Conception et optimisation d'un composant innovant d'enveloppe de bâtiment biosourcé : études numériques et expérimentales

Design and optimization of an innovative bio-sourced building envelop component : numerical and experimental studies

• Auteur / Autrice : Yaping Zhou
• Direction : Mohamed El Mankibi, Abdelkrim Trabelsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Liangzhu Wang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sihem Guernouti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brahim Benhamou, Zhiqiang Zhai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ciment -- Produits de remplacement

Humidité dans les constructions

Éco-matériaux

Constructions -- Isolation thermique

Mots clés libres

Isolation des bâtiments

Modèle couplé de transfert de chaleur et d'humidité

Estimation inverse

Propriétés hygriques

Chitosan

Alginate de sodium

Paille de riz

Building insulation

Coupled heat and moisture transfer model

Inverse estimation

Hygric properties

Chitosan

Sodium alginate

Rice straw

Résumé

Le traitement de la paille de riz est un problème largement contesté. La conversion des déchets de paille de riz en produits d'isolation biosourcés pour les bâtiments constitue une approche rentable et écologique. Les panneaux isolants en paille de riz disponibles sur le marché ont de bonnes propriétés hygrothermiques. Cependant, ils utilisent des liants non renouvelables et non dégradables, comme les fibres thermofusibles. Ce travail se concentre sur le développement de matériaux d'isolation entièrement bio-sourcés à partir de déchets de paille de riz. Tout d'abord, les composites innovants d'isolation à base de paille de riz et de liants naturels, dont l'alginate de sodium et le chitosan, sont développés et caractérisés à l'échelle du matériau. Une procédure est proposée en utilisant la méthode de réticulation pour résoudre le problème de solubilité dans l'eau de l'utilisation de l'alginate de sodium comme liant. L'influence de la taille des fibres, du ratio de liant et du type de liant sur la conductivité thermique, la capacité de sorption de l'humidité, la perméabilité à la vapeur d'eau et l'absorption d'eau est étudiée. La croissance du moule des composites est également étudiée. Les résultats montrent que les composites développés peuvent être considérés comme des isolants. De plus, la taille des fibres, le taux de liant et le ratio de liant ont un impact variable sur les propriétés des composites. Afin d'évaluer plus avant le comportement hygrothermique, une couche de singer d'un panneau d'alginate de paille de riz est étudiée à l'échelle du mur en la soumettant à des conditions limites isothermes, non isothermes et dynamiques. Sur la base des données expérimentales, un modèle couplé chaleur et humidité (CHM) est utilisé pour prédire le comportement hypothermique dans le mur. Le modèle CHM est comparé à un modèle de transfert thermique transitoire (TH) pour démontrer l'effet de couplage du transfert de chaleur et du transfert d'humidité. En outre, une méthode inverse est appliquée pour estimer la perméabilité à l'eau liquide du matériau. Les résultats indiquent que lorsque le modèle CHM prend en compte le transfert d'eau liquide sur la base de la propriété estimée, la prédiction peut être améliorée.

The treatment of rice straw is a largely disputed problem. Conversion rice straw waste to bio-sourced insulation products for buildings provide a cost-effective and eco-friendly approach. Rice straw insulation panels available in market have good hygrothermal properties. However, they use non-renewable and non-degradable binders, such as hot melt fibres. This work focus on the develop fully bio-sourced insulation materials from rice straw waste. First, the innovative rice straw insulation composites from rice straw and natural binders including sodium alginate and chitosan are developed and characterized at the material scale. A procedure is proposed by employing crosslinking method for prevent the water-soluble issue of using sodium alginate as the binder. The influence of fibre size, binder ratio and binder type on the thermal conductivity, moisture sorption capacity, water vapor permeability and water absorption are studied. The mould growth of the composites is also investigated. The results show that the developed composites can be considered as insulators. Furthermore, the fibre size, binder ratio and binder ratio show the varied impact on the properties of the composites. In order to further evaluate the hygrothermal behaviour, a singer layer of rice straw alginate panel is studied at wall scale subjecting to isothermal, non-isothermal and dynamic boundary conditions. Based on the experimental data, a coupled heat and moisture (CHM) model is used to predict the hypothermal behaviour in the wall. The CHM model is compared to a transient heat transfer (TH) model to demonstrate the coupling effect of heat transfer and moisture transfer. Furthermore, an inverse method is applied to estimate the liquid water permeability of the material. Results indicate that when the CHM model take the liquid water transfer into account based on the estimated property, the prediction can be improved.