Vers une méthode de conception HYGRO-thermique des BATiments performants – HYGRO-BAT

L'objectif du projet était d’aller vers une méthodologie de conception hygrothermique des bâtiments, s’appuyant sur des outils et des méthodes fiables et permettant de qualifier et de quantifier des solutions techniques exploitant la dimension de la thermique liée aux transferts de masse. Pour concrétiser et consolider cette démarche, nous nous sommes adossés au cas concret de la construction bois et plus globalement des matériaux à base végétale, compte tenu de leurs propriétés hygroscopiques maximales. En mettant en commun l’expérience des principaux acteurs français du domaine et une approche type «benchmark», expérimental et numérique, nous avons cherché à comprendre les phénomènes mis en jeu et à proposer des outils expérimentaux (méthodologie de caractérisation) et numériques (simulations dynamiques prédictives), adaptés. Notre démarche a été progressive, en partant des bases de métrologie et de caractérisation des matériaux, garants de la fiabilité d’alimentation des modèles. Puis nous avons lancé des mesures et des simulations sur des assemblages simples sous des sollicitations dynamiques maîtrisées. Nous avons également abordés l’échelle plus complexe du bâtiment et des sollicitations en climat réel, à l’échelle de la paroi (cellules expérimentales bien maîtrisées PASSYS). La démarche s’est achevée par des simulations d’assemblages réels et la proposition d’un guide de simulations hygrothermiques.
Le programme ambitieux de notre projet est ainsi porté par un consortium composé de sept laboratoires universitaires reconnus (CETHIL, LOCIE, LaSIE, I2M, LGPM, LERMAB, LMDC), de trois centres type EPIC (CEA-INES, CRITT-Bois, CSTB) et de trois industriels (EDF, LIGNATEC, NR GAÏA).

Pour répondre aux objectifs annoncés, nous avons mis en place des outils expérimentaux complexes, essentiels à l’étude de phénomènes physiques dans nos configurations. La complexité vient de la diversité des cas de figure (matériaux et leurs assemblages…), des climats (conditions constantes, dynamiques de type échelon, climats extérieurs), mais aussi par le niveau élevé de fiabilité des protocoles expérimentaux et en conséquence, des résultats obtenus. Ces derniers ont servis de support aux analyses approfondies conduites dans le projet et ils seront disponibles pour des investigations futures.
La confrontation des résultats expérimentaux aux simulations numériques a permis d’avancer dans la compréhension des phénomènes physiques. Elle nous a montré que les outils de modélisation dont nous disposons, malgré leur diversité, sont bien représentatifs d’une même réalité physique. Cependant, dans certaines configurations, nous avons constatés des écarts entre expérimentation et simulation numérique. Différentes pistes pour expliquer ces écarts ont été investigués. En particulier, une analyse détaillée des méthodes généralement admises de caractérisation hygrothermique des matériaux de construction a été initié. Elle a mis en évidence la difficulté de mesure de certaines caractéristiques, due entre autres, à des phénomènes physiques très complexes comme la diffusion non-fickienne.
A la fin du projet nous avons cherché à donner des éléments de réponse à certaines questions récurrentes, posés par les acteurs du bâtiment sur le terrain, comme par exemple : pourquoi le bois massif semble avoir un impact positif sur les consommations d’énergie et le confort dans les bâtiments ? Les transferts de vapeur d’eau jouent-ils un rôle dans cet impact ? Ces réponses, concrétisées sous la forme d’un guide, ne sont pas parfaites, elles permettent néanmoins de commencer à combler le vide entre les attentes des professionnels du bâtiment et les chercheurs spécialisés sur ce thème.

Notre démarche qui a été progressive, partant des bases de métrologie et de caractérisation des matériaux, au développement d'outils expérimentaux pour l'analyse du comportement hygrothermique d'enveloppes fortement hygroscopiques en environnement contrôlé ou en site réel et la simulation. La démarche s'est achevée par un guide permettant de valoriser les solutions hygrothermiques les plus performantes.
Cette démarche a permis de mettre en évidence l'importance de la caractérisation des matériaux et la difficulté à évaluer de façon fiable certaines propriétés. Des efforts doivent être fournis dans ce sens en proposant des méthodes alternatives exploitant le transfert en régime transitoire et affinant la description des transferts hygrothermique en intégrant la dimension multi-échelle.

