Caractérisation et prédiction numérique des transferts de chaleur et d’eau au sein de matériaux bio-sourcés pour le bâtiment. De la mise en œuvre au comportement en usage

Patrick Glouannec, Thibaut Colinart, Thomas Pierre, Philippe Chauvelon, Dylan Lelièvre,

LIMATB, Université de Bretagne-SudLorient (France)

BETONCHANVRE : « Matériau Bio-Sourcé »

2

Matériau de remplissage

λ ~ 0,13 W.m-1K-1

Epaisseur : 38 cm

PROCEDES DE MISE EN OEUVRE

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Chènevotte + liant (chaux)

Ajout d’eau

Chènevotte + lait de chaux Remplissage des moules

Projection

Bloc préfabriqué

Séchage

Essais d’adaptation de formulation, de procédés

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�Chanvre «fibré»

�Couplage de liants

�Acquisition de résistances

�Limiter quantité d’eau initiale

�Autres propriétés

Essais de projection : nouveaux liants - chanvre «fibré»

Objectifs: améliorer la mise en œuvre

Éprouvettes : blocs de béton de chanvre

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• Grande hétérogénéité des éprouvettes produites par lesindustriels (différences de masse volumique de 10% à 15% entredeux blocs issus de la même formulation) : Fabrication 400 blocs

• Après démoulage conditionnement des blocs en enceinteclimatique pour les mesures de propriétés après stabilisation

30 cm30 cm

16 cm

Matériau hétérogène : éprouvettes de

grandes dimensions (VER)

Cinétiques de séchage

6

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps (jour)

Te

neu

r en

ea

u (k

g/k

g)

0

20

40

60

80

100

T (

°C),

HR

(%)

Teneur en eau

Tair entrée

Hrair entrée

Tsurface EA

Tmat EA

Hrmat EA

Modélisation des transferts de chaleur et d’eau

7

Hypothèses : milieu homogène et isotrope

-Retrait et hydratation négligeables

-Modèle 1D macroscopique

- 2 variables d’état : W et T

Diffusion de vapeur dans l’air

Transfert d’eau libre

hc, Tair

Zone sèche

Zone humide

Front d’évaporation

Convection

ConductionTransfert de vapeur

Fm

Retrait

Hydratation,

Carbonatation,

Exothermie

Fm = km

Mv

RTfilm

Pv surf − Pv air( ) Fm = km

Mv

RTfilm

Pv surf − Pv air( )

( ) ( ) 0H W D v

W

v

* =∆∇⋅∇−∇⋅∇−rrrr

Tt

TCp λ

∂

∂ρ

( )( ) 0 1

=

∇+⋅∇− WDD

t

W W

v

W

l

s

rr

ρ∂

∂

Coefficients transfert hydrique

Détermination des coefficients de transferts hydriques par technique inverse

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Pyromètre

Air

(Tair, vair, Hair)balance

Thermocouples

Convection

Fonctionobjectif

bjectif

ExpériencesMasse, Température et HR

Modèle numériqueDlw, Dvw

Procédure d’estimation

Sollicitations extérieures (Tair, Vair, Hrair)

S P( ) = αW i − ˜ W i P( )

W initial

2

+ βTi − ˜ T i P( )

max Tsurf( )

2

i=1

N

∑

Coefficients de transfert phase liquide et vapeur

9

5,0E-08

5,5E-07

1,1E-06

1,6E-06

2,1E-06

2,6E-06

3,1E-06

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Teneur en eau (kg.kg-1

sec)

Dlw

& D

vw

(kg

.m-1

.s-1

)

Dlw

Dvw

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temps (jour)

Te

ne

ur

en

ea

u

Xmoy-sim

Xmoy-exp

Xsurf-sim

Xmil-sim

Xfond

Béton projeté : Wbs

Introduction

• Minimisation consommation

énergétique des bâtiments,

confort

Isolation thermique

Accumulation/Restitution apports

« gratuits »

• Paroi opaque :

• Matériaux poreux � Caractère hygroscopique : Transferts de chaleur et d’humidité

• Paroi multicouche pour remplir différentes fonctions (isolation thermique, inertie

thermique, minimisation des infiltrations…)

• Impact de la présence d’eau : + évaporation / condensation (stockage)

- vieillissement accéléré,…

Une bonne conception nécessite la prédiction des températures et des humidités

relatives dans des parois multicouches :

- Base de données matériaux pertinente : propriétés thermo-hydriques,….

