Measurement of the thermal resistance of opaque building wall by active method

Mesure de la résistance thermique de parois opaques de bâtiment par méthode active

• Auteur / Autrice : Thanh-Tung Ha
• Direction : Laurent Ibos, Vincent Feuillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'Études et de Recherche en Thermique, Environnement et Systèmes (Créteil) - Centre d'Etudes et Recherches en Thermique- Environnement et Systèmes [Créteil] / CERTES EA 3481
• Jury : Président / Présidente : Christophe Le Niliot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Ibos, Vincent Feuillet, Monica Siroux, Christian Ghiaus, Tingting Vogt Wu, Jean Dumoulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monica Siroux, Christian Ghiaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Isolation thermique

Mots clés libres

Résistance thermique

Paroi opaque

Méthode active

Problème inverse

Inférence bayésienne

Thermal resistance

Opaque wall

Active method

Inverse problem

Bayesian inference

Résumé

La résistance thermique est l’un des paramètres physiques permettant d’évaluer le niveau d’isolation thermique d’une paroi de bâtiment. Sa valeur influe sur le confort thermique des occupants et sur les déperditions thermiques de la paroi. Par ailleurs, la connaissance de la résistance thermique est précieuse dans le cadre de travaux de rénovation nécessitant des informations détaillées sur la performance énergétique du bâtiment considéré. Les méthodes existantes d’évaluation de la résistance thermique reposent sur deux approches distinctes, passive ou active. La technique passive consiste à réaliser le suivi thermique du mur étudié dans des conditions naturelles sans aucune interaction. La résistance thermique de la paroi est alors déduite d’un simple calcul statistique. Cependant, la durée de mesure requise est importante (plus de trois jours). La technique active est basée sur l’analyse de la réponse en température du mur consécutive à une excitation thermique produite artificiellement. La mise en œuvre expérimentale et le calcul de la résistance thermique sont dans ce cas plus complexes. Une méthode de mesure in-situ permettant d’évaluer la résistance thermique de manière simple, rapide et systématique est aujourd’hui nécessaire. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR RESBATI dont l'objectif est de développer un appareil de mesure in-situ basé sur une méthode active d'évaluation de la résistance thermique d'une paroi opaque. Celui-ci doit être simple d’utilisation et fournir un résultat avec une durée de mesure plus courte que les méthodes existantes.Un modèle d’estimation de paramètres est développé dans ce travail de thèse. Les quadripôles thermiques et la méthode « Robust Adaptive Metropolis » sont utilisés respectivement comme modèle direct et algorithme de minimisation. L’approche bayésienne mise en œuvre permet l’évaluation des incertitudes sur les paramètres estimés.Quatre prototypes s’appuyant sur des modes de chauffage différents (par lampes ou par résistance chauffante) en surface intérieure de la paroi ont été réalisés. Après comparaison des résultats de mesure, deux prototypes ont été sélectionnés. L’utilisation d’une plaque métallique en surface de la paroi assure l'homogénéité de l'excitation thermique imposée. Les différents capteurs thermiques étant intégrés à la plaque, la durée d'installation de l’appareil est courte.Plusieurs parois (isolation par l’intérieur ITI, isolation par l’extérieur ITE, monomur MM et mur à ossature bois OSB) ont été caractérisés pour différentes conditions environnementales (constantes, variables et naturelles) dans des enceintes climatiques (LNE, CEREMA, IFSTTAR). Les résultats d’estimation montrent que les deux prototypes conduisent à une estimation satisfaisante de la résistance thermique des murs ITI et MM pour une durée mesure de 6 heures quelles que soient les conditions environnementales. En revanche, la présence de flux latéraux importants dans les murs à ossature bois ne permet pas d’obtenir une résistance thermique pour cette typologie de paroi. Dans le cas d’une paroi ITE, l’obtention d’une résistance correcte nécessite l’installation du dispositif de chauffage du côté extérieur de la paroi.Les résultats de cette étude ont permis de lister plusieurs recommandations garantissant la qualité de la mesure. Tout d’abord, le prototype de mesure doit être installé du même côté que la couche isolante du mur étudié. Ensuite, les irrégularités telles que les ponts thermiques doivent être évitées. Une analyse qualitative préalable doit ainsi être effectuée pour positionner correctement le prototype de mesure. Enfin, la mesure ne doit pas être effectuée durant les périodes d’ensoleillement important en raison de la sensibilité du modèle d’estimation au rayonnement solaire. La réalisation de la mesure de nuit est à privilégier. Lors des tests en journée, une protection solaire sur la surface extérieure du mur peut néanmoins être utilisée.

Thermal resistance is one of the physical parameters used to assess the level of thermal insulation of a building wall. Its value influences the thermal comfort of the occupants and the heat losses through the wall. In addition, knowledge of the thermal resistance is useful in the context of refurbishment work requiring detailed information on the energy performance of the building considered. Existing methods for evaluating the thermal resistance rely on two distinct approaches: passive or active. The passive technique consists in performing a thermal monitoring of the studied wall under natural conditions without any interaction. The thermal resistance of the wall is then deduced from a simple statistical calculation. However, the required measurement time is long (more than three days). The active technique is based on the analysis of the temperature response of a wall following an artificial thermal excitation. The experimental implementation and the calculation of the thermal resistance are in this case more complex. A method of in-situ measurement allowing the evaluation of the thermal resistance in a simple, fast and systematic way is currently necessary.This thesis is part of the ANR RESBATI project whose objective is to develop an in-situ measurement device based on an active method to evaluate the thermal resistance of an opaque wall. This device should be easy to use and lead to shorter measurement times than existing methods.A parameter estimation model is developed in this thesis work. Thermal quadrupoles and the “Robust Adaptive Metropolis” method are used as direct model and minimization algorithm, respectively. The Bayesian approach implemented allows the evaluation of uncertainties on the estimated parameters.Four prototypes using different heating modes (by lamps or by heating resistance) on the wall internal surface are investigated. After analysis of the homogeneity of the wall surface temperature and of the numerical estimation results, two prototypes using an aluminum plate are selected. The metal plate ensures the homogeneity of the thermal excitation imposed. In addition, the thermal sensors being integrated into the plate, the installation time is very fast.Several walls (Internal Wall Insulation IWI, External Wall Insulation EWI, Single Wall SW and Wood Frame Wall WFW) are studied experimentally under different environmental conditions (constant, variable and natural) in climatic chambers (LNE, CEREMA, IFSTTAR). Estimation results show that the two prototypes lead to a good estimation of the thermal resistance of the IWI and SW walls for a measurement duration of 6 hours for every tested condition. In contrast, only half of the thermal resistance of the WFW wall is detected due to a strong lateral heat diffusion in this wall. In the case of the EWI wall, a correct thermal resistance estimation requires the installation of the heating system on the wall external surface.The results of this study made it possible to list several recommendations ensuring the quality of the measurement. First, the measurement prototype must be installed on the same side as the insulating layer of the studied wall. Then, irregularities such as thermal bridges must be avoided. A prior qualitative analysis must therefore be carried out to find the correct position of the measurement prototype. Finally, the measurement should not be performed during periods of strong sunshine because of the sensitivity of the estimation model to solar radiation. A measurement during the night should be preferred. During daytime testing, a sun protection on the wall external surface can still be used.