Soutenance mémoire
Le bâtiment ancien et la rénovation thermique
Propriétés hygrothermiques des matériaux dans les bâtiments anciens
Le caractère local des techniques de construction a donné lieu à des typologies très diversifiées dans le bâtiment ancien. En France, on distingue cependant quatre grandes familles de typologies constructives répandues avant la révolution industrielle : pisé en terre crue, brique en terre cuite, maçonnerie en pierre et murs en pan de bois [MEDDE 2013]. À Paris, trois typologies se sont développées avant 1914 : le pan de bois avec remplissage en moellon grossier-caillasse-plâtre, la maçonnerie en brique apparente (immeuble de type ouvrier) et la maçonnerie en pierre, cette dernière très répandue pendant la période Haussmannienne [Bigorgne et al. 2011]. A l’origine de ce caractère local des typologies, on trouve des matériaux très hétérogènes, dont les propriétés hygrothermiques sont difficiles à évaluer avec précision.
Concernant les enduits et les liants utilisés dans les bâtiments anciens, on trouve principalement trois matériaux : la chaux, le plâtre et l’argile. Pour les typologies en pan de bois et maçonnerie en pierre, les enduits extérieurs étaient réalisés à base de chaux ou de mélange de chaux et plâtre. Les enduits intérieurs étaient réalisés principalement en plâtre. Les liants utilisés dans la maçonnerie en pierre étaient constitués de mortiers à base d’argile, de plâtre ou de chaux, seuls ou mélangés. La caractéristique principale de ces matériaux vis-à-vis de l’humidité est une perméabilité importante à la vapeur d’eau, mais faible à l’eau sous forme liquide. Par exemple, dans le cas du plâtre appliqué à l’intérieur, ce matériau dit hygroscopique permet de réguler l’humidité à l’intérieur du local en absorbant l’excès et en le libérant lorsque l’air devient très sec [Cantin & Guarracino 2012].
Inertie thermique
Définition
Le bâti ancien est constitué de murs épais, caractérisé par sa robustesse et sa masse, ce qui lui confère une forte inertie thermique. L’inertie thermique est la capacité d’un matériau à ralentir et amortir une perturbation. Ce phénomène se traduit par le déphasage du pic de température intérieure par rapport au pic de température extérieure combiné à un effet d’amortissement de l’amplitude de cette température. Plus la valeur de l’inertie est élevée, plus le matériau a la capacité d’absorber, de stocker et de restituer l’énergie dans le temps. [Royet et al. 2007], [Stéphane et al. 2014] ont mesuré, dans des bâtiment anciens non isolés, en période estivale, des écarts de température extérieure et intérieure entre 6 à 10◦C avec des déphasages de 5 à 8 heures. on observe un lissage du pic de la température extérieure ; le point de d’inflexion des deux températures (intérieure et extérieure) possède un déphasage de 8 heures. L’écart entre Tmax extérieure et Tmax intérieure est d’environ 6◦C.
L’inertie thermique permet de réguler les systèmes (de chauffage et de climatisation) ou de retarder sa mise en route [Ferrari 2007]. Ainsi les bâtiments avec une masse thermique importante (et donc de l’inertie) offrent un potentiel pour économiser de l’énergie, spécialement en période d’été, tout en assurant des conditions intérieures optimales. Cependant pour que ce potentiel soit exploitable, l’inertie thermique doit être combinée à d’autres paramètres qui jouent un rôle important dans les stratégies (ou méthodes) passives telles que les échanges d’air et les gains solaires [Orosa & Oliveira 2012], [Aste et al. 2009], ainsi que l’isolation thermique.
Comment quantifier l’inertie thermique
Les propriétés permettant de quantifier l’inertie thermique d’un matériau sont liées à la valeur du coefficient de conductivité thermique λ [W·m−1·K−1 ], à la capacité thermique massique (à pression constante) cp [J·kg−1K−1] et à la masse volumique ρ [kg·m−3]. Deux propriétés thermiques permettant de quantifier l’inertie thermique d’un matériau dérivent des propriétés précédentes : la diffusivité et l’effusivité thermique.
