Étude multi-échelle des transferts de chaleur et de masse appliquée à un bâtiment parisien rénové

231 Pages·2017·25.45 MB·French

by  Karina Azos Diaz

Étude multi-échelle des transferts de chaleur et de masse
appliquée à un bâtiment parisien rénové, en condition
météorologique normale et en période de vague de
chaleur
Karina Azos Diaz
To cite this version:
Karina Azos Diaz. Étude multi-échelle des transferts de chaleur et de masse appliquée à un bâtiment
parisien rénové, en condition météorologique normale et en période de vague de chaleur. Génie des
procédés. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. Français. ￿NNT: 2016PA066108￿. ￿tel-
01403856￿
HAL Id: tel-01403856
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UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE - PARIS 6
ÉCOLE DOCTORALE SMAER
Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
T H È S E
pour obtenir le titre de
Docteur
de l’Université de Pierre et Marie Curie - Paris 6
Spécialité : Thermique-Énergétique
Présentée et soutenue par
AZOS DIAZ
Karina
Étude multi-échelle des transferts de chaleur et de
masse appliquée à un bâtiment parisien rénové, en
condition météorologique normale et en période de
vague de chaleur
Soutenue le 26 mai 2016
Jury :
Rapporteurs : Mohamed El Mankibi - Chercheur HDR, ENTPE (Lyon)
Monika Woloszyn - Professeur, LOCIE, Polytech Annecy-Chambéry
Directeur : Chrisophe Marvillet - Professeur, CNAM (Paris)
Co-encadrant : Brice Tremeac - Maitre de Conférences, CNAM (Paris)
Examinateurs : Isabelle Mabille - Maitre de Conférences HDR, UPMC (Paris)
Marjorie Musy - Chercheuse HDR, ENSA Nantes
Invités : David Corgier - Ingénieur, Manaslu Ing. (Le Bourget-du-Lac)
Florian Simon - Ingénieur, Manaslu Ing. (Le Bourget-du-Lac)

Avant-propos :
Ce projet a été réalisé au sein du laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés
Chimiques et Énergétiques (CMGPCE, ancien LGP2ES) au CNAM en partenariat de CMDL
SAS (MANASLU Ing.), dans le cadre d’une thèse CIFRE.
Je tiens à remercier mes encadrants, M. Christophe MARVILLET et M. Brice TRE-
MEAC qui ont tenu à ce projet et qui ont déposé leur confiance dans mon travail. Tous
mes remerciements pour vos orientations, support et le temps consacré à ce projet. Brice,
je te remercie très sincèrement pour tes encouragements dans les moments où j’avais le
plus besoin, merci également pour ta patience. Je tiens également à remercier M. David
CORGIER d’avoir accepté et supporté ce projet, tant au niveau financier qu’intellectuel.
Je remercie M. Florian SIMON, pour les enrichissants apports, pour ses instructions et le
temps investi dans ma formation au sein de l’entreprise. Je voudrais remercier également à
M. Georges DECOMBES du CNAM qui s’est montré attentif quand il a fallu.
Je remercie Mme. Monika WOLOSZYN et M. Mohamed ELMANKIBI d’avoir accepté de
rapporter cette thèse. Vos appréciations ont été très pertinentes et enrichissantes, elles m’ont
permis d’avoir plus de recul sur mon travail. Je remercie Mme. Marjorie MUSY et Mme.
Isabelle MABILLE d’avoir accepté de faire part du jury, je suis très honorée.
Je tiens à remercier M. Julien BIGORGE de l’APUR sans qui la sélection du bâtiment
pour la campagne de mesure, la mise en relation avec le bailleur social et les locataires, se
serait avéré une tâche très complexe. Je tiens à remercier Mme. Agnès BENREKASSA de
la SIEMP qui a mis à disposition toute l’information nécessaire pour la mise en place de la
campagne de mesure.
JevoudraiségalementremercierMartinHENDELquis’estmontrétoujourstrèsserviable.
Je te remercie pour avoir mis à disposition les informations de la station météo. Elles ont été
essentiels pour mon travail.
Je voudrais remercier les locataires de m’avoir permis de mener à bien la campagne de
mesure. Aurèlie et Joyce, il était initialement prévu d’importuner les locataires le moindre
possible, avec le relevé des données à distance. Merci à vous deux, car ces prévisions n’ont pas
tenu la route, vous m’avez toujours ouvert vos portes, vous m’avez toujours chaleureusement
accueilli, vous avez été très patiens envers moi. Muchas gracias a ambas.
Je remercie l’équipe du laboratoire CMGPCE, les gens qui y sont passés et ceux qui d’une
manière ou d’une autre ont apporté à la réussite de ce projet.
Je remercie ma famille qui malgré la distance, m’a toujours encouragé, ustedes son mi
constante fuente de motivación. Merci Andresito pour tout.

