Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement (LaSIE) - UMR CNRS 7356

Opération 2 : Énergétique du Bâtiment

Emmanuel Bozonnet — 2018-06-13T16:24:35Z

La philosophie

Au niveau énergétique, de nouveaux enjeux dans le bâtiment sont apparus, que ce soit en termes de réduction d'énergie, d'autosuffisance énergétique ou de lutte contre le changement climatique. La directive européenne 2010/31/UE, qui demande que pour 2020 tous les nouveaux bâtiments construits en Europe soient à consommation d'énergie quasi nulle et de renforcer la réhabilitation thermique du parc de façon à obtenir en 2050 une réduction par 4 de la demande énergétique totale du secteur bâti, en est un bon exemple. Pour le bâtiment, ce changement de paradigme, qui le fait passer du secteur le plus énergivore à un secteur à demande énergétique quasi nulle, voire de production énergétique, demande des efforts de recherche et de développement décuplés. Ce contexte nous a conduits à définir pour cette opération trois thèmes de recherche. Le premier thème s'intéresse au bâtiment à différentes échelles : les matériaux (où on retrouve la problématique de l'humidité), les composants d'enveloppe (avec l'intégration de nouvelles fonctionnalités) et le bâtiment dans son ensemble. Le deuxième thème est dédié aux systèmes énergétiques : production de chaleur, d'électricité, rafraîchissement… avec l'utilisation prioritaire des énergies renouvelables, et à la gestion de ces systèmes. Le dernier thème se situe à l'échelle du quartier et notamment du couplage microclimat urbain – systèmes énergétiques.

Thème 1 – Matériaux, Composants d'enveloppe, Conception intégrée et optimisation multicritères des bâtiments

À l'échelle microstructurale du matériau, devant la complexité morphologique du problème, il est indispensable de développer des techniques expérimentales innovantes. Sur le volet modélisation, la prédiction numérique a mis en évidence la nécessité de prendre en compte l'effet mémoire qui influe sur les évolutions instantanées de l'hygrométrie. Cet effet peut avoir plusieurs sources (matériaux à double échelle de porosité, non équilibre local ou encore hystérésis entre adsorption et désorption d'humidité). Composants d'enveloppe - Les performances énergétiques des bâtiments ne peuvent plus s'évaluer uniquement à partir des propriétés physiques à l'échelle du matériau et en ne considérant que les transferts thermiques au sein des parois. Les constructions non conventionnelles (ossatures bois, parois en terre, isolants biosourcés) ou anciennes en sont un bon exemple. Dans ce cadre, le laboratoire développera de nouveaux outils de caractérisation thermo-hydrique et de diagnostic de parois afin d'évaluer les risques hygrothermiques lors d'une rénovation. Par ailleurs, l'enveloppe du bâtiment (murs, fenêtres, toitures) évolue vers un objet plus complexe et multifonctionnel qui lui permet d'assurer de nouvelles fonctionnalités telles que le stockage, l'apport d'air neuf, la production d'énergie et la valorisation de ressources énergétiques renouvelables. Nous envisageons, à travers des études numériques et expérimentales qui seront menées sur les nouvelles façades « test » de la plateforme Tipee, de quantifier les apports énergétiques de ces nouvelles parois « multifonctions » et d'en évaluer l'impact sur le confort hygrothermique. Conception intégrée et optimisation multicritères des bâtiments - L'optimisation multicritères, par exemple par algorithme évolutionnaire, ouvre de nouvelles perspectives de développement pour la conception et la réhabilitation des bâtiments intégrant les systèmes, les occupants, etc. La numérisation de la filière bâtiment et le développement du BIM (Building Information Model) doivent permettre l'émergence de ces méthodes de conception intégrée pour le bâtiment. Ces développements passent par la mise en place de modèles de calcul interopérables et donc l'automatisation de processus de conception et d'échange de données. La conception intégrée des bâtiments doit également prendre en compte son intégration aux réseaux énergétiques. De nouvelles contraintes et opportunités apparaissent avec l'augmentation de la part du renouvelable dans les mix énergétiques nationaux, ainsi que l'émergence des objets connectés. Les bâtiments deviennent à la fois consommateurs et producteurs d'énergie et différentes solutions peuvent être envisagées pour favoriser le développement des « réseaux intelligents » (autoconsommation, stockage, modulation…). Enfin, les effets du changement climatique et les modèles reconnus par le GIEC permettront d'aborder la conception intégrée avec les notions de variabilité climatique et de durabilité des solutions techniques, en particulier pour les techniques de rafraîchissement passif.

