Evaluation des performances hygrothermiques d'une paroi par simulation numérique (application aux parois en béton de chanvre)

Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d isolation et sa forte perméabilité au transport d eau favorise le transfert d humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l évolution de ses propriétés. L objectif de ce travail est d évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d alimenter ce modèle numérique, l étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d appréhender l effet d une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d hystérésis sur l évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l étude numérique de l influence de la nature et de l épaisseur d une couche d enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles.The use of hemp concrete, an environmentally friendly material, participates in a process of sustainable development in the residential sector. The association of porous vegetable fibers and a grainy mineral matrix gives a strong porosity and a limited density. Therefore hemp concrete has very interesting hygrothermal properties: a low thermal conductivity which offers good insulation capacities and a high moisture permeability which favors moisture transport. Besidesit is characterized by a hysteretic hygrothermal behavior governed by humidity and temperature which determines the evolution of its properties. This work deals with the evaluation of the hemp concrete hygrothermal response to climatic stresses. This objective is a main issue for the development of that kind of material faced with energetics problemsand the notion of comfort feeling in buildings. The evaluation of the hygrothermal behavior of a hemp concrete wallis linked to coupled heat and mass transfer. Mass transfer is governed by moisture transport in liquid and vapor forms. Heat transfer is mainly carried out by conduction and phase change in pores. Moreover in building physics, external surfaces of porous walls are submitted to solar radiation, rain or phenomenon of natural and forced convectiondue to ambient temperature and wind or ventilation systems. Firstly a numerical HAM transfer model (HAM: Heat, Air and Moisture) able to take into account these phenomena is built. In order to feed this model, the modeling of hemp concrete hygrothermal properties is lead based on experimental characterization campaigns. The study points out also the influence of the hemp concrete hygrothermal properties depending on a variation of the density. The results of the model are thus compared to the experimental measures collected on a hemp concrete wall in a biclimatic room ofwhich regulation follows a chosen program. A sensitivity analysis to the parameters of the model enables to show that the hygrothermal transfer is very influenced by the moisture content parameter. The thermal dependence of the hysteretic effect determines the hydric capacity of moisture storage and the heat and moisture transportthrough the material. The consideration of this phenomenon is necessary to well understand and reproduce the hygrothermal behavior of the hemp concrete. The modeling of the hysteresis gives simulated results in good agreement with the experimental ones obtained under hydric and thermal cyclic stresses. Moreover the work is extended to the numerical study of the influence of the nature and the thickness of a coating layer on the external surfaces of a hemp concrete wall. Finally a discussion about the notion of hygrothermal comfort is carried out on a wall in real configuration ofoperation under typical annual climatic conditionsRENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Study of a Heat Pump for Simultaneous Cooling and Desalination

International audienceAccess to freshwater and energy resource management are two of the major concerns of the next decades. The global warming indicator, the decrease of rainfalls and the growing energy demand for cooling are correlated in the most populated agglomerations of the world. For industrial and social purposes, it seems vital to develop energy efficient systems for cooling and desalination. A heat pump can produce energy for space cooling and heat for desalination. Among the different desalination systems available, membrane distillation seems the most suitable solution to the condensing temperature level of a standard heat pump.This article presents the development of a model of heat pump for simultaneous cooling and desalination by air-gap membrane distillation. The model was first developed using EES software and validated with experimental results from our laboratory and from the literature. The desalination unit was then optimised by numerical means in terms of dimensions and operating conditions using a bi-dimensional model with Matlab. A coupled system with a heat pump was finally simulated. The objective is to estimate the freshwater production depending on the cooling loads of a refrigerator placed in a building submitted to the conditions given by a weather data file in the Trnsys environment. The energy consumptions are compared to those of a standard reverse osmosis plant producing the same amount of freshwater associated to a chiller of same cooling capacity as the heat pump. The results show that the heat pump for simultaneous cooling and desalination offers interesting perspectives

Evaluation des performances hygrothermiques d'une paroi par simulation numérique : application aux parois en béton de chanvre