Table des matières
Liste des figures vii
Liste des tableaux xv
Noménclature xvii
Introduction 1
I APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE 5
1 Le bâtiment ancien et la rénovation thermique 7
1.1 Propriétés hygrothermiques des matériaux dans les bâtiments anciens . . . . . 7
1.1.1 Inertie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Propriétés hygriques des matériaux dans les constructions anciennes . 9
1.2 La rénovation dans le bâtiment ancien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Enjeux de la rénovation thermique dans un contexte réglementaire . . 12
1.2.2 Stratégies de rénovation et leurs performances . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3 Postes visés dans les interventions de rénovation . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4 Enjeux de la rénovation thermique dans un contexte évolutif du climat 16
2 Simulation thermique dynamique des bâtiments anciens 19
2.1 État de l’art des logiciels de simulation thermique et dynamique de bâtiments 19
2.2 Finesse des modèles simulation thermique dynamique (STD) . . . . . . . . . . 20
2.3 Les outils de simulation thermique dynamique (STD) . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Les outils STD existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Outil adopté pour les simulations : Energyplus (EP) . . . . . . . . . . 26
2.4 Fiabilité des outils de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5 Les outils de simulation et le calage des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Modélisation des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux po-
reux 35
3.1 Transfert de chaleur et de masse dans le domaine du bâtiment . . . . . . . . . 35
3.1.1 Stockage et transfert de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.2 Le stockage et le transferts de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 État de l’art des méthodes d’évaluation de transferts de chaleur et de masse à
l’échelle de la paroi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Modèle de transferts de chaleur et de masse dans une paroi multicouche . . . 41
3.4 Analyse des données modélisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
iv Table des matières
3.4.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2 L’analyse en composantes principales (ACP). . . . . . . . . . . . . . . 44
Conclusions partie I 47
II CONSTRUCTION D’UN MODÈLE THERMIQUE DYNAMIQUE
DE LOGEMENTS ANCIENS RÉNOVÉS À PARIS 49
4 Cas d’étude : bâtiment ancien en moellon calcaire rénové avec de l’isolation
thermique par l’intérieur (ITI) et par l’extérieur (ITE) 51
4.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Propriétés des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Approche expérimentale et données (scénario hypothétique) . . . . . . . . . . 56
4.3.1 Campagne de mesure : conditions à l’intérieur des logements . . . . . . 56
4.3.2 Données météorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Enquête comportement des usagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Résultats expérimentaux et numériques 65
5.1 Données enregistrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.1 Périodes d’occupation et inoccupation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.2 Analyse des données enregistrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Données simulées : calage du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.1 Méthode et hypothèses du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.2 Identification des paramètres sensibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.3 Résultats du processus de calage du modèle . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Validation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1 En inoccupation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.2 En occupation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.3 Hypothèses d’occupation : effet de l’occupant . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4 Évaluation des logements rénovés sous des conditions de vague de chaleur . . 96
5.4.1 Scénario 1 : Vague de chaleur en situation d’inoccupation . . . . . . . 97
5.4.2 Scénario 2 : vague de chaleur en période d’occupation . . . . . . . . . 100
5.5 Évaluation des conditions intérieures : première approche du confort . . . . . 102
5.5.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.2 Deux indicateurs du confort thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Conclusions partie II 109
III CONSTRUCTION D’UN MODÈLE DE TRANSFERTS DE CHA-
Table des matières v
LEUR ET DE MASSE À L’ÉCHELLE DE LA PAROI 111
6 Implémentation d’un modèle de transferts de chaleur et de masse dans un
outil de modélisation 113
6.1 Présentation du modèle KÜNZEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.1 Mise en forme des équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.2 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.3 Hypothèses du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Adaptation du modèle sur un outil de modélisation COMSOL . . . . . . . . . 117
6.3 Validation/vérification du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.1 Le benchmark HAMSTAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7 Cas d’étude : caractéristiques des parois 127