Thème 2 - Efficacité énergétique des systèmes

Consécutivement aux nouvelles réglementations et directives européennes, les besoins énergétiques dans le secteur du bâtiment évoluent. Ceci se traduit en particulier par une réduction des besoins de chauffage et une augmentation des besoins d'électricité. Par conséquent, nous envisageons d'étudier expérimentalement et numériquement de nouvelles solutions, telles que des systèmes basés sur le potentiel d'utilisation du vecteur air pour le chauffage de bâtiments fortement isolés. Une attention particulière sera aussi portée sur l'exploitation des énergies renouvelables et la production d'énergie décentralisée, notamment par le biais d'études réalisées sur une plateforme de micro-cogénération de chaleur et d'électricité fonctionnant à partir de l'énergie solaire, et sur la gestion « intelligente » des différentes sources d'énergie, que ce soit au sein d'un même bâtiment ou en lien avec d'autres bâtiments.

Thème 3 - Interaction bâtiment-microclimat urbain

Les modèles existant sont généralement limités soit à des approches thermo-radiatives, éventuellement couplées à des outils de CFD, soit à des approches énergétiques du quartier sans prise en compte du microclimat local. Sur la base de modèles réduits pour les bâtiments et systèmes, un couplage avec l'environnement extérieur par une approche zonale (EnviBatE) mais aussi l'intégration du fonctionnement précis des systèmes (Dimosim) sont envisagés par une collaboration étroite avec le CSTB. À l'échelle du quartier et pour les espaces habités, la prise en compte du comportement des occupants est également un paramètre important qui sera pris ici en compte, et qui doit intégrer à terme les effets de feedback liés à la qualité de l'environnement urbain.

Opération 1 : Qualité des Environnements Intérieurs/Extérieurs

Emmanuel Bozonnet — 2018-06-13T16:16:57Z

La philosophie
Jusqu'à présent, dans le secteur du bâtiment, la majorité des efforts en recherche en France et dans le monde a eu lieu sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des bâtiments. Depuis quelques années, d'autres enjeux sont apparus, notamment des enjeux environnementaux et de santé public, qui sont liés à la qualité des ambiances, qu'elles soient intérieures ou extérieures. On peut citer l'augmentation de la pollution, le développement des allergies, de cancers liés au radon, de maladies liées aux nanoparticules mais aussi de maladies liées à la chaleur (canicule, îlot de chaleur urbain). A travers cette opération, nous souhaitons répondre à cette problématique, ce qui nous a conduits à décliner la dynamique de cette opération selon trois thèmes de recherche : Qualité de l'air et évaluation multicritère des environnements intérieurs, Ventilation et écoulements, et Thermoaéraulique des îlots urbains.

Thème 1 - Qualité de l'air et évaluation multicritère des environnements intérieurs

Compte tenu de l'évolution des constructions, les problématiques liées à la QEI deviennent de plus en plus prégnantes. Outre les problèmes d'inconfort d'été liés aux constructions légères et augmentés par les îlots de chaleur urbains ou les
évolutions climatiques, la qualité de l'air intérieur devient un problème de santé publique majeur, certainement insuffisamment adressé. Notre ambition en ce domaine se décline en deux actions prioritaires : la qualification des environnements intérieurs et la prévention du transfert des polluants de l'extérieur vers l'intérieur des bâtiments. La qualification des environnements intérieurs vis-à-vis de critères sanitaires et de confort prédictibles et/ou mesurables (concept de bâtiment sain) sera abordée dans le cadre de la convention ULR/CNRS/CSTB. Cette action visera à développer les connaissances sur les mécanismes physico-chimiques qui déterminent la variabilité des expositions à la pollution des environnements intérieurs de tous types, à mettre au point des méthodes et outils qui permettent d'évaluer et d'orienter la conception ou la réhabilitation des bâtiments sur la base d'un optimum entre énergie, santé et confort, et à caractériser ou à développer des solutions innovantes qui concilient chacun de ces aspects (systèmes ou stratégies de ventilation, matériaux fonctionnalisés, systèmes d'épuration…). La prévention du transfert des polluants de l'extérieur vers l'intérieur des bâtiments constitue un enjeu de santé public majeur à la lumière de récentes études sur le coût économique et social de la pollution de l'air intérieur. Outre la modélisation des transferts de polluants particulaires, initiée dans le cadre du laboratoire commun EDF/LaSIE, ou gazeux venant de l'environnement extérieur (y compris du sol) en vue de prévoir les expositions et proposer des solutions de remédiation (épuration, filtration), nous envisageons d'initier des recherches visant à évaluer l'impact du bâti et des rejets dans l'atmosphère des bâtiments sur le niveau de pollution de l'air extérieur, et des études sur l'impact potentiel du changement climatique sur la qualité de l'air intérieur des bâtiments.

