Étude des phénomènes de transfert hygrothermiques dans les parois des bâtiments

Study of the hygrothermal transfer phenomenon in building envelopes

• Auteur / Autrice : Menghao Qin
• Direction : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Rafik Belarbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : La Rochelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aspect environnemental

Consommation d'énergie

Climatisation -- Régulation

Constructions

Habitations -- Consommation d'énergie

Résumé

Dans les structures poreuses des matériaux, les transferts d'humidité peuvent se développer en phase gazeuse et/ou liquide. La nature et l'intensité de ces transferts sont liées aux propriétés intrinsèques des matériaux utilisés. Ils peuvent induire des phénomènes particuliers : sorption - désorption, évaporation- condensation, hystérésis capillaire (etc…). L’interaction entre ces phénomènes de transferts massiques et les échanges thermiques à l’échelle des matériaux et à l’interface matériaux - ambiances aboutit généralement à des systèmes d’équations aux dérivées partielles fortement couplées dont la solution est souvent complexe à déterminer. On se propose, lors de ce travail d’étudier les transferts couplés de chaleur et d’humidité à l’échelle du matériau et puis de généraliser l’étude à l’échelle du bâtiment entier pour évaluer l’impact de ces phénomènes de transfert sur le confort, sur la qualité des ambiances et sur la consommation énergétique des bâtiments. Ce travail de thèse s’articule autour de deux parties complémentaires : Durant la première partie, une analyse phénoménologique détaillée des processus de transferts couplés de chaleur et d’humidité à l’intérieur des matériaux poreux a été effectuée. Une modélisation des transferts couplés à l’échelle du matériau de construction a été ensuite entreprise. Basée, d’une part sur la connaissance des caractéristiques de transfert des matériaux et sur l’établissement des équations de bilan de conservation de la masse d’eau et de l’énergie, le système couplé d’équations aux dérivées partielles obtenu est résolu selon deux approches analytique et numérique. A noter que cette phase de résolution nécessite, au préalable, la détermination expérimentale des caractéristiques de transfert des matériaux grâce aux essais effectuées au laboratoire. Ces paramètres d’entrée du modèle sont, principalement, la diffusivité hydrique et le coefficient de gradient de température des matériaux de construction, les isothermes de sorption-désorption. L’élaboration de prototypes expérimentaux ont permis de conforter la prédiction des modèles développés. Dans la deuxième partie, le modèle ainsi validé est implémenté, avec confiance, dans un code thermohydrique du bâtiment « MATLAB-Simulink », pour étudier l'effet de la prise en compte des phénomènes de transfert à l’échelle de la paroi et aux interfaces parois-ambiances sur la prédiction du comportement dynamique du bâtiment, sur l’évaluation des besoins de climatisation, été – hiver, et sur la détermination des pics de puissance. Les résultats de simulation obtenus, montrent que les économies d'énergie les plus prometteuses sont réalisées pour des bâtiments climatisés situés dans des régions chaudes et humides. De plus la réduction de la charge de climatisation est d’autant plus importante que le système de climatisation est contrôlé de façon optimale.

The hygrothermal behaviour of the building envelope has a very important effect on the overall performance of buildings. The objective of this thesis is to study the coupled heat and moisture transfer in building envelopes and its effect on the whole building heat, air and moisture response. The thesis consists of two parts. In the first part of the thesis, a dynamic model for evaluating the transient thermal and moisture transfer behavior in porous building materials is developed. Vapor content and temperature are chosen as principle driving potentials. New experimental methods for determining the moisture diffusivity and temperature gradient coefficient of building materials are also investigated. The coupled system is solved by both analytical and numerical approaches, depending on the specific case considered. For the coupled linear case, an analytical method is proposed, which consists of applying the Laplace transform technique and the Transfer Function Method. For the non-linear system, a numerical simulation program is developed. Both analytical and numerical results have been validated by comparing with the experimental data. A good agreement is obtained. The second part of the thesis focuses on the development of a model for predicting transient thermal and moisture transfer behavior in air-conditioned buildings including building envelopes and indoor air. The whole building heat and moisture transfer model takes into account most main hygrothermal effects in a building. The coupled system model is implemented in MATLAB-Simulink, and validated by using a series of published testing tools. The new program is applied to investigate the moisture transfer effect on indoor air humidity and building energy consumption under different climates. The results show that the most promising energy savings are for buildings with mechanical cooling equipment located in hot and humid climates, but there are potential savings in all climates if the HVAC system can be optimally controlled to regulate the indoor climate, comfort and air quality.