Modeling of thermo-hygro-aeraulic transfers in buildings envelopes : assessment of disorders caused by humidity
Modélisation des transferts thermo-hydro-aérauliques dans les enveloppes de bâtiments : évaluation des désordres causés par l'humidité
Résumé
The present PhD thesis work is conducted in the framework of the National Program ANR HUMIBATex Project « How to predict the disorders caused by moisture? What technical solutions to renovate the existing buildings? ». It deals with the numerical and experimental modeling of a coupled heat, air and moisture transfers at different scales: material, envelope and building ambience. In the theoretical part, based on expression of heat and moisture (vapor, liquid and air) balances equations, a phenomenological model describing the coupled heat, air and moisture transfer (HAM) through the wall has been developed. After validation stage (comparison with experimental results and analytical solution), the model has been implemented with confidence in a building energy simulation code (BES). Using this HAM-BES dynamic co-simulation tool, the hygrothermal behavior of the wall and indoor air of buildings were predicted finely. Two cases studies have been undertaken. The aim of the first one was to highlight the impact of hydrothermal transfers on the prediction of building energy consumption. However, the second case study was devoted to study efficiency of different ventilation strategies (extracting or insufflation) on the control and reduction of disorders caused by moisture in residential buildings. In the experimental part, a characterization campaign of physical, hydric and thermophysical properties of construction materials has been carried out. This experimental campaign has been focused on analyzing of the impact of thermal and hydric state of the construction material on the hygrothermal properties values. In another work, several experimental devices, at small-scale and wall scale, were designed in the laboratory to study the hygrothermal response of different building envelopes configuration and validate the developed HAM-BES dynamic co-simulation platform. Results of confrontation have showed good agreement between the numerical solution and experimental measurements.The obtained results in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of a detailed modeling of coupled heat air and moisture transfer through the wall on the hygrothermal behavior prediction of the indoor air, on assessment of pathology indicators and on the evaluation of the buildings energy loads.
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l’humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l’outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l’ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d’études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l’impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d’étude a été dédié à l’étude de l’efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d’apparition de désordres liés à l’humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s’est focalisée sur l’analyse de l’impact de l’état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l’échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d’étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence d’une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments.
Domaines
Génie civil
Origine : Version validée par le jury (STAR)