Thème 2 - Ventilation et écoulements

Cette sous-opération est dédiée à la caractérisation, la prédiction et au contrôle des écoulements d'air, responsables des transferts de masse et de chaleur au sein des bâtiments et dont le rôle a été amplifié par les exigences d'étanchéité à l'air et d'isolation thermique imposées par l'évolution récente des constructions. Ces évolutions rendent caduque ou inopérant la plupart des codes de simulation existant. Notre effort portera essentiellement ici sur la modélisation des transferts d'air à travers l'enveloppe du bâtiment, au sein et entre ses ambiances intérieures ainsi qu'à travers les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Différents niveaux de modèles adaptables aux problèmes traités de ventilation naturelle et mécanique (simulation mono-et multizone, approches nodale, zonale, CFD) seront mis en oeuvre et associés à des moyens expérimentaux lourds (chambre climatique dédiée à la diffusion d'air, maison laboratoire d'échelle 1).

Thème 3 – Thermo-aéraulique des îlots urbains

Les îlots de chaleur urbains sont observables localement à l'échelle de la rue ou des espaces urbains semi-ouverts (parcs, squares...). Le confort extérieur, la qualité des ambiances urbaines (effet local de canicule, smog...) et la performance énergétique des bâtiments sont très liés aux conditions thermo-aérauliques de la canopée urbaine et aux propriétés thermo-radiatives des surfaces urbaines. Parmi les paramètres étudiés, on retrouve ici l'aménagement urbain dont la morphologie des bâtiments, le choix des revêtements et matériaux, l'albédo des surfaces, les surfaces végétales. Dans ce cadre, la modélisation des différents phénomènes physiques dont le milieu urbain est le siège peut s'avérer être un outil très précieux pour les urbanistes afin de coupler aménagement urbain, impacts environnementaux et augmentation du confort thermique extérieur. De nombreux outils numériques ont été développés afin de modéliser les phénomènes physiques au sein du tissu urbain, dont EnviBatE au LaSIE. La perspective du couplage de nouveaux modèles et l'étude expérimentale des microclimats urbains in situ (suivi expérimentaux dans la CDA de la Rochelle) permettent d'envisager une évaluation plus fine des paramètres de confort et des transferts thermo-aérauliques. De plus, le développement d'indicateurs de rafraîchissement urbain devrait permettre l'émergence de nouvelles méthodologies pour la conception ou la réhabilitation des quartiers.

PANDORA : A comPilAtion of iNDoOR Air pollutant emissions

Marc Abadie — 2014-05-20T14:30:15Z

Indoor air quality (IAQ) models require a wide range of input data, including envelope leakage information, weather, ventilation system characteristics, contaminant source emission rates, sink removal rates, occupant schedules, and air cleaner removal rates. Many of the required model inputs are available in the literature ; however, these data have generally not been compiled in a readily accessible source. In order to facilitate the IAQ modeling process and allow for assessment of data quality and completeness, there is an urgent need for well-designed databases of measured contaminant modeling data.

The characterization of indoor sources is currently problematic as lot of studies were only focused on measuring indoor concentration levels instead of determining their emission rates which is required to model the indoor concentration changes with time. The emission rate is expressed in unit of mass per unit of time for gaseous pollutants and in number per unit of time and size range for particles.

The aim of the current project is to compile the available data regarding the emission rates of both gaseous and particulate pollutants in a systematic way into a database to provide useful information for IAQ modelers.

