Numerical modelling and experimental study of heat and moisture properties of a wall based on date palm fibers concrete

In the present paper, we study with both experimental and numerical aspect the heat and moisture transfer properties of a wall based on concrete filled with the natural fibers. The wall was placed in climatic chamber and temperature and relative humidity were monitored at different depths. A developed model describing heat and moisture transfers in porous building materials was implemented in COMSOL Multiphysics and solved with the finite element method. The obtained results are compared with experimental data. A relatively good agreement was obtained for both temperature and relative humidity variation at different depths. Finally, the developed model gives almost a good prediction despite the classical difficulties encountered at the experiment, which is very promising for the prediction of the hygrothermal behavior of bio-based building materials at different conditions

Étude, à l'échelle du mur, des transferts hygrothermiques dans les composites biosourcés

In this thesis work, the hygrothermal transfer in date palm concrete (DPC) has been studied numerically at wall scale. In the first part, the phenomena of heat and mass transfer are modeled. Then, the effect of mesh on the precision of the numerical results was studied for the developed models. In the second part, the developed models have been validated with experimental data for the case of a DPC wall. The results show that the studied models give good predictions of the temperature and relative humidity profiles. In addition, taking into account a hysteresis model improves the results of moisture transfer. The validation study was followed by a comparative numerical investigation of the hygrothermal performance of a DPC wall compared to a conventional insulation material. DPC was found to perform better in terms of thermal insulation and thermal inertia. In the last part of this work, a sensitivity analysis was carried out to assess the effect of the different parameters and conditions on the hygrothermal model outcome. The obtained results highlighted the possible sources of errors in the resulting numerical profiles. Heat transfer is influenced by errors in heat capacity and density, while the parameters that influence moisture transfer are the sorption isotherm and the vapor diffusion resistance factors. Furthermore, it was noted that moisture transfer is very sensitive to any errors in initial conditions or sensors position. In addition, the neglect of liquid water diffusion in the model led to significant underestimates in the relative humidity profiles during the adsorption phase.Dans ce travail de thèse, le transfert hygrothermique dans le béton de bois de palmier dattier (DPC) a été étudié numériquement à l'échelle de la paroi. Dans une première partie, les phénomènes de transferts de chaleur et de masse sont modélisés. Ensuite, l’effet du maillage sur la précision des résultats numériques a été étudié pour les modèles développés. Dans la deuxième partie du travail, les modèles développés ont été validés avec des données expérimentales pour le cas d’un mur en DPC. Les résultats ont montré que les modèles étudiés donnent de bonnes prédictions des profils de température et d’humidité relative. De plus, la prise en compte d’un modèle d’hystérésis permet d’améliorer les résultats du transfert hydrique. L’étude de validation a été suivie par une étude numérique comparative de la performance hygrothermique d’un mur en DPC par rapport à un matériau d’isolation classique. Il a été constaté que le DPC possède de meilleures performances en termes d’isolation et d’inertie thermiques. Dans la dernière partie de ce travail, une étude de sensibilité a été réalisée pour évaluer l’effet des différents paramètres et des conditions sur les résultats du modèle hygrothermique. Les résultats obtenus ont permis de mettre l’accent sur les sources possibles d’erreurs dans les profils numériques. Le transfert de chaleur est influencé par les incertitudes sur les valeurs de la capacité thermique et de la masse volumique tandis que les paramètres qui influent le transfert d'humidité sont l'isotherme de sorption et les facteurs de résistance à la diffusion de vapeur. Par ailleurs, Il a été noté que le transfert d'humidité est très sensible à toute erreur dans les conditions initiales ou la position des capteurs. De plus, La négligence de la diffusion d’eau liquide dans le modèle a conduit à des sous-estimations importantes dans les profils d'humidité relative pendant la phase d'adsorption