The use of hemp concrete, an environmentally friendly material, participates in a process of sustainable development in the residential sector. The association of porous vegetable fibers and a grainy mineral matrix gives a strong porosity and a limited density. Therefore hemp concrete has very interesting hygrothermal properties: a low thermal conductivity which offers good insulation capacities and a high moisture permeability which favors moisture transport. Besidesit is characterized by a hysteretic hygrothermal behavior governed by humidity and temperature which determines the evolution of its properties. This work deals with the evaluation of the hemp concrete hygrothermal response to climatic stresses. This objective is a main issue for the development of that kind of material faced with energetics problemsand the notion of comfort feeling in buildings. The evaluation of the hygrothermal behavior of a hemp concrete wallis linked to coupled heat and mass transfer. Mass transfer is governed by moisture transport in liquid and vapor forms. Heat transfer is mainly carried out by conduction and phase change in pores. Moreover in building physics, external surfaces of porous walls are submitted to solar radiation, rain or phenomenon of natural and forced convectiondue to ambient temperature and wind or ventilation systems. Firstly a numerical HAM transfer model (HAM: Heat, Air and Moisture) able to take into account these phenomena is built. In order to feed this model, the modeling of hemp concrete hygrothermal properties is lead based on experimental characterization campaigns. The study points out also the influence of the hemp concrete hygrothermal properties depending on a variation of the density. The results of the model are thus compared to the experimental measures collected on a hemp concrete wall in a biclimatic room ofwhich regulation follows a chosen program. A sensitivity analysis to the parameters of the model enables to show that the hygrothermal transfer is very influenced by the moisture content parameter. The thermal dependence of the hysteretic effect determines the hydric capacity of moisture storage and the heat and moisture transportthrough the material. The consideration of this phenomenon is necessary to well understand and reproduce the hygrothermal behavior of the hemp concrete. The modeling of the hysteresis gives simulated results in good agreement with the experimental ones obtained under hydric and thermal cyclic stresses. Moreover the work is extended to the numerical study of the influence of the nature and the thickness of a coating layer on the external surfaces of a hemp concrete wall. Finally a discussion about the notion of hygrothermal comfort is carried out on a wall in real configuration ofoperation under typical annual climatic conditionsLe béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l’association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d’isolation et sa forte perméabilité au transport d’eau favorise le transfert d’humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l’évolution de ses propriétés. L’objectif de ce travail est d’évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d’évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d’humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d’eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d’évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d’air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d’alimenter ce modèle numérique, l’étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s’appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d’appréhender l’effet d’une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l’effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s’avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d’hystérésis sur l’évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l’étude numérique de l’influence de la nature et de l’épaisseur d’une couche d’enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d’utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles

Evaluation of the hygrothermal performance of a wall by numerical simulation : application to hemp concrete walls

Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l’association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d’isolation et sa forte perméabilité au transport d’eau favorise le transfert d’humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l’évolution de ses propriétés. L’objectif de ce travail est d’évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d’évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d’humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d’eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d’évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d’air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d’alimenter ce modèle numérique, l’étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s’appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d’appréhender l’effet d’une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l’effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s’avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d’hystérésis sur l’évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l’étude numérique de l’influence de la nature et de l’épaisseur d’une couche d’enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d’utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles.The use of hemp concrete, an environmentally friendly material, participates in a process of sustainable development in the residential sector. The association of porous vegetable fibers and a grainy mineral matrix gives a strong porosity and a limited density. Therefore hemp concrete has very interesting hygrothermal properties: a low thermal conductivity which offers good insulation capacities and a high moisture permeability which favors moisture transport. Besidesit is characterized by a hysteretic hygrothermal behavior governed by humidity and temperature which determines the evolution of its properties. This work deals with the evaluation of the hemp concrete hygrothermal response to climatic stresses. This objective is a main issue for the development of that kind of material faced with energetics problemsand the notion of comfort feeling in buildings. The evaluation of the hygrothermal behavior of a hemp concrete wallis linked to coupled heat and mass transfer. Mass transfer is governed by moisture transport in liquid and vapor forms. Heat transfer is mainly carried out by conduction and phase change in pores. Moreover in building physics, external surfaces of porous walls are submitted to solar radiation, rain or phenomenon of natural and forced convectiondue to ambient temperature and wind or ventilation systems. Firstly a numerical HAM transfer model (HAM: Heat, Air and Moisture) able to take into account these phenomena is built. In order to feed this model, the modeling of hemp concrete hygrothermal properties is lead based on experimental characterization campaigns. The study points out also the influence of the hemp concrete hygrothermal properties depending on a variation of the density. The results of the model are thus compared to the experimental measures collected on a hemp concrete wall in a biclimatic room ofwhich regulation follows a chosen program. A sensitivity analysis to the parameters of the model enables to show that the hygrothermal transfer is very influenced by the moisture content parameter. The thermal dependence of the hysteretic effect determines the hydric capacity of moisture storage and the heat and moisture transportthrough the material. The consideration of this phenomenon is necessary to well understand and reproduce the hygrothermal behavior of the hemp concrete. The modeling of the hysteresis gives simulated results in good agreement with the experimental ones obtained under hydric and thermal cyclic stresses. Moreover the work is extended to the numerical study of the influence of the nature and the thickness of a coating layer on the external surfaces of a hemp concrete wall. Finally a discussion about the notion of hygrothermal comfort is carried out on a wall in real configuration ofoperation under typical annual climatic condition

Les enjeux d’une recherche autour des matériaux du patrimoine industriel

International audienceLe contexte national et international de la transition énergétique et ses conséquences sur le bâti existant, en particulier sur les édifices patrimoniaux, invite à mener une réflexion approfondie sur les propriétés thermiques et sur la tenue mécanique de ces derniers. Il s’agit ici de présenter succinctement un programme de recherche interdisciplinaire en cours d’émergence sur les matériaux du patrimoine industriel. Le parti pris est de se concentrer sur les anciens lieux hérités de l’industrie dont la reconversion est un des défis actuels de nombreuses collectivités, en France comme à l’étranger. L’originalité du projet reposant sur la transversalité des compétences en sciences humaines et sociales (histoire ; archéologie industrielle ; architecture ; urbanisme ; histoire de l’art) et en sciences pour l’ingénieur (énergétique ; mécanique) est autant une réponse aux ambitions de la politique scientifique nationale portée par le CNRS et le ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche, laquelle promeut l’interdisciplinarité

Study of a heat pump for simultaneous cooling and desalination

International audienceAccess to freshwater and energy resource management are two of the major concerns of the next decades. The global warming indicator, the decrease of rainfalls and the growing energy demand for cooling are correlated in the most populated agglomerations of the world. For industrial and social purposes, it seems vital to develop energy efficient systems for cooling and desalination. A heat pump can produce energy for space cooling and heat for desalination. Among the different desalination systems available, membrane distillation seems the most suitable solution to the condensing temperature level of a standard heat pump.This article presents the development of a model of heat pump for simultaneous cooling and desalination by air-gap membrane distillation. The model was first developed using EES software and validated with experimental results from our laboratory and from the literature. The desalination unit was then optimised by numerical means in terms of dimensions and operating conditions using a bi-dimensional model with Matlab. A coupled system with a heat pump was finally simulated. The objective is to estimate the freshwater production depending on the cooling loads of a refrigerator placed in a building submitted to the conditions given by a weather data file in the Trnsys environment. The energy consumptions are compared to those of a standard reverse osmosis plant producing the same amount of freshwater associated to a chiller of same cooling capacity as the heat pump. The results show that the heat pump for simultaneous cooling and desalination offers interesting perspectives

Modélisation CFD des performances thermiques d’un mur Trombe.