The structure and data of PANDORA (version 1.0) is described in the published paper : Abadie, Marc O., et Patrice Blondeau. 2011. « PANDORA database : A compilation of indoor air pollutant emissions ». HVAC&R Research 17 (4) : 602-613. doi:10.1080/10789669.2011.579877.

2021/04/27 : PANDORA is now available to the scientific community, 24 hours a day, 7 days a week, on all media (phones, tablets, and desktops)... on https://db-pandora.univ-lr.fr/

Plateformes Réhabilitation PBDA

Emmanuel Bozonnet — 2012-11-30T13:16:24Z

- Prestations et Moyens de recherche

PANDORE : une comPilAtion des émissioNs Des pOlluants de l'aiR intériEur

Marc Abadie — 2012-11-29T15:23:34Z

La modélisation dynamique des concentrations de polluants à l'intérieur des bâtiments requiert la connaissance de multiples entrées. On citera l'infiltration d'air extérieur, les données climatiques, les caractéristiques du système de ventilation, les taux d'émission des sources de polluants, les horaires d'occupation des locaux ainsi que l'efficacité des systèmes de filtration. Un grand nombre de ces données d'entrées sont déjà disponibles dans la littérature ; cependant elles ne sont généralement pas compilées et facilement accessibles.

Ainsi, la création d'une base de données unique regroupant les données de la littérature concernant les taux d'émission des polluants gazeux et particulaires générés par les sources rencontrées à l'intérieur des bâtiments apparait être de grande importance pour la modélisation. La base de données créée dans notre laboratoire s'intitule « PANDORE – une comPilAtion des émissioNs Des pOlluants de l'aiR intériEur ».

La structure et le contenu de la base de données PANDORE (version 1.0) sont décrits dans l'article : Abadie, Marc O., et Patrice Blondeau. 2011. « PANDORA database : A compilation of indoor air pollutant emissions ». HVAC&R Research 17 (4) : 602-613. doi:10.1080/10789669.2011.579877.

27/04/2021 : PANDORE devient accessible à la communauté scientifique en permanence, sans téléchargement et sur tout support (smartphone, tablette et ordinateur)... sur la page https://db-pandora.univ-lr.fr/

Axe A1 - Maîtrise de la qualité des ambiances habitables

Emmanuel Bozonnet — 2012-11-28T14:28:04Z

- Prestations et Moyens de recherche

Prestations et Moyens de recherche

Emmanuel Bozonnet — 2012-11-28T14:26:29Z

- E2 - BVD

Projets

admin — 2012-10-25T07:20:50Z

- E2 - BVD / E2 - BVD

Membres

admin — 2012-07-05T08:00:08Z

- E2 - BVD / E2 - BVD

Prestations et Moyens - BVD

Emmanuel Bozonnet — 2012-06-21T13:32:01Z

A. Prestations

audit confort et qualité de l'air intérieur (contact)
caractérisation des écoulements, diffusion de l'air et confort thermique (contact)
caractérisation des matériaux de construction et des enveloppes (contact) : thermophysiques, hydriques, morphologiques, radiative, acoustique, émission de polluants
Conception d'outils numérique d'évaluation de l'impact des bâtiments, des systèmes et des matériaux

B. Moyens de recherche

Plateformes

Plateformes Réhabilitation PBDA
suivi interactions microclimatiques CLIMABAT (contact)
Qualité des ambiances (cellules de diffusion d'air, qualité de l'air intérieur, pollution particulaire)
« dessicant cooling »
micro-cogénération
aéroacoustique

Bancs d'essai

PTR-MS pour l'analyse de la qualité de l'air
Banc de sorption/diffusion des polluants dans les matériaux
Métrologie aéraulique (Vélocimétrie par Image de Particules, Anémométrie à Laser Doppler…), thermique (Caméra IR), hydrique…
Équipements de caractérisations thermiques, hydriques… des matériaux (sorption, conductivité thermique, diffusion massique, propriétés radiatives.)
Bancs d'étalonnage (température, vitesse, humidité)

Bases de données

PANDORE : une comPilAtion des émissioNs Des pOlluants de l'aiR intériEur
Réseau de stations météo urbaines sur l'agglomération de la Rochelle, monclimat-larochelle.fr

Outils de modélisation

Codes CFD : Saturn, StarCCM+…
Code multiphysiques : Comsol
Codes STD : TRNSYS, Codyba, Comfie-Pléïade, EnergyPlus, Simbad, Codyba