelle incurvée en spécifiant simplement la valeur de
courbure de la lamelle (en anglais ‘crown height’) dans WIS, le programme faisant le reste
(voir figure 7).
Figure 6 Réflexion calculée pour un store à lamelles (lamelles inclinées à 45 °, réflexion
spéculaire) avec les méthodes de facteurs de vue (view factor) et du lancer de rayon (ray-tracing).
Figure 7 Définition géométrique d’un type de protection solaire utilisant des lamelles incurvées.
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PROFILES D’ENCADREMENT ET ESPACEURS
WIS contient une base de données de profilés d’encadrement, spécifiant le coefficient de
transmission U et les dimensions comme principales caractéristiques, conformément à la
norme EN ISO 10077-1. De nouveaux profilés peuvent facilement être ajoutés à la base de
données. Pour une analyse approfondie des profilés, WIS fournit un lien vers des
programmes de calculs numériques comme THERM et KOBRA. Les propriétés de quelques
espaceurs couramment utilisés sont également disponibles dans la base de donnée de WIS.
Figure 8 Copie d’écran de WIS : profilés de fenêtre.
SYSTEME TRANSPARENT
Les couches de verre, les gaz de remplissage et les protections solaires composant une
fenêtre sont rassemblés dans WIS au niveau du ‘système transparent’. Dans le logiciel,
toutes les couches « solides » (couches de verre et protections solaires) sont supposées être
séparées par une couche de gaz (ou de mélange de gaz). Un verre feuilleté est considéré
comme une seule couche solide. Les propriétés optiques et thermiques du système
transparent ainsi formé sont calculées conformément aux normes EN 410 et EN 673,
lorsqu’aucune protection solaire n’est utilisée. Lorsqu’une protection solaire ou un élément
dispersant la lumière est ajouté ou lorsqu’il est question d’échange d’air entre les éléments, le
programme doit être utilisé en mode expert. Dans ce mode, WIS utilise des algorithmes de
calcul puissants, ne faisant encore l’objet d’aucune normalisation. Les systèmes dotés d’une
circulation d’air intérieure (systèmes ventilés) et de protections solaires sont calculés
conformément à la norme ISO DIS 15099 et au projet de norme prEN 13363-2 (si applicable).
De cette manière, WIS suit les derniers travaux de normalisation et contribue aussi à leur
progression. Les calculs actuels effectués par WIS sont aussi proches que possible à la fois
de la réalité physique et de la normalisation.
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Figure 9 Copie d’écran de WIS : système transparent.
Figure 10 Copie d’écran de WIS : modèles de ventilation.
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Avec ces fonctionnalités spéciales, l’outil est particulièrement bien adapté au calcul des
performances thermiques et solaires de fenêtres complexes et de façades actives.
SYSTEME DE FENETRE
A ce niveau, le système de fenêtre est assemblé et composé d’un système transparent
associé à un profilé d’encadrement et un espaceur, que l’on a défini précédemment.
Cette étape finale définit la fenêtre dans sa globalité et conduit aux calculs et résultats finaux
de la fenêtre complète.
Figure 11 Copie d’écran de WIS : le système de fenêtre.
Pour une restitution complète des résultats obtenus, des rapports détaillés reprenant
l’ensemble des résultats sont accessibles à tous les niveaux de définition du modèle.
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CONCLUSION
WIS, qui fait appel à une interface graphique conviviale et évoluée, constitue un programme
utilisant les routines les plus avancées en matière de calcul des propriétés thermiques et
optiques des fenêtres.
L’outil contient également d’importantes bases de données des différents composants de la
fenêtre dont les propriétés sont fournies par les fabricants, pour une construction facile et
rapide de systèmes de fenêtre. Ces bases de données peuvent aussi être enrichies par
l’utilisateur.
WIS se distingue enfin par quelques fonctionnalités uniques, concernant par exemple la
modélisation des systèmes de protection solaire et la ventilation, permettant de réaliser, d’une
manière simple, des calculs évolués de systèmes complexes de fenêtres.
Voici quelques exemples de calculs qu’il est possible de réaliser grâce au logiciel WIS.
Propriétés thermiques
•
•
•
calcul du coefficient U de transmission thermique d’une fenêtre avec double vitrage,
l’utilisateur pouvant définir les couches de verre, le gaz de remplissage et la largeur
de la cavité
calcul du coefficient U de transmission d’un système de fenêtre multicouches avec
des couches pouvant être (partiellement) perméables au rayonnement infrarouge (IR)
coefficient de transmission thermique U d’une fenêtre munie d’une protection solaire
et effet de la ventilation des lames d’air (convection naturelle ou forcée) sur les
résultats.
Propriétés optiques et énergétiques
•
•
calcul du coefficient de transmission, dans les domaines du visible, des UV et de
l’énergie (et index du rendu de couleur), d’un système de fenêtre multicouches avec
ou sans protection solaire, pour différents angles d’incidence du soleil
détermination de la part du rayonnement solaire qui passe à travers une fenêtre avec
protection solaire sans changement de direction, et de la part diffuse ou redirigée.
Pour de plus amples informations, un support technique, ou si vous désirez télécharger
gratuitement le logiciel WIS 3.0, nous vous renvoyons au site Internet suivant :
www.windat.org
WINDAT et WIS ont été financés par la Direction Générale de l'Energie et des Transports de
la Commission Européenne.
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