Propriétés hygriques des matériaux dans les constructions anciennes
Dans le transfert d’humidité, la différence de pression (∆p) et les variations de l’humidité relative (∆ϕ) sont les forces motrices : l’air humide migre à travers la paroi de la zone dont la pression est plus élevée, vers la zone dont la pression est moins élevée. Les échanges d’humidité entre la paroi et l’air ambiant agissent donc comme des mécanismes de régulation à travers des cycles d’absorption et de restitution (ou cycles de sorption/désorption). La quantité de masse échangée, entre la paroi et l’air, est fonction des propriétés hygriques des matériaux qui la composent.
Teneur en humidité hygroscopique (w)
Au sein d’un matériau, l’humidité peut être présente dans les trois états : solide, liquide ou gazeux . Cependant, déterminer ou mesurer leurs ratios s’avère difficile, car il est constamment soumis aux changements des conditions environnantes. [Künzel et al. 2005] réunit dans un seul terme l’état de l’eau : la teneur en humidité w [kg·m−3 ] du matériau. w est une propriété qui caractérise sa capacité à stocker ou à restituer de l’humidité. Cette propriété est directement liée à la structure du matériau, notamment le type de réseau poreux et la taille de pores. Par conséquent, un matériau ayant un réseau de pores fins et ouverts, sera plus sensible à la sorption d’humidité, donc avec des propriétés hygroscopiques importantes.
[Künzel 1995] propose une expression pour calculer la valeur de la teneur en humidité d’un matériau (à une humidité relative donnée) à travers un facteur d’approximation et à partir de la valeur de saturation libre de l’eau dans le matériau.
La rénovation dans le bâtiment ancien
La rénovation de bâtiments existants représente un potentiel en terme environnemental, économie d’énergie et amélioration de la qualité des conditions intérieures. L’adoption de stratégies de rénovation adaptées et une bonne connaissance du comportement des constructions anciennes sont nécessaires pour atteindre les performances recherchées [Acre & Wyckmans 2015], [Chantrelle et al. 2011], [Poel et al. 2007]. Dans la littérature de nombreuses recherches ont été développées pour étudier la rénovation thermique des bâtiments anciens. Ces recherches ont été axées principalement sur l’optimisation des mesures adoptées au travers de l’analyse de sensibilité paramétrique et l’utilisation d’outils d’aide à la décision multicritère [Stéphane et al. 2013], [Brown et al. 2013], [Rivallain et al. 2012], [Chantrelle et al. 2011], [Ouyang et al. 2009], sur l’évaluation de la rentabilité et le temps de retour de l’investissement [Wang et al. 2015], [Juan et al. 2010], [Ouyang et al. 2009], sur les limites des politiques de rénovation de bâtiments [Wang et al. 2015], [Galvin 2012] et sur les effets de la rénovation face à scénarios du climat futur [Chow et al. 2013].
Enjeux de la rénovation thermique dans un contexte réglementaire
Les politiques environnementales
En France les politiques environnementales ont été inspirées d’une part des conventions issues du Sommet de la terre tenu à Rio de Janeiro en 1992 et d’autre part par les objectifs fixés dans le protocole de Kyoto . La France a affirmé ses engagements de lutte contre le changement climatique et de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) à travers deux grands projets : le Plan Climat et le Grenelle de l’environnement . Le secteur du bâtiment, étant un des plus gros consommateurs d’énergie (avec 45% de l’énergie finale consommée en France ), est une des principales cibles du Grenelle de l’environnement et du Plan Bâtiment Durable. La réglementation thermique s’inscrit ainsi dans une démarche environnementale et vient renforcer les engagements consignés dans le Grenelle de l’environnement pour atteindre les objectifs de réduction des consommations d’énergie.
La réglementation thermique et la rénovation du bâtiment ancien
Concernant le parc des bâtiments existants (résidentiel et tertiaire), la règlementation thermique (RT) stipule deux cas possibles sous conditions de surface, prix de l’intervention et date de construction du bâtiment : application de la RT existante globale ou élément par élément.
