Modélisation des transferts hygrothermiques à travers les parois dans un modèle de climat urbain : application aux centres-villes historiques à réhabiliter

Modelling of hygrothermal transfers through walls in an urban climate model : application to historical city centres to be retrofitted

• Auteur / Autrice : Margot Ruiz
• Direction : Stéphane Ginestet, Valéry Masson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Youssef Diab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Bonhomme, Robert Schoetter, Dominique Derome
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monika Woloszyn, Marjorie Musy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microclimat urbain

Mots clés libres

Transferts couplés chaleur-Masse

Modèle de climat urbain

Rénovation du bâti ancien

Isolation des parois

Centre-Ville historique

Coupled heat-Mass transfer

Urban climate model

Historical building retrofit

Wall insulation

Historical city centre

Résumé

Améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments et limiter l'ilot de chaleur urbain est une priorité, en particulier dans les centres-villes historiques, composés de bâtiments peu isolés. Un des leviers d’action envisagés est l'isolation des parois. Cependant, la rénovation des parois anciennes rencontre de nombreux obstacles (technologiques, architecturaux, urbains). Ces parois ont notamment un comportement hygrothermique spécifique, qu’il convient de prendre en compte pour éviter l’apparition de pathologies et estimer correctement les déperditions énergétiques. Il est donc primordial d’intégrer les transferts hygrothermiques à travers les parois pour simuler efficacement le bâti ancien. Néanmoins, la plupart des modèles à l’échelle urbaine négligent les transferts hydriques à travers les parois.Cette thèse propose une nouvelle méthode de résolution numérique pour les transferts hygrothermiques, qui est adaptée aux différentes contraintes de la modélisation à l’échelle urbaine (résolutions spatio-temporelles, méthode numérique etc.). La validation est réalisée en deux temps : une partie numérique et une partie expérimentale. La validation numérique est effectuée par une comparaison inter-modèle, en s’appuyant sur quinze compositions de parois et trois climats. La validation expérimentale utilise les données enregistrées dans plusieurs bâtiments rénovés à partir de matériaux biosourcés et instrumentés dans le centre médiéval de la ville de Cahors.Ensuite, les transferts couplés de masse et de chaleur dans les parois sont intégrés dans le modèle de climat urbain TEB (Town Energy Balance), en utilisant la méthode développée et validée. La pertinence de cette nouvelle version de TEB pour représenter le centre-ville médiéval de Cahors est évaluée par comparaison avec des mesures in-situ. Une amélioration significative est constatée pour la simulation de l’humidité relative intérieure. L’impact des transferts d’humidité est discuté à plusieurs échelles.Finalement, la réhabilitation des parois anciennes des bâtiments du centre-ville de Cahors est étudiée à partir de plusieurs types d’isolant thermique positionnés à l’intérieur ou à l’extérieur. Ces scénarios de réhabilitation sont simulés en utilisant la version modifiée de TEB incluant les transferts d’humidité à travers les parois. Leur pertinence est comparée, vis-à-vis des enjeux énergétiques, du confort intérieur et extérieur, de la conservation du patrimoine et de la durabilité des parois. Des recommandations sont formulées en fonction du type de parois.

Improving the energy efficiency of buildings and mitigating the urban heat island is a priority, particularly in historical city centres, which are composed of poorly insulated buildings. One of the levers of action envisaged is wall insulation. However, the retrofit of old walls faces numerous obstacles (technological, architectural, urban). In particular, these walls have a specific hygrothermal behavior, which needs to be taken into account to avoid the appearance of pathologies and to correctly estimate energy losses. It is therefore essential to integrate hygrothermal transfers through the walls to effectively simulate old buildings. However, most urban-scale models neglect moisture transfer through walls.This thesis proposes a new numerical method for solving hygrothermal transfers, which is adapted to the various constraints of urban-scale modeling (spatio-temporal resolutions, numerical method, etc.). Validation is carried out in two steps: a numerical part and an experimental part. Numerical validation is based on an inter-model comparison, using fifteen wall compositions and three climates. Experimental validation uses data recorded in several buildings retrofitted with bio-based materials and instrumented in the medieval city centre of Cahors.Then, coupled heat and mass transfer through walls are integrated into the TEB (Town Energy Balance) urban climate model, using the developed and validated method. The suitability of this new version of TEB to represent the medieval town center of Cahors is assessed by comparison with in-situ measurement. A significant improvement is observed when simulating indoor relative humidity. The impact of moisture transfer is discussed at several scales.Finally, the retrofit of the old walls of buildings in the city center of Cahors is studied using several types of thermal insulation positioned inside or outside. These retrofitting scenarios are simulated with the modified version of TEB, including moisture transfer through the walls. Their relevance is compared with regard to energy issues, indoor and outoor comfort, heritage conservation and wall durability. Recommendations are given according to the type of wall.