Analyse des phénomènes de transferts hygrothermiques de parois humides ventilées : application à la rénovation du patrimoine ancien

Analysis of hygrothermal transfer phenomena of ventilated wet walls : application to the renovation of ancient heritage

• Auteur / Autrice : Wafa Ghrissi
• Direction : Thierry Langlet, AmenAllah Guizani, Geoffrey Promis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Génie civil
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Université de Tunis El Manar
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies innovantes (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Ezeddine Sediki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Lepiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Alain Grondin, Abdelmajid Jemni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recherche

Isolation thermique

Habitations -- Réfection

Mots clés libres

Rénovation énergétique

Remontées capillaires

Modélisation numérique

Caractérisation expérimentale multi-Physique

Échanges hygrothermiques dynamiques

Energy renovation

Capillary rise

Numerical modeling

Experimental characterization

Dynamic hygrothermal transfer

Résumé

Dans le cadre de la rénovation énergétique durable du bâti ancien et afin d'améliorer l'efficacité énergétique des parois soumises aux remontées capillaires, une nouvelle technologie de rupture consiste à incorporer un système de ventilation d'un espace tampon situé entre l'isolation thermique et l'ossature porteuse humide. Cette technologie est considérée comme l'une des solutions efficaces et peu onéreuses pour lutter contre les remontées capillaires, tout en assurant la durabilité de l'isolation et la pérennité structurelle de l'ossature.Physiquement, le dispositif aéraulique est basé sur la génération d'un flux laminaire de convection forcée d'air neuf dans un canal vertical en contact avec la surface interne de la paroi humide. Cette technologie crée alors un front d'évaporation à la surface interne de la paroi, où par conséquence, un échange hygrothermique simultané se produit entre la paroi et la lame d'air ventilé et entre la paroi et l'environnement extérieur. La modélisation numérique de ces phénomènes physiques couplés est complexe. Nous avons alors suivi une démarche scientifique explicite qui consiste, dans un premier temps en une simplification du modèle grâce à l'approche de Darcy simple dans le milieu poreux et aux équations de la convection forcée. Notre objectif est de mettre en exergue les transferts hygrothermiques entre le mur humide et le canal d'air ventilé, en supposant que la face externe de la paroi est en conditions adiabatiques et que le milieu poreux est saturé en eau. Dans un second temps, le modèle est étendu vers un modèle généralisé basé sur l'approche de Luikov qui assimile la paroi à milieu poreux partiellement saturé sous conditions diabatiques. Ces équations de transferts hygrothermiques sont résolues par une méthode hybride combinant la méthode de Lattice - Boltzmann, la méthode des volumes finis, et la méthode itérative de sur-relaxation ponctuelle.Un jeu de données "matériaux" est identifié par le truchement d'une campagne expérimentales de caractéristiques physiques, hygrothermiques et mécanique afin de constituer des paramètres d'entrée des modèles numériques. Les techniques traditionnelles de construction dans le Nord de la France sont ciblées, au travers de parois humides en briques de terre cuite anciennes. À l'aune de ces résultats, le modèle est validé analytiquement, grâce à une démarche proche et simplifiée et expérimentalement, via un dispositif expérimental conçu au sein du laboratoire. Enfin, une étude de sensibilité du modèle aux paramètres d'entrée du modèle est proposée, suivie de l'analyse de l'influence des conditions de soufflage d'air neuf (hygrothermie dynamique) et des conditions environnementales extérieures sur la performance du canal ventilé adossé à une paroi partiellement saturée en conditions diabatiques. Les résultats sont présentés en termes de distributions de température et de teneur en eau pour la paroi, de champs d'isothermes et d'iso-concentration de vapeur d'eau, et de nombres adimensionnés locaux pour identifier la nature des échanges à l'interface entre la paroi humide et l'espace tampon ventilé. De nombreuses perspectives de recherche peuvent se dégager de notre étude, notamment au travers du transfert de cette technologie sur le marché de la rénovation énergétique du patrimoine humide. Outre l'optimisation du fonctionnement du dispositif aéraulique et son automatisation face aux conditions environnementales, un retour d'expérience en site réel occupé est actuellement en cours d'élaboration

As part of the sustainable energy renovation of old buildings and in order to improve the energy efficiency of walls subjected to capillary rise, a new breakthrough technology consists of incorporating a ventilation system of a buffer space located between the thermal insulation and the wet load-bearing framework. This technology is one of the effective and inexpensive solutions to fight against capillary rise, while ensuring the durability of the insulation and the structural durability of the framework.Physically, the aeraulic device based on the generation of a laminar flow of forced convection of fresh air in a vertical channel in contact with the internal surface of the wet wall. This technology then creates an evaporation front at the internal surface of the wall, where as a result, simultaneous hygrothermal exchange occurs between the wall and the ventilated air space and between the wall and the external environment.Numerical modeling of these coupled physical phenomena is complex. We then followed an explicit scientific approach, which firstly consists in a simplification of the model thanks to the simple Darcy approach in the porous medium and to the forced convection equations. Our objective is to highlight the hygrothermal transfers between the humid wall and the ventilated air channel, assuming that the external face of the wall is in adiabatic conditions and that water saturated the porous medium. Secondly, the model extends to a generalized model based on the Luikov approach, which assimilates the wall with a partially saturated porous medium under diabetic conditions. A hybrid method, combining the Lattice - Boltzmann method, the finite volume method, and the iterative succesive over-relaxation method, solves these hygrothermal transfer equations.A "materials" data set identified by means of an experimental campaign of physical, hygrothermal and mechanical characteristics in order to constitute input parameters for the numerical models. Traditional construction techniques in the North of France targeted, through damp walls made of old terracotta bricks. In the light of these results, we can validate the model analytically, thanks to a similar and simplified approach, and experimentally, via an experimental device designed in the laboratory.Finally, a study of the sensitivity of the model to the input parameters of the model proposed, followed by the analysis of the influence of the fresh air blowing conditions (dynamic hygrothermal energy) and of the external environmental conditions on the performance of the ventilated duct leaned against a partially saturated wall in diabatic conditions. The results are presented in terms of temperature and water content distributions for the wall, isothermal fields and iso-concentration of water vapor and local dimensional numbers to identify the nature of the exchanges at the interface between the wet wall and the ventilated buffer space.Many research perspectives can emerge from our study, in particular through the transfer of this technology to the energy renovation market for wet properties. In addition to optimizing the operation of the aeraulic system and its automation in the face of environmental conditions, feedback on a real occupied site is currently being prepared