Influence des transferts aérauliques dans les parois sur leurs performances thermiques

par Hayssam Barhoun

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Gérard Guarracino.

Soutenue en 2006

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    La consommation énergétique d'un bâtiment a été jusqu'ici estimée en négligeant les échanges de chaleur qui peuvent intervenir lorsque l'air s'infiltre à travaers son enveloppe. Or, des études récentes ([Bhattacharyya, 1995], [Buchanan, 2000] et [Janssens, 1988]) ont montré que ces fuites d'air jouent un rôle significatif, non seulement sur les performances thermiques des parois et sur la consommation énergétique, mais aussi en terme de pathologies des constructions (condensations internes et superficielles), ou encore en terme de confort et de santé des occupants. Notre étude vise à évaluer, à l'aide d'une approche numérique, l'effet des transferts d'air parasite dans les parois sur leur performance thermique et à quantifier la part réelle des déperditions de chaleur liées aux fuites d'air. Dans la première partie de notre étude, nous passons en revue les causes des fuites d'air et leurs techniques de mesure puis nous exposons les travaux traitant le problème du passage des fuites dans l'enveloppe et montrons leurs limites. Dans le deuxième chapitre, nous présentons des simulations numériques basées sur les codes de champs ou codes CFD permettant d'étudier le transfert couplé d'air et de chaleur au sein d'une paroi multicouche comportant un isolant thermique poreux. L'interaction air/paroi se traduit par un changement du flux de conduction (ou bien du coefficient U de la paroi). Le troisième chapitre est consacré à l'élaboration d'un modèle de calcul se basant sur l'hypothèse que la paroi traversée par l'air peut être assimilée à un échangeur de chaleur. L'air traversant un canal noyé dans la paroi cède ou récupère de la chaleur au contact de la paroi. Les résultats issus des simulations CFD concordent avec ceux issus du modèle pour les deux types de fuites, c'est à dire l'infiltration et l'exfiltration. En complément du développement des simulations CFD et du modèle de calcul, nous analysons deux cas d'études représentant deux catégories de bâtiments : une maison individuelle et un bâtiment tertiaire (bâtiment d'un lycée). Cette étude a pour objectif d'apporter une vue concrète et plus globale sur les conséquences des fuites sur le bilan énergétique. Ces calculs ont montré qu'une part importante des déperditions par transmission, caractérisées par le coefficient Ubât, peut être directement imputée aux fuites d'air : jusqu'à 8% pour la maison et 12% pour le bâtiment Internat. Cette étude a également montré que les différentes parties de l'enveloppe se trouvent affectées de façon inégale par les fuites d'air (certaines parties sont affectées par l'infiltration, d'autre par l'exfiltration). Nous en déduisons des recommandations de réhabilitation ou de colmatage de certaines parties de l'enveloppe permettant de limiter l'effet des fuites. Par exemple, nous recommandons d'apporter un soin particulier aux étages supérieurs qui sont soumis à des fuites plus importantes, donc plus pénalisantes que celles affectant les étages inférieurs.

  • Titre traduit

    Influence of air leakage in building’s walls on their thermal performance


  • Résumé

    The energy consumption of a building is evaluated by neglecting the heat loss which can occur when the air passes through the envelope. However, recent studies showed that air leakage plays a significant role, not only by affecting the thermal performances of walls and the energy consumption, but also in term of pathologies of the constructions (internal and superficial condensations), or still in term of comfort and health of the occupants. Most studies have focused on the quantification of air leakage flows through the building shell, without addressing the problem of the heat exchange between this airflow and the construction materials as the air passes through the envelope. The standard way of calculating a building load considers conduction (or assimilated) losses independently of airflow energy losses. In this context, the objective of this work is to evaluate the energy impact of air leakage through building walls. We first begin by an analysis of the different techniques of detection and evaluation of air leaks in the envelope and the causes of these leaks. An analysis of construction method by means of air and heat transfer is made in order to identify potential paths of leaks in the envelope. CFD simulations are conducted in order to understand the fundamental physics of the air leakage heat transfer process. A parametric study is done to evaluate the impact of parameters, such as gradient’s temperature, the thickness of the insulation layer on heat loss through the wall. Then, in order to complement and validate results from CFD simulations, we develop an analytical model, based on fundamental heat and mass transfer principles. It is assumed that intrusive airflow follows a straight line inside the wall. CFD results are found to compare well with model’s results for both infiltration and exfiltration scenarios. The parametric study shows also similar responses. We compare heat losses resulting from the model to those done using the traditional method of evaluation. In order to have a global view on the impact of air leakage on the overall heating load of a building, we conduct a study on a single family dwelling and a class room building. These cases represent the two main building categories. These calculations show that an important part of energy load characterised by the coefficient Ubât can be attributed to air leakage: until 8% for the single family dwelling and 12% for the school building. This study also shows that the various parts of the envelope are affected in an uneven way by air leakage. We deduct recommendations in term of rehabilitation that allow to limit the effect of leaks like to bring a care to the airtightness in places affected by the exfiltration, more penalizing from the energy point of view than the infiltration. Also, the superior floors are subjected to more important leaks than in first floors.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (250 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 185-192

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3055)
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