Transfert Hybrique Défaut d'Enveloppe et Ventilation
Acronyme : THYDEV
Programme : Appel à projets de recherche  - Vers des bâtiments responsables - 2024
Mots-clés : Energie / Qualité de l'air / Urbanisme / Bâtiment
Contexte : Contexte du projet L‘augmentation des performances énergétiques de l’enveloppe exigée par l’évolution des règlementations thermiques a conduit à une réduction de la perméabilité à l’air des bâtiments, ce qui place la gestion de l’humidité au cœur des préoccupations. Les systèmes de ventilation et plus généralement de conditionnement d’air permettent de réduire les quantités d’humidité présentes à l’intérieur des bâtiments. La migration d’humidité dans l’enveloppe du bâtiment reste un sujet important du fait du risque sur la pérennité du bâti. Elle est par ailleurs à l’origine de la réglementation en ventilation. Bien qu’il soit possible d’installer différents systèmes de ventilation (par extraction / insufflation / double flux, globaux ou par zone) ou encore d’installer des systèmes de chauffage et rafraichissement par vecteur air, leur impact sur cette migration n’est pas traité de manière formelle. Le couplage entre la migration d’humidité dans l’enveloppe au travers des défauts d’étanchéité et les systèmes de ventilation n’est que peu documenté dans la littérature et n’est reporté qu’au travers d’approches numériques dont les modèles n’ont que peu ou pas fait l’objet de validation complète. Ainsi, l’établissement de règles constructives reste difficile du fait de ce manque de validation expérimentale sur plusieurs configurations ou matériaux. Le projet THYDEV propose de compléter les recherches actuelles en se focalisant sur le couplage air-masse-chaleur au niveau des défauts d’étanchéité. Il prévoit d’intervenir dans la continuité directe du projet ADEME IVMH (2023-2024) qui s’intéresse au développement du modèle numérique, tandis que cette réponse permettra de le valider expérimentalement sur des typologies réelles. Etat de l’art scientifique et caractère innovant du projet Les différentes évolutions des réglementations sur les exigences d’étanchéité à l’air et d’isolation ont renforcé l’importance de bien étudier les phénomènes de transferts couplés de masse et de chaleur dans l’enveloppe du bâtiment. Plusieurs axes de recherche motivent ou ont motivé ce renforcement. Chacun de ces axes, a permis le développement de plusieurs outils numériques, commerciaux ou non (WUFI, DELPHIN, SYRTHES, BuildingPore) ou l’usage d’environnement de modélisation (COMSOL, MATLAB/SIMULINK). Un premier axe de recherche est lié à la consommation d’énergie du bâtiment, tant sur le rôle des flux de masse et de chaleur couplés sur les consommations énergétiques que sur la définition de solutions pérennes dans la gestion des risques liés à la présence excessive d’humidité (condensation et développement fongique). Les matériaux dits hygroscopiques (i.e. matériaux capables de stocker une quantité d’eau plus importante lorsqu’ils sont en contact d’un air humide et ce dès les plus basses humidités relatives) voient généralement leur conductivité thermique diminuer avec l’élévation de leur teneur en eau. Cet impact était identifié avant que les réglementations ne se durcissent sur l’étanchéité à l’air notamment. Un deuxième axe est lié aux ambiances intérieures et l’effet d’amortissement hygrique que peuvent avoir les matériaux hygroscopiques. Cet amortissement peut jouer un rôle sur le confort et la qualité d’air intérieur, mais également sur la régulation des équipements HVAC du fait d’un déphasage/amortissement des dynamiques d’humidité dans l’air à l’intérieur du bâtiment. Les études précédentes ont, pour beaucoup, reporté des écarts entre les approches numériques et expérimentales. Parmi les origines possibles des écarts, les caractéristiques hygriques ou les lois de comportement des matériaux sont souvent évoquées. Ainsi l’étude à l’échelle du matériau constitue un axe de recherche à part entière. Les récents développements illustrent la complexité des phénomènes d’une part ainsi que la difficulté de leur considération à l’échelle du bâtiment d’autre part. La validation des modèles développés est aussi complexe du fait des constantes de temps différentes entre les phénomènes de transfert de chaleur et de masse. La considération du risque de condensation pour différents types de systèmes de ventilation (donc de conditions en pression), liés à un défaut de perméabilité a récemment fait l’objet d’un projet financé par le programme PROFEEL (Rapport & Synthèse - Impact de la ventilation sur la migration d’humidité dans l’enveloppe 2022). Les équations de transfert de masse et de chaleur couplées ont été intégrées au modèle de mur au sein du code aéraulique nodale MATHIS (Demouge 2018). Un modèle de fuite est ensuite proposé, couplé au modèle de diffusion. Une première validation a été proposée à partir des résultats expérimentaux de (Desta, Langmans, et Roels 2011). Différentes typologies constructives y sont traitées, chacune pour différents systèmes de ventilation. Le risque hygrique est ensuite identifié selon la décroissance de la teneur en eau annuelle ou encore selon l’index VTT pour le développement de moisissure. Un projet finalisé fin 2024 (IVMH) complète cette première approche. Il a pour objectifs d’améliorer le modèle de couplage précédemment proposé et de traiter des typologies constructives plus proches de cas réels de rénovation. Néanmoins, ces travaux, sur le risque de condensation manquent de données expérimentales à l’échelle de l’enveloppe ou de l’assemblage, en environnement contrôlé. C’est le sujet traité dans le cadre du projet THYDEV.
Description : T0 = 1er septembre 2025, date de début du projet. Le programme scientifique s’articule simplement en 5 lots, dont un lot transversal est dédié au management du projet ainsi qu’à la valorisation des résultats et publications scientifiques. Lot 1 : Etat de l’art sur le sujet du couplage chaleur-air-masse (HAM) Une première partie porte sur l’identification des risques associés aux entrées d’air et d’humidité dans une paroi (assemblage de composant/matériaux) et comment ces risques sont évalués. Le projet THYDEV n’ambitionne pas de développer des nouveaux indicateurs de risque, mais une revue des procédures d’évaluation est nécessaire. En outre, une partie de l’analyse portera sur les défauts d’étanchéité à l’air reportés dans la littérature et leurs caractéristiques aérauliques, suivant les typologies constructives, l’âge du bâtiment, etc. Une deuxième partie se focalise sur les approches numériques et expérimentales mises en œuvre/développées dans le cadre de l’étude des échanges HAM couplés à un défaut aéraulique dans l’enveloppe. Bien que la revue des approches numériques puisse s’appuyer sur les résultats des deux précédents projets (AQC et IVMH), une nouvelle lecture reste importante. Elle permet de rebalayer les hypothèses nécessaires à l’implémentation d’approches numériques et ainsi d’identifier les points clés sur lesquels une attention particulière devra être apportée au cours du projet sur le développement des dispositifs expérimentaux. Productions attendues : rapport ou article(s) scientifique(s) présentant de manière globale ou individuelle les différentes revues réalisées dans ce lot