Approche conjointe acoustique et thermique pour l’optimisation des laines végétales du bâtiment

Acoustic and thermal joint approach for the optimisation of building’s vegetal wools

• Auteur / Autrice : Clément Piégay
• Direction : Emmanuel Gourdon, Philippe Glé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 14/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) - Unité mixte de recherche en acoustique environnementale
• Jury : Président / Présidente : Alain Celzard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Arnaud, Etienne Gourlay, Sandrine Marceau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Collet-Foucault, Olivier Dazel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Isolation acoustique

Constructions -- Isolation thermique

Habitations -- Environnement

Fibres végétales (matériaux de construction)

Mots clés libres

Matériaux fibreux

Fibres végétales

Absorption acoustique

Conductivité thermique

Approche conjointe acoustique-thermique

Approche micro-macro

Homogénéisation Auto-Cohérente

Optimisation

Banques de données expérimentales

Fibrous materials

Vegetal fibres

Acoustic absorption

Thermal conductivity

Acoustic and thermal joint approach

Micro-macro approach

Self-consistent method

Optimisation

Experimental database

Résumé

Dans un contexte où il est indispensable d'apporter des réponses aux enjeux environnementaux majeurs auxquels notre planète est confrontée, un des principaux secteurs concernés est celui du bâtiment, pour lequel les logements sont encore en 2019 globalement mal isolés d'un point de vue thermique, mais également acoustique. Aussi, des solutions peuvent être apportées par des isolants biosourcés comme les laines végétales, capables de stocker le dioxyde de carbone atmosphérique, et possédant des propriétés multifonctionnelles à fort potentiel. Néanmoins, un certain nombre de verrous scientifiques freinent encore la croissance de ces matériaux sur le marché des isolants fibreux. Ils sont liés notamment à la méconnaissance des spécificités des laines végétales et au manque d'investigations concernant des approches de valorisation conjointe de leurs performances acoustiques et thermiques. Afin de répondre à ces problématiques, une démarche innovante est développée en s'appuyant sur une méthode d'Homogénéisation Auto-Cohérente conjointe acoustique et thermique, reposant sur une géométrie cylindrique (HAC cylindrique), en vue de l'optimisation des laines végétales du bâtiment. Ainsi, la conductivité thermique est déterminée en statique à partir du couplage d'un modèle « HAC cylindrique statique » pour le transfert par conduction et d'un modèle semi-empirique pour le transfert par rayonnement. L'absorption acoustique est quant à elle déterminée par un modèle « HAC cylindrique dynamique ». Cette méthode permet ainsi de lier les paramètres de leur microstructure, tels que la taille des fibres et la porosité, à leurs propriétés macroscopiques par l'établissement de relations analytiques. La validation de la procédure de modélisation conjointe ainsi développée s'effectue par comparaison des prédictions avec des résultats expérimentaux. Ces résultats sont issus de banques de données constituées à partir de campagnes de caractérisations de grandes ampleurs conduites au cours de la thèse sur plus de vingt matériaux différents. Elles concernent à la fois des paramètres liés à la microstructure spécifique des laines végétales, ainsi que leurs propriétés en absorption acoustique et en isolation thermique.

If we consider today's context, it is essential for our planet to provide answers to major environment challenges. One of the main domain to look at is the building trade. Indeed, in 2019, most flats are still badly insulated from a thermal but also an acoustic point of view. Therefore, solutions can be provided using biobased insulation materials such as vegetal wools, which are able to store atmospheric carbon dioxide and have in the same time multifunctional properties of high potential. Nevertheless, a number of scientific barriers are still to be removed to allow the development of these materials on the insulation market. They are linked to ignorance about vegetal wools in particular, and also to the lack of modelling methods that would highlight their acoustic and thermal efficiency. In order to address this problem, a new approach has been developped. It is based on a joint acoustic and thermal Self-Consistent Method with a cylindrical geometry (cylindrical SCM) for optimizing the building's vegetal wools. Thus, the thermal conductivity is determined statically from the coupling of a cylindrical SCM model for conduction transfer with a semi-empirical model for radiation transfer. Sound absorption is determined by a dynamic cylindrical SCM model. Therefore, this method will allow us to link the parameters of fibrous material microstructure to their macroscopic properties by establishing analytical relationships. The validation of the joint modelling method thereby developed, is carried out by comparing predictions and experimental results. These results are based from databases consisting of large scale experimental characterisations that were carried out throughout this thesis on a variety of twenty materials. They concern both the parameters specifically related to vegetal wool microstructure and the acoustic absorption and thermal insulation properties of these wools.