Axe A1 > Opération 1 : Le vecteur air

Les études menées dans le cadre de l’opération Qualité des Environnements Intérieurs concernent la ventilation, la qualité de l’air, le confort thermique et l’acoustique au sein des ambiances habitées et des habitacles de tous types. Elles visent à la définition de solutions constructives (matériaux, murs actifs, …), de systèmes (ventilation, épurateurs, …), ou de stratégies de contrôle, qui permettent de concevoir des bâtiments optimaux en termes de performance énergétique et de conditions sanitaires ou de confort offertes aux occupants. Les approches utilisées reposent sur la compréhension fine des processus qui président à la variabilité des grandeurs caractéristiques de chacune de ces composantes : concentrations en polluants, champ de vitesses d’air, température, humidité relative, … Suivant la nature et l’objectif des études, ces approches font intervenir des expérimentations in situ ou de laboratoire. Dans de nombreux cas, elles donnent lieu au développement de modèles qui peuvent être :

  • soit des modèles unitaires représentant le comportement d’un système ou d’un matériau en fonction des sollicitations auxquelles il est soumis,
  • soit des outils de modélisation globaux destinés à simuler la qualité de l’air, l’écoulement d’air, le confort, et/ou la consommation énergétique dans un bâtiment ou une ambiance défini(e) en termes d’architecture et d’équipements.
    L’opération Qualité des Environnements Intérieurs est structurée en 4 projets :

1- Qualité de l’air intérieur

Banc de caractérisation des propriétés de transfert des matériaux

Les recherches menées dans le domaine de la qualité de l’air intérieur abordent les cinq grandes familles de phénomènes qui déterminent au final l’exposition à la pollution gazeuse et particulaire des occupants d’un bâtiment, à savoir :

  • Le recensement et la caractérisation des sources d’émission dans les bâtiments, incluant les transferts depuis le sol – Une base de données baptisée PANDORE qui compile les taux d’émission par les matériaux et les sources internes publiés dans la littérature ;
  • La caractérisation et la modélisation des transferts par les flux d’air au sein des ambiances, à travers les enveloppes, et au passage des composants de l’installation de ventilation/conditionnement d’air ;
  • L’étude des phénomènes de réactivité chimique dans l’air et leurs conséquences en termes de production de composés secondaires (aldéhydes, particules ultrafines, …) ;
  • Le développement de modèles physiques fins représentant les transferts de polluant dans les matériaux et/ou à leurs interface avec l’ambiance, en vue de la qualification de leurs émissions primaires et secondaires dans l’air, des effets inertiels induits par les parois et le mobilier dans une pièce, ou des mécanismes de dépôt / remise en suspension ;
  • L’évaluation sur des critères sanitaires et énergétiques de solutions d’épuration de l’air existantes (matériaux actifs, systèmes autonomes, unités à intégrer au réseau de ventilation), et le développement de solutions ou de stratégies innovantes qui soient optimales vis-à-vis de ces critères.

Par les approches physiques utilisées, l’intégration des connaissances acquises dans des outils de simulation dynamique couplant l’ensemble des phénomènes permet d’apprécier la contribution à la qualité de l’air d’un processus, d’un système ou d’une solution constructive spécifique, en termes d’évolution des concentrations ambiantes au cours de périodes plus ou moins longues. Les expositions aigües ou chroniques calculées sur cette base peuvent donc être mises en relation avec les valeurs limites d’exposition (valeurs guides pour l’air intérieur, valeurs repère, …) établies par les organismes sanitaires compétents. Comme dans le domaine de la thermique du bâtiment, pour une étude déterminée, le choix de l’environnement de simulation dépend à la fois des échelles de temps à simuler et de la finesse de la résolution spatiale des concentrations que nécessite l’application visée.

Au niveau expérimental, les études s’appuient sur différents bancs d’essai destinés à la caractérisation des propriétés de transfert des polluants dans les matériaux (sorption, diffusion, réactivité) ou à leur surface (dépôt et remise en suspension des particules). Le laboratoire dispose également d’une chambre environnementale gardée de 30 m3 (cellule EMMA) totalement modulable au niveau de ses parois, de sa ventilation et des conditions hygrothermiques d’ambiance, dont la principale fonction est l’étude à l’échelle réelle, mais dans des conditions contrôlées, du comportement de matériaux ou de systèmes d’épuration couplés à l’ambiance. Ces dispositifs expérimentaux seront prochainement complétés par la construction d’une maison expérimentale dédiée aux études sur la qualité de l’air intérieur dans le cadre de la Plateforme Bâtiment Durable Atlantique ATLANTECH.

Les mesures de concentrations en particules s’effectuent par le biais de compteurs optiques et l’analyse des composés organiques volatils par un spectromètre de masse par transfert de protons (PTR-MS). Ces moyens d’analyse peuvent dans certains cas aussi être utilisés pour la réalisation d’études in situ et de diagnostiques de qualité de l’air.

