Axe A1 > Opération 3.1 : Transferts de chaleur et de masse dans les matériaux et les enveloppes du bâtiment

A travers cette opération, nous souhaitons étudier différentes solutions permettant d’accroitre l’efficacité énergétique des bâtiments, notamment en travaillant sur l’enveloppe. Cette opération s’articule autour de 3 projets :

  • Projet 1 : Transferts couplés de chaleur et de masse
  • Projet 2 : Stockage d’énergie (parois actives)
  • Projet 3 : Enveloppes multi-fonctions

Projet 1 : Transferts couplés de chaleur et de masse

Développement d’outils pour la modélisation des transferts de chaleur et d’humidité

Des études relatives aux échanges couplés de chaleur et d’humidité à travers les enveloppes des bâtiments et à l’interface matériaux de construction / ambiance ont été menées au LaSIE. Un modèle d’échanges couplés, ayant pour moteurs des transferts la teneur en vapeur d’eau, la température et la pression de la phase gazeuse, a été développé. Les paramètres d’entrée de ce modèle sont déterminés expérimentalement moyennant le développement au laboratoire des bancs d’essais de caractérisation. Il s’agit notamment, de la conductivité thermique, le coefficient de diffusion hydrique isotherme, la capacité de stockage d’humidité, le coefficient de gradient thermique traduisant l’effet de la thermodiffusion et le coefficient d’infiltration de la vapeur représentant l’incidence de la pression totale.

Étude de l’incidence de la végétalisation de l’enveloppe et des traitements de surface

L’extension de l’étude des transferts couplés de chaleur et d’humidité à des parois végétalisées (espèces vivantes) est abordée numériquement et expérimentalement. Basée sur une approche transversale, pluridisciplinaire, mêlant énergétique, génie civil, environnement et agronomie, elle permet d’appréhender le comportement des enveloppes végétalisées toute en considérant l’effet du microclimat, la physiologie végétale et les composantes traditionnelles du bâtiment. L’objectif final est d’étudier l’incidence des toitures et des façades végétalisées sur la consommation énergétique des bâtiments, sur le confort des occupants et sur le microclimat urbain. Afin d’acquérir des données fiables quant au comportement des complexes végétaux au sein des enveloppes des bâtiments et de quantifier leurs effets sur la performance énergétique des bâtiments, une plateforme expérimentale à échelle réduite a été élaborée sur le site de l’Université de La Rochelle. De plus, onze bâtiments réels, BBC, équipés de différentes types de toitures (gravillonnaires, végétalisées et cool-Roof) sont instrumentés. Les données expérimentales collectés sur les deux plateformes sont utilisées pour entreprendre des comparaisons avec les résultats numériques et de valider ainsi les modèles mathématiques développés.
En parallèle, le LaSIE continue à travailler sur les traitements de surface (peintures « cool ») permettant de modifier les propriétés radiatives des matériaux d’enveloppe du bâtiment. L’objectif est de mettre en évidence l’impact de cette solution technique sur la diminution des charges de climatisation des logements et l’amélioration du confort d’été, notamment par comparaison à la technique de végétalisation. Par ailleurs, le LaSIE est impliqué, en tant que membre fondateur, dans le développement du Conseil européen CoolRoofs EU-CRC réunissant tous les acteurs concernés de la filière (laboratoires, institutions, entreprises).

