Optimisation de la réduction des échanges géothermiques tridimensionnels des bâtiments

Optimization of the reduction of the building's three-dimensional geothermal exchanges

• Auteur / Autrice : Ali El saied
• Direction : Chadi Maalouf, Étienne Wurtz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, structures
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Matériaux et Ingénierie Mécanique (MATIM) (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Monika Woloszyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chadi Maalouf, Étienne Wurtz, Jean-Jacques Roux, Patrick Salagnac, Tímea Dénes Bejat, Pierre Tittelein
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Jacques Roux, Patrick Salagnac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Habitations -- Consommation d'énergie

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert de chaleur dans le sol

Calcul 3D

Plancher sur terre-Plein

Ponts thermiques dans le sol

Rénovation

Transfert de chaleur et d'humidité

Ground heat transfer

3D calculation

Slab on grade building

Ground thermal bridges

Renovation

Heat and moisture transfer

Résumé

Le bâtiment est le plus grand secteur consommateur d'énergie en France. Ainsi, la rénovation doit être appliquée pour réduire les fortes consommations énergétiques. Dans un bâtiment sur terre-plein, la chaleur a tendance à s'échapper via les toits, les fenêtres et les murs plutôt que via le sol, qui agit comme un isolant naturel et un réservoir thermique. La perte de chaleur dans le sol a été considérée comme négligeable ou mal prédit par rapport aux pertes de chaleur des autres surfaces d'un bâtiment. Par conséquent, les fuites de chaleur à ce niveau doivent être incluses et bien étudiées dans les calculs des énergétiques des bâtiments.C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail de thèse. Dans un premier temps, ce rapport décrira les principaux phénomènes physiques du sol afin de mieux comprendre son comportement vis-à-vis des différentes conditions aux limites et matériaux. Les études bibliographiques des transferts de chaleur dans le sol et les ponts thermiques seront discutés.La prochaine étape présentera une analyse tridimensionnelle détaillée sur le transfert de chaleur dans le sol à l'aide du logiciel WUFI Plus. Les résultats montrent l'importance de la prise en compte des ponts thermiques au niveau de la dalle et le sol dans les calculs énergétiques du bâtiment. Plusieurs conditions aux limites, climats, isolations, matériaux de la dalle et propriétés thermiques du sol sont largement comparés et discutés.Enfin, la thèse se conclura par une étude d'optimisation. Le dernier chapitre commencera par une comparaison et validation d’un modèle de transfert de chaleur 2D (KIVA) dans EnergyPlus avec le modèle 3D dans WUFI Plus. Des solutions d'isolation et rénovation sont proposées dans ce travail. Des nombreux paramètres thermiques et économiques sont présentés dans un travail d'optimisation à l'aide des logiciels GenOpt et EnergyPlus (KIVA).

The building sector is the highest energy-consuming sector in France. Hence, renovation should be considered to overcome high energy consumption. Naturally, heat rises and escapes through roofs, windows, and walls rather than the ground, acting as a natural insulator and thermal reservoir. Ground heat loss has been considered negligible compared to heat losses from other building surfaces for a long time. Therefore, heat transfer at this level should be included in the whole energy simulation for slab-on-grade buildings.In this context, the thesis describes significant ground physical phenomena to understand ground behavior, boundary conditions and soil thermal parameters. This is followed by the presentation of different studies evaluating heat transfer phenomena through the soil and the thermal bridges.In addition to that, a detailed three-dimensional analysis of ground heat transfer using WUFI Plus software is presented. Considering ground thermal bridges in whole building calculations is strongly highlighted in this analysis. Several boundary conditions, climates, insulations, slabs materials, and soil thermal properties are widely compared and discussed.Finally, the thesis concludes with an optimization study. The last chapter compares and validates a 2D heat transfer model (KIVA) in EnergyPlus to the 3D model in WUFI Plus. Several insulations or renovation solutions are proposed, and other thermal and economic parameters are described in an optimization work using GenOpt and EnergyPlus (KIVA) software.