Chambre d’essai qualité de l’air EMMA
Qualité des environnements intérieurs_Champs de vitesses et de températures dans une chambre d’hôpital_Eté_ZONAL

2- Ventilation et maîtrise des écoulements

Cellule AIRDIFF pour la caractérisation de la diffusion de l’air et du confort thermique dans un bâtiment

Les études conduites au laboratoire sur la ventilation recouvrent les enjeux principaux de la ventilation qui sont de garantir le confort et la santé des occupants à un coût énergétique maîtrisé. Ces études qui couplent la modélisation numérique et l’expérimentation concernent à la fois la maîtrise des écoulements d’air dans les locaux, le développement de solutions technologiques innovantes, ou des approches intégrées visant à qualifier les stratégies de ventilation, qu’elles soient naturelles ou mécaniques.
Les études récemment conduites concernent notamment :

  • Le contrôle de la diffusion des jets d’air par les buses terminales (jets lobbés)
  • La détermination expérimentale de l’efficacité de ventilation,
  • Le contrôle de la ventilation naturelle à l’aide de modèles d’ordre réduits,
  • L’intégration de systèmes intelligents d’ouverture des fenêtres,
  • Une méthodologie d’approche performancielle de la ventilation destinée à l’optimisation des stratégies de ventilation dans les bâtiments à très faible demande énergétique.
    Outre des études in situ sur des systèmes innovants de ventilation, les études expérimentales réalisées dans cette action s’appuient essentiellement sur deux cellules en environnement contrôlé dont s’est doté récemment le laboratoire. Outre la chambre environnementale déjà présentée qui est plus spécifiquement dédiée aux études liées à qualité de l’air intérieur, les études concernant la diffusion d’air et le contrôle des jets utilisent une cellule dédiée dont les parois munies, à leur peau intérieure de réseaux de micro-tubes hydrauliques, peuvent être régulées en température. Les conditions d’injection d’air étant scrupuleusement contrôlées en température et en débit, les champs instantanés de vitesse sont acquis par vélocimétrie par image de particules (PIV).
    Les études numériques réalisées ici utilisent un large spectre de modèles pour la plupart développés au laboratoire dans divers environnement de calcul. Partant de modèles très détaillés de simulation dynamique des écoulements turbulents nécessaires à la compréhension des phénomènes d’expansion des jets ou de diffusion d’air dans les locaux, les développements numériques vont jusqu’à des codes multizones couplés thermo –aéraulique, intégrant la modélisation des systèmes et permettant d’évaluer l’impact énergétique des stratégies de ventilation sur des périodes annuelles pour des bâtiments entiers, en passant par des modèles intermédiaires destinés à une appréhension détaillée des champs thermiques et aérauliques à un coût numérique réduit permettant notamment l’élaboration de stratégies de contrôle.
UTDA de type grille à ailettes lobées et la dynamique tourbillonnaire à l’échelle d’une fente
Approche performancielle de la ventilation _ Simulation de l’humidité ambiante en fonction du système sélectionné
Mesures PIV volumique couplées à des mesures éléctrodiffusionnelles - Analyse de jets impactants circulaires et lobés

3- Transferts couplés de chaleur et d’humidité

Plusieurs travaux de recherche ont démontré que l’excès d’humidité provoque à terme une dégradation des matériaux et une diminution de la durée de vie d’un bâtiment. Un degré d’hygrométrie élevé peut causer la corrosion du métal, le pourrissement du bois et la détérioration de la structure. En plus des dommages de la construction, l’humidité migrant à travers l’enveloppe du bâtiment peut induire une mauvaise qualité de l’air intérieur et un niveau d’hygrométrie élevé qui favorisent la croissance fongique et peut affecter la santé humaine. Elle peut être également une cause d’allergies et de maladies respiratoires. En outre, les phénomènes d’interaction entre les COV (composantes organiques volatiles) et les matériaux est largement tributaire de l’humidité.

Malgré les développements récents dans ce domaine, des zones d’ombre persistent. En particulier des écarts entre les mesures et les simulations numériques. L’origine de ces écarts n’est pas véritablement connue : la métrologie, les caractéristiques des matériaux, les modèles hygrothermiques eux-mêmes. Une approche expérimentale et numérique ayant pour ambition de maîtriser les phénomènes en jeu est développée au laboratoire. Il est envisagé de mettre au point une méthodologie de conception hygrothermique des bâtiments, s’appuyant sur des outils et des méthodes fiables permettant de qualifier et de quantifier des solutions techniques innovantes exploitant la dimension de la thermique liée aux transferts de masse.

4- Acoustique

Illustration du modèle de diffusion acoustique des salles, deux salles couplées avec une source sonore

Les recherches menées sur le thème de l’acoustique visent à mettre au point des outils qui permettent de traiter l’acoustique à l’échelle d’une rue ou d’un quartier dans un contexte d’aménagement urbain(plan de masse adéquat, pose d’écrans), et à l’échelle du bâtiment, en isolant les façades exposées à des nuisances sonores (choix des matériaux) et/ou en concevant un aménagement intérieur qui procure un confort acoustique satisfaisant aux usagers.

Pour les applications relatives au traitement des ambiances intérieures, la méthode utilisée repose sur le développement de modèles de diffusion acoustique. Depuis quelques années, des travaux dans le domaine de l’acoustique urbaine ont montré en effet montré que la densité d’énergie acoustique d’un champ réverbéré est la solution d’une équation de diffusion. Des travaux développés en collaboration avec l’IFSTTAR (site de Nantes) visent à appliquer cette théorie à l’acoustique des salles. Une équation de diffusion est résolue numériquement au moyen de la technique des éléments finis. En définissant un coefficient de diffusion et des conditions aux limites appropriées, le champ acoustique réverbéré est évalué en termes de niveaux sonores et de temps de réverbération. Cette technique est peu coûteuse numériquement. Elles convient particulièrement bien aux géométries correspondant à des locaux longs, locaux couplés, ou réseaux de locaux couplés, c’est-à-dire à des configurations pour lesquelles très peu d’outils sont opérationnels.

A moyen terme, la perspective est de mettre au point un code de modélisation de champ acoustique diffus au niveau d’un quartier, ce qui implique de lever différents verrous : couplage milieu extérieur-milieu intérieur, problème de diffraction …

publie le mardi 21 mai 2013