Caractérisation multi-échelles des transferts de chaleur et de masse au sein d’isolants à structure fibreuse

On assiste depuis une quinzaine d’années au développement d’éco-matériaux basés sur l’utilisation de fibres végétales, en particulier pour la fabrication de laines isolantes pour le bâtiment. Afin de quantifier l’interaction entre ces matériaux et le bâtiment, il est nécessaire de caractériser leur comportement thermo-hydrique lorsqu’ils sont soumis à des conditions climatiques variables (température, hygrométrie).
Dans ce projet, nous nous proposons de caractériser le comportement thermo-hydrique de laines de chanvre afin d’étudier l’impact de la structure (dimension et assemblage des fibres, dimensions et forme des pores) et des conditions d’ambiance sur l’évolution des propriétés du matériau lors de son usage. Le couplage des transferts, le caractère fortement anisotrope de l’assemblage des fibres (orientation et positionnement/contact) ainsi que la forte porosité (> 95%) de ces matériaux rend nécessaire le développement de nouveaux modèles basés sur les méthodes de changement d’échelle permettant le passage entre l’échelle microscopique et macroscopique et sur la connaissance de la microstructure des laines isolantes.

Microstructure de la laine de chanvre

Développement d’outils pour la réhabilitation des bâtiments

Dans le cadre de la réhabilitation énergétique du patrimoine bâti, le LaSIE s’intéresse aux désordres pouvant être occasionnés par la modification de l’équilibre hydrique des parois d’un bâtiment suite à une opération de réhabilitation. Différents aspects de la problématique complexe de la réhabilitation sont abordés, en particulier :

  • les transferts hydriques et la compatibilité des matériaux isolants ajoutés à une enveloppe donnée ;
  • les points singuliers liés aux ponts et « tunnels » thermiques (impact de la perméabilité à l’air) ;
  • la ventilation et la perméabilité à l’air global de l’enveloppe qui conditionnent la qualité de l’environnement intérieur.
    De plus, une méthode d’identification conjointe des caractéristiques de l’enveloppe et des conditions d’usage déterminantes vis-à-vis des performances énergétiques d’un bâtiment est développée.

Projet 2 : Stockage d’énergie (parois actives)

Initié dans le cadre de l’Annexe 23 de l’IEA, un travail de recensement et de comparaison des principaux systèmes de stockage d’énergie (passifs et actifs) appliqués au bâtiment est mené au LaSIE. De plus en plus de systèmes de stockage, qu’ils soient indépendants ou intégrés à l’enveloppe même du bâtiment, recourt à l’emploi de matériaux à changement de phase (MCP). La finalité de ce travail est de proposer des préconisations d’utilisation de ces systèmes de stockage d’énergie dans le bâtiment. Il s’appuie sur un état de l’art permettant d’établir des points de comparaison entre les différents systèmes recensés.

Projet 3 : Enveloppes multi-fonctions

Le LaSIE contribue au développement de composants d’enveloppe multi-fonctions qui, en plus d’assurer leur fonction première, contribuent au confort thermique et à la qualité de l’air intérieur. Ces composants intégrés à l’enveloppe du bâtiment, dont l’objectif est d’en réduire les consommations énergétiques, peuvent être de différentes natures :

  • les murs stockeurs servant au chauffage et au rafraîchissement pour lesquels l’énergie thermique est stockée dans un échangeur « MCP/Air » intégré au mur de façade, puis restitué à l’intérieur du bâtiment par la VMC. En hiver, la chaleur provient de la capture du rayonnement solaire par effet de serre (selon le principe du mur solaire non-ventilé), tandis qu’en été le froid est emmagasiné durant la nuit par sur-ventilation nocturne, la restitution se faisant la journée.
Mur capteur
  • les fenêtres pariéto-dynamiques qui sont constituées d’un triple vitrage à travers lequel circule l’air neuf et dans lequel cet air est préchauffé avant d’être introduit dans le logement. En comparaison à une fenêtre traditionnelle, ce type d’ouvrant permet de maximiser les apports solaires et de limiter les déperditions de chaleur (en partie récupérées par l’air entrant).
  • les lanterneaux des bâtiments industriels ou commerciaux de grands volumes qui peuvent aussi bien contribuer aux performances liées à la réflectivité solaire (ou albédo) et à l’éclairage naturel qu’à l’amélioration de la ventilation naturelle en été (rafraîchissement passif).
publie le mardi 11 décembre 2012