Study at the building scale of hygrothermal transfers in biosourced composites

Dans ce travail de thèse, le transfert hygrothermique dans le béton de bois de palmier dattier (DPC) a été étudié numériquement à l'échelle de la paroi. Dans une première partie, les phénomènes de transferts de chaleur et de masse sont modélisés. Ensuite, l’effet du maillage sur la précision des résultats numériques a été étudié pour les modèles développés. Dans la deuxième partie du travail, les modèles développés ont été validés avec des données expérimentales pour le cas d’un mur en DPC. Les résultats ont montré que les modèles étudiés donnent de bonnes prédictions des profils de température et d’humidité relative. De plus, la prise en compte d’un modèle d’hystérésis permet d’améliorer les résultats du transfert hydrique. L’étude de validation a été suivie par une étude numérique comparative de la performance hygrothermique d’un mur en DPC par rapport à un matériau d’isolation classique. Il a été constaté que le DPC possède de meilleures performances en termes d’isolation et d’inertie thermiques. Dans la dernière partie de ce travail, une étude de sensibilité a été réalisée pour évaluer l’effet des différents paramètres et des conditions sur les résultats du modèle hygrothermique. Les résultats obtenus ont permis de mettre l’accent sur les sources possibles d’erreurs dans les profils numériques. Le transfert de chaleur est influencé par les incertitudes sur les valeurs de la capacité thermique et de la masse volumique tandis que les paramètres qui influent le transfert d'humidité sont l'isotherme de sorption et les facteurs de résistance à la diffusion de vapeur. Par ailleurs, Il a été noté que le transfert d'humidité est très sensible à toute erreur dans les conditions initiales ou la position des capteurs. De plus, La négligence de la diffusion d’eau liquide dans le modèle a conduit à des sous-estimations importantes dans les profils d'humidité relative pendant la phase d'adsorption.In this thesis work, the hygrothermal transfer in date palm concrete (DPC) has been studied numerically at wall scale. In the first part, the phenomena of heat and mass transfer are modeled. Then, the effect of mesh on the precision of the numerical results was studied for the developed models. In the second part, the developed models have been validated with experimental data for the case of a DPC wall. The results show that the studied models give good predictions of the temperature and relative humidity profiles. In addition, taking into account a hysteresis model improves the results of moisture transfer. The validation study was followed by a comparative numerical investigation of the hygrothermal performance of a DPC wall compared to a conventional insulation material. DPC was found to perform better in terms of thermal insulation and thermal inertia. In the last part of this work, a sensitivity analysis was carried out to assess the effect of the different parameters and conditions on the hygrothermal model outcome. The obtained results highlighted the possible sources of errors in the resulting numerical profiles. Heat transfer is influenced by errors in heat capacity and density, while the parameters that influence moisture transfer are the sorption isotherm and the vapor diffusion resistance factors. Furthermore, it was noted that moisture transfer is very sensitive to any errors in initial conditions or sensors position. In addition, the neglect of liquid water diffusion in the model led to significant underestimates in the relative humidity profiles during the adsorption phase

Étude, à l'échelle du mur, des transferts hygrothermiques dans les composites biosourcés

In this thesis work, the hygrothermal transfer in date palm concrete (DPC) has been studied numerically at wall scale. In the first part, the phenomena of heat and mass transfer are modeled. Then, the effect of mesh on the precision of the numerical results was studied for the developed models. In the second part, the developed models have been validated with experimental data for the case of a DPC wall. The results show that the studied models give good predictions of the temperature and relative humidity profiles. In addition, taking into account a hysteresis model improves the results of moisture transfer. The validation study was followed by a comparative numerical investigation of the hygrothermal performance of a DPC wall compared to a conventional insulation material. DPC was found to perform better in terms of thermal insulation and thermal inertia. In the last part of this work, a sensitivity analysis was carried out to assess the effect of the different parameters and conditions on the hygrothermal model outcome. The obtained results highlighted the possible sources of errors in the resulting numerical profiles. Heat transfer is influenced by errors in heat capacity and density, while the parameters that influence moisture transfer are the sorption isotherm and the vapor diffusion resistance factors. Furthermore, it was noted that moisture transfer is very sensitive to any errors in initial conditions or sensors position. In addition, the neglect of liquid water diffusion in the model led to significant underestimates in the relative humidity profiles during the adsorption phase.Dans ce travail de thèse, le transfert hygrothermique dans le béton de bois de palmier dattier (DPC) a été étudié numériquement à l'échelle de la paroi. Dans une première partie, les phénomènes de transferts de chaleur et de masse sont modélisés. Ensuite, l’effet du maillage sur la précision des résultats numériques a été étudié pour les modèles développés. Dans la deuxième partie du travail, les modèles développés ont été validés avec des données expérimentales pour le cas d’un mur en DPC. Les résultats ont montré que les modèles étudiés donnent de bonnes prédictions des profils de température et d’humidité relative. De plus, la prise en compte d’un modèle d’hystérésis permet d’améliorer les résultats du transfert hydrique. L’étude de validation a été suivie par une étude numérique comparative de la performance hygrothermique d’un mur en DPC par rapport à un matériau d’isolation classique. Il a été constaté que le DPC possède de meilleures performances en termes d’isolation et d’inertie thermiques. Dans la dernière partie de ce travail, une étude de sensibilité a été réalisée pour évaluer l’effet des différents paramètres et des conditions sur les résultats du modèle hygrothermique. Les résultats obtenus ont permis de mettre l’accent sur les sources possibles d’erreurs dans les profils numériques. Le transfert de chaleur est influencé par les incertitudes sur les valeurs de la capacité thermique et de la masse volumique tandis que les paramètres qui influent le transfert d'humidité sont l'isotherme de sorption et les facteurs de résistance à la diffusion de vapeur. Par ailleurs, Il a été noté que le transfert d'humidité est très sensible à toute erreur dans les conditions initiales ou la position des capteurs. De plus, La négligence de la diffusion d’eau liquide dans le modèle a conduit à des sous-estimations importantes dans les profils d'humidité relative pendant la phase d'adsorption