7.1 Description des configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.1.1 Présentation des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.1.2 Propriétés hygrothermiques des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2 Description des conditions aux limites et initiales . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.2.1 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3 Variables étudiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8 Analyse des données : résultats de la modélisation à l’échelle de la paroi 141
8.1 Analyse en composantes principales (ACP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.1.1 Flux de chaleur à la surface intérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.1.2 Flux de masse à la surface intérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.1.3 Teneur en humidité dans la pierre calcaire . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.1.4 Humidité relative à l’interface entre la pierre et l’isolant . . . . . . . . 153
8.1.5 Température à l’interface entre la pierre et l’isolant . . . . . . . . . . . 157
8.2 Comportement hygrothermique des parois soumises à des conditions “cas 2014”
et de “vague de chaleur” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.2.1 Résultats des simulations des parois rénovées avec ITI et ITE dans des
conditions “cas 2014” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.2.2 Résultats des simulations des parois rénovées avec ITI et ITE dans des
conditions “vague de chaleur” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Conclusions partie III 179
Conclusions générales et perspectives 180
A Fichier météo EnergyPlus 184
B Humidité relative en vague de chaleur 185
C Comparaison des données enregistrées : choix du pas de temps 186
D Équations et coefficients Benchmark N◦5 187
vi Table des matières
E Conditions aux limites “cas 2014" 189
E.1 Conditions aux limites à la surface intérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
E.2 Conditions aux limites à la surface extérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
F Conditions aux limites “vague de chaleur" 192
F.1 Conditions aux limites à la surface intérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
F.2 Conditions aux limites à la surface extérieure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
G Pression de vapeur “Cas 2014” 195
G.1 Différence de pression de vapeur Intérieur et extérieur . . . . . . . . . . . . . 195
G.2 Pression de vapeur Interface pierre-isolant paroi ITI et ITE . . . . . . . . . . 196
Bibliographie 197
Liste des figures
1.1 Évolution des températures extérieure et intérieure en période d’été (28 et 29
juin 2005) d’une maison individuelle en maçonnerie en pierre dans la région de
Provence-Alpes-Côte d’Azur [Royet et al. 2007] . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Teneurenhumiditédequatrematériaux.Comparaisondewcalculéeàpartirde
l’équation (1.3) (points vides) et des valeurs mesurées des expériences de stress
en sorption et succion (points noirs) [Künzel et al. 2005] (version en français) 10
1.3 Schéma de présentation du dispositif général de la réglementation thermique
des bâtiments existants [Molle & Patry 2013] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Composition interne du logiciel EnergyPlus (Adapté de [Abelé et al. 2009],
[EnergyPlus 2013]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Représentation de la transmission (T transmittance à travers les couches),
i,j
réflexion (Rf et Rb réflectance en avant et en arrière) et adsorption (A ) du
i,j i,j j
rayonnementsolaired’unesurfacevitréecomposéedeplusieurscouches(Adapté
de [EnergyPlus 2013]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Besoins en chauffage et puissance de chauffage maximale en fonction de diffé-
rentes valeurs du coefficient convectif (Adapté de [Brun et al. 2009]) . . . . . 31
2.4 Consommation et economies d’énergie en refroidissement (Adapté de
[Judkoff et al. 2010a]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Calage d’un modèle de bâtiment. Température simulée et mesurée dans
une zone sur la façade nord pendant le mois de janvier (adapté de
[Mustafaraj et al. 2014]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Isotherme de sorption et désorption : comportement hygroscopique d’un maté-
riau poreux en fonction de l’humidité relative (Adaptée de [Abelé et al. 2009],
[Guimarães et al. 2012]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Á gauche : profil d’humidité relative et teneur en humidité dans une paroi
bicouche. Á droite : isothermes de sorption de deux matériaux (adapté de
[Tariku et al. 2010]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Exemple avec 2 variables (p1, p2), n-individus dispersés dans le plan et repré-
sentation de la droite a que minimise les distances orthogonales entre n et a
i
(adapté de [Peña 2002]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 (a) Nuage des individus représentés dans un espace Rp et nuage des variables
représentées dans l’espace Rn (adapté de [Lebart et al. 1995]) . . . . . . . . . 46
4.1 Plan de densification des bâtiments construits à Paris avant 1914. Localisation
du bâtiment étudié et de la station météo. Source du plan : APUR . . . . . . 51