Les résultats scientifiques ont été présentés dans des conférences nationales et internationales et soumis dans des revues à comité de lecture. Les résultats concernant la caractérisation des matériaux ont été notamment publiés par le LaSIE, le LMDC et le LGPM, ceux concernant le comportement d’un assemblage de paroi par le LERMAB, le CETHIL et le LOCIE.
Le projet a également été présenté lors de colloques ANR et différentes journées thématiques, dont un workshop a été dédié à transferts couplés (SFT2015 à la Rochelle).
Citons aussi les thèses de Kamilia Abahri au LaSIE, de Yannick Kêdowidé au LOCIE et de Zakaria Slimani au CETHIL, directement liées au projet.
Notons enfin la rédaction du « Guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances thermo-hygriques des bâtiments », pilotée par Critt Bois.

Depuis quelques années, la problématique des transferts couplés de masse et de chaleur fait l’objet d’un surcroît d’intérêt de la part de la communauté scientifique en charge de la thermique et de l’énergétique du bâtiment. La raison principale de cette évolution est le rôle, peu à peu révélé, des transferts de masse sur le comportement énergétique réel du bâtiment, soumis aux sollicitations de son environnement.

Malgré les développements récents dans ce domaine, des zones d’ombre persistent. En particulier des écarts entre les mesures et les simulations numériques dans le cas des sollicitations dynamiques des matériaux à forte hygroscopicité ont été constatés dans différents projets français et internationaux (Annexes 24 et 41 de l’Agence Internationale de l’Energie, ANR PREBAT OPTI-MOB). L’origine de ces écarts n’est pas véritablement connue : la métrologie, les caractéristiques des matériaux, les modèles thermo-hygriques eux-mêmes ? Les projets passés et en cours mettent en évidence la complexité de la problématique, mais n’ont pas permis d’élucider l’origine de ces écarts ni de mettre en place des outils adaptés. Or, la réponse à cette problématique est fondamentale, car des gisements énergétiques sont précisément attendus dans l’étude des comportements dynamiques. En effet, le peu de travaux abordant cette thématique révèlent des économies potentielles d’énergie dépassant 30 %.

En mettant en commun l’expérience des principaux acteurs français du domaine et une approche type « benchmark » expérimentale et numérique nous avons pour ambition de maîtriser les phénomènes en jeu et de proposer des outils expérimentaux (méthodologie de caractérisation) et numériques (simulations dynamiques prédictives), adaptés.

Notre principal objectif est de mettre au point une méthodologie de conception hygrothermique des bâtiments, s’appuyant sur des outils et des méthodes fiables et permettant de qualifier et de quantifier des solutions techniques innovantes exploitant la dimension de la thermique liée aux transferts de masse. Pour concrétiser et consolider cette démarche, nous proposons de nous adosser au cas concret de la construction bois et plus globalement des matériaux à base végétale, compte tenu de leurs propriétés hygroscopiques maximales, présentant des configurations d’études complexes et ayant l’avantage, en outre, de se positionner sur un marché porteur.

Notre démarche sera progressive, en partant des bases de métrologie et de caractérisation des matériaux, garants de la fiabilité d’alimentation des modèles. Puis nous nous lancerons dans des mesures et des simulations sur des assemblages simples sous des sollicitations dynamiques maîtrisées. Nous aborderons alors l’échelle plus complexe du bâtiment et les sollicitations en climat réel, sous un angle « idéalisé » dans un premier temps (cellules expérimentales bien maîtrisées PASSYS) puis en vraie grandeur avec l’exploitation d’une maison à ossature bois. La démarche s’achèvera par des propositions d’évolution de la normalisation et de la réglementation permettant de valoriser de façon rigoureuse et fiable les solutions hygrothermiques les plus performantes.

Le programme ambitieux de notre projet est ainsi porté par un consortium composé de sept laboratoires universitaires reconnus (CETHIL, LEPTIAB, TREFLE, LERFOB, LERMAB, LOCIE, LMDC), de trois centres type EPIC (CEA-INES, CRITT-Bois, CSTB) et de trois industriels (EDF, LIGNATEC, NR GAÏA).