International audience<div style=""&gt<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtRésumé – Cette étude concerne l’analyse des performances thermiques d’un mur Trombe couplé à un local. Elle est réalisée via un modèle numérique CFD 2D permettant de simuler le comportement thermique du mur Trombe en régime permanent. Le modèle CFD prend en compte les transferts par conduction, convection et rayonnement ainsi que la turbulence de l’écoulement d’air. Après une validation des simulations à partir de résultats issus de la littérature, une étude paramétrique de l’influence de la largeur des ouïes et de l’épaisseur de la lame d’air sur l’efficacité thermique du système est réalisée.</span&gt</font&gt</div&gt<div style=""&gt<br&gt</div&gt<div style=""&gt<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtAbstract – This study concerns the analysis of the thermal performance of a Trombe wall coupled to a room. It is performed using a 2D CFD model to simulate the steady-state thermal behavior of the Trombe wall. The CFD model considers conduction, convection and radiation transfers as well as airflow turbulence. After validation of the simulations using results from the literature, a parametric study concerning the influence of the vents size and air gap depth on the thermal efficiency of the system is carried out.</span&gt</font&gt</div&gt<div style=""&gt<br&gt</div&g

Méthodologie pour une meilleure connaissance des matériaux du patrimoine industriel

International audienceNotre étude s’inscrit dans le contexte de la transition énergétique. Dans le secteur du bâtiment, la législation actuellement en vigueur s’avère inadaptée à la reconversion des édifices patrimoniaux. En effet, elle est davantage conçue pour la construction neuve. Les bureaux d’études techniques et de contrôle sont ainsi assez dépourvus face au réemploi du bâti ancien. C’est pourquoi, il devient urgent de considérer la reconversion du patrimoine industriel en accord avec les enjeux environnementaux. L’originalité de notre travail est, d’une part de poser le double questionnement de l’efficacité énergétique et de la préservation patrimoniale et d’autre part,de recourir à l’interdisciplinarité. Consacrés à l’étude des matériaux du patrimoine industriel, nos travaux ont pour ambition de dégager des éléments conceptuels et méthodologiques de convergence entre les sciences pour l’ingénieur et les sciences historiques. Le premier objectif vise à élaborer une méthodologie non destructive de détermination des caractéristiques et des performances hygrothermiques des parois des édifices patrimoniaux. Cet outil doit conduire à une connaissance plus fine des matériaux du patrimoine industriel

CFD analysis of the thermal performance of Trombe wall

International audience<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtTrombe walls are widely used in building thanks to their capacity to achieve energy efficiency using renewable power. This study aims to analyse the thermal performance of a Trombe wall coupled to a room. It is performed via a 2D CFD model to simulate the steady-state thermal behaviour of the Trombe wall. The CFD model takes into account conduction, convection and radiation transfers as well as airflow turbulence. After validation of the simulations using results from the literature, a parametric study with respect to the influence of the vents size and air gap depth on the system’s thermal efficiency is carried out. It was concluded that better thermal performance is achieved when the vents size is equal to 0.15 m, which corresponds to one tenth of the wall height but a wider air channel leads to a decrease of the solar wall’s thermal efficiency.</span&gt</font&g

CFD analysis of the thermal performance of Trombe wall

International audience<font face="arial, helvetica"&gt<span style="font-size: 13px;"&gtTrombe walls are widely used in building thanks to their capacity to achieve energy efficiency using renewable power. This study aims to analyse the thermal performance of a Trombe wall coupled to a room. It is performed via a 2D CFD model to simulate the steady-state thermal behaviour of the Trombe wall. The CFD model takes into account conduction, convection and radiation transfers as well as airflow turbulence. After validation of the simulations using results from the literature, a parametric study with respect to the influence of the vents size and air gap depth on the system’s thermal efficiency is carried out. It was concluded that better thermal performance is achieved when the vents size is equal to 0.15 m, which corresponds to one tenth of the wall height but a wider air channel leads to a decrease of the solar wall’s thermal efficiency.</span&gt</font&g