- Modèles et outils numériques validés par des expériences

Simulation du comportement thermo-hydrique en usage

( ) 0)TT).(cc()T(L.KT)T(t

T.c. réfl,pv,préfvp =−−+−∇δ−∇λ−∇+

∂

∂ρ

Choix des variables d’état : • Humidité relative HR

• Température T

Conservation de la masse d’eau

Conservation de l’énergie

Conduction Convection

interne

Changement de phase

0))()(( =∇−∇+−∇+∂

∂TDHRDD

t

HR T

v

HR

v

HR

l

app

s θρ

Capacité hydrique

Modélisation : Equations de conservation

Hystérésis des isothermes de sorption

� Adsorption depuis un état sec

= courbe d’adsorption principale

� Désorption depuis HR proche de 100%

= courbe de désorption principale

• Mesures en régime stationnaire : durée très longue

� Réalisation d’une série de mesures pour chaque état intermédiaire initial :

Désorption

principale

Adsorption

principale

W

HR

• Calcul de la capacité hydrique par un modèle d’hystérésisHR

W

∂

∂=θ

� Très long à mettre en oeuvre (plusieurs mois d’expérimentations par courbe)

θ

100%0%

• Nécessité de prédire l’adsorption ou la désorption depuis un état intermédiaire

La relation W(HR) présente un hystérésis

Etudes de plaques planes

• Domaine d’étude : 20%<HR<80%

�isothermes de sorption �Coefficients de transfert hydrique

Domaine d’étude

Transfert d’eau liquide

Transfert de vapeur

Transferts d’humidité

Propriétés thermophysiques : conductivité thermique

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Fil chaud

Validation des modèles / Protocole expérimental

• Expériences avec température de l’air constante et humidité de l’air variable (Etapes 1,2,3…)

temps

Tair

HRair

23°C

75%

35%1

2

3

31 2W

HR

35% 50% 75%

0

50%

0

Simulation en adsorption et désorption(béton de chanvre)

� Bonne prédiction de teneur en eau

� Bonne prédiction de la température

� Changement d’état

� Validation du modèle d’hystérésis

�Bonne prédiction de l’humidité relative

Influence des enduitsEtudes d’une paroi

• Profils d’humidité relative à 2 heures avec et sans enduits

� variations d’humidité relative plus faible avec enduits

Les enduits limitent les transferts hydriques

5mm

Paroi béton de chanvre

18

Suivi en enceinte bi-climatique : température, humidité

Surface: 7m2

Epaisseur: 36cm

19

Conditions imposéesTempératures

Paroi béton de chanvre (phase de séchage)

Humidités

Séquence de mesures - Paroi enduiteEtudes d’une paroi

1 2 3 1 2 3

Variation rapide des températures

Simulation – Paroi enduite

• Conditions initiales retenues

• Confrontation entre simulation et expérience

Etudes d’une paroi

Winit

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Suivi in situ

23

24

Conditions estivales

Conclusion

• Mise en œuvre de moyens expérimentaux et de méthodes de caractérisation adaptés

• Evaluations de capteurs en particulier pour la mesure de l’humidité relative au sein des matériaux

• Modélisation de l’hystérésis de teneur en eau

• Validation des développements numériques par des expériences

• Perspectives

• Description plus exacte de la relation entre humidité relative et teneur en eau en régime transitoire : mesures locales de teneur en eau

• Prise en compte de l’influence de la température sur les isothermes d’adsorption-désorption

• Isolation par l’extérieur

Etudes d’une paroi

Merci pour votre attention

Patrick.glouannec@univ-ubs.fr

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