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Table des matières
Introduction
I APPROCHE BIBLIOGRAPHIQUE
1 Le bâtiment ancien et la rénovation thermique
1.1 Propriétés hygrothermiques des matériaux dans les bâtiments anciens
1.1.1 Inertie thermique
1.1.2 Propriétés hygriques des matériaux dans les constructions anciennes
1.2 La rénovation dans le bâtiment ancien
1.2.1 Enjeux de la rénovation thermique dans un contexte réglementaire
1.2.2 Stratégies de rénovation et leurs performances
1.2.3 Postes visés dans les interventions de rénovation
1.2.4 Enjeux de la rénovation thermique dans un contexte évolutif du climat
2 Simulation thermique dynamique des bâtiments anciens
2.1 État de l’art des logiciels de simulation thermique et dynamique de bâtiments
2.2 Finesse des modèles simulation thermique dynamique (STD)
2.3 Les outils de simulation thermique dynamique (STD)
2.3.1 Description
2.3.2 Les outils STD existants
2.3.3 Outil adopté pour les simulations : Energyplus (EP)
2.4 Fiabilité des outils de simulation
2.5 Les outils de simulation et le calage des modèles
3 Modélisation des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux poreux
3.1 Transfert de chaleur et de masse dans le domaine du bâtiment
3.1.1 Stockage et transfert de chaleur
3.1.2 Le stockage et le transferts de masse
3.2 État de l’art des méthodes d’évaluation de transferts de chaleur et de masse à l’échelle de la paroi
3.3 Modèle de transferts de chaleur et de masse dans une paroi multicouche
3.4 Analyse des données modélisées
3.4.1 Description
3.4.2 L’analyse en composantes principales (ACP)
Conclusions partie I
II CONSTRUCTION D’UN MODÈLE THERMIQUE DYNAMIQUE DE LOGEMENTS ANCIENS RÉNOVÉS À PARIS
4 Cas d’étude : bâtiment ancien en moellon calcaire rénové avec de l’isolation thermique par l’intérieur (ITI) et par l’extérieur (ITE)
4.1 Description
4.2 Propriétés des matériaux
4.3 Approche expérimentale et données (scénario hypothétique)
4.3.1 Campagne de mesure : conditions à l’intérieur des logements
4.3.2 Données météorologiques
4.3.3 Enquête comportement des usagers
5 Résultats expérimentaux et numériques
5.1 Données enregistrées
5.1.1 Périodes d’occupation et inoccupation
5.1.2 Analyse des données enregistrées
5.2 Données simulées : calage du modèle
5.2.1 Méthode et hypothèses du modèle
5.2.2 Identification des paramètres sensibles
5.2.3 Résultats du processus de calage du modèle
5.3 Validation du modèle
5.3.1 En inoccupation
5.3.2 En occupation
5.3.3 Hypothèses d’occupation : effet de l’occupant
5.4 Évaluation des logements rénovés sous des conditions de vague de chaleur
5.4.1 Scénario 1 : Vague de chaleur en situation d’inoccupation
5.4.2 Scénario 2 : vague de chaleur en période d’occupation
5.5 Évaluation des conditions intérieures : première approche du confort
5.5.1 Description
5.5.2 Deux indicateurs du confort thermique
Conclusions partie II
III CONSTRUCTION D’UN MODÈLE DE TRANSFERTS DE CHALEUR ET DE MASSE À L’ÉCHELLE DE LA PAROI
6 Implémentation d’un modèle de transferts de chaleur et de masse dans un outil de modélisation
6.1 Présentation du modèle KÜNZEL
6.1.1 Mise en forme des équations
6.1.2 Conditions aux limites
6.1.3 Hypothèses du modèle
6.2 Adaptation du modèle sur un outil de modélisation COMSOL
6.3 Validation/vérification du modèle
6.3.1 Le benchmark HAMSTAD
7 Cas d’étude : caractéristiques des parois
7.1 Description des configurations
7.1.1 Présentation des matériaux
7.1.2 Propriétés hygrothermiques des matériaux
7.2 Description des conditions aux limites et initiales
7.2.1 Conditions aux limites
7.3 Variables étudiées
8 Analyse des données : résultats de la modélisation à l’échelle de la paroi
8.1 Analyse en composantes principales (ACP)
8.1.1 Flux de chaleur à la surface intérieure
8.1.2 Flux de masse à la surface intérieure
8.1.3 Teneur en humidité dans la pierre calcaire
8.1.4 Humidité relative à l’interface entre la pierre et l’isolant
8.1.5 Température à l’interface entre la pierre et l’isolant
8.2 Comportement hygrothermique des parois soumises à des conditions “cas 2014” et de “vague de chaleur”
8.2.1 Résultats des simulations des parois rénovées avec ITI et ITE dans des conditions “cas 2014”
8.2.2 Résultats des simulations des parois rénovées avec ITI et ITE dans des conditions “vague de chaleur”
Conclusions partie III
Conclusions générales