Investigation on heat and moisture transfer in bio-based building wall with consideration of the hysteresis effect

International audienceTwo mathematical models describing heat and moisture transfer in porous media were used to predict the hygrothermal behavior of a new type of bio-based materials made of date palm concrete (DPC). The finite element method was used for the resolution of partial differential equations and numerical results were compared to experimental data considering similar conditions of temperature and relative humidity through the DPC wall. At first, a mesh sensitivity analysis was carried out and the optimum mesh configuration was determined. Afterwards, the hysteresis effect was implemented in the models and its influence on the variation of the relative humidity through the wall was discussed. The results revealed that the proposed models globally provided satisfactory results for the DPC wall, with an improved accuracy when considering the hysteresis effect. Finally, a comparison in terms of thermal insulation and moisture buffering capacity between DPC and a classical building material was performed numerically. Results showed that the new bio-based wall is very promising and can contribute to mitigate temperature variation and ensure hydrothermal comfort in buildings

Dataset on the hygrothermal performance of a date palm concrete wall

International audienceThe present data article is concerned with the hygrothermal performance at the wall scale of a new bio-based building material including date palm fibres. A specific test setup allowed to measure temperature and relative humidity (RH) profiles at three different depths of the bio-based wall subjected to outdoor boundary conditions. Besides, a partial differential equations resolution software was then used to solve two mathematical models (i.e., Kunzel and Mendes models) describing heat and moisture transfer in porous building materials. Both experimental/simulated temperature and RH profiles are provided with this dataset article. The proposed experimental setup can be used for studying the hygrothermal performance of different kinds of bio-based building materials at wall scale, while experimental/numerical data can serve as reference values for the validation of mathematical models intended to describe heat and mass transfer

Experimental investigation on hygrothermal performance of a bio-based wall made of cement mortar filled with date palm fibers

International audienceIn the present work, the hygrothermal behavior of a wall structure made of a novel biobased material, i.e. date palm fiber reinforced concrete was investigated. In this context, a specific setup was developed which allows simulating a bi-climatic environment with separate outdoor and indoor environments. This device made it possible to apply various scenarios of static / dynamic hygrothermal loading to the outer side of wall, involving variation/cycling of temperature (T) and /or relative humidity (RH). During these experiments, resulting variations of T and RH across the wall thickness were monitored with in-situ sensors. Outstanding thermo-hygric phenomena were highlighted, such as high coupling effect between heat and moisture transfers, resulting from evaporation-condensation and sorption-desorption processes. Besides, significant thermal and hygric inertia was observed through the Date Palme Concrete (DPC) wall. The response time of this DPC wall to temperature variations remains shorter than in the case of humidity variations. Even so, large damping effect is obtained compared to outdoor boundary conditions, which make this DPC wall a good candidate for mitigating overheating during summertime and reducing interstitial condensation as well

Sensitivity analysis of transient heat and moisture transfer in a bio-based date palm concrete wall

International audienceHygrothermal mathematical models are commonly used to describe heat and moisture transfer in porous and bio-based building construction materials. This allows to evaluate their thermal insulation capacity, as well as their ability to regulate external climatic conditions and ensure indoor comfort for inhabitants. In this paper, a sensitivity analysis is performed on Kunzel's model, while it is applied to simulate the hygrothermal behavior of a wall structure made of a new bio-based building material (cement composite including date palm fibers). In a first part, the effects of finite variations of material properties/boundary conditions on the model's outcome are investigated. In a second step, specific transfer modes are neglected in the model, in order to study their influence on the numerical predictions. The results of this parametric study show that special attention should be paid to few parameters (heat capacity and density for heat transfer, sorption isotherm and water vapor resistance factors for moisture transfer) at the expense of others. Uncertainties on these influent parameters may result in large error accumulation, especially when modeling the moisture transfer process. Furthermore, initial boundary conditions and sensors position appear to be possible sources of discrepancies in the calculated RH profiles. Finally, the pure conduction model is found to provide good estimation of the temperature profiles compared to the full model, whereas liquid transfer must always be taken into account in the model to ensure accurate RH predictions through a bio-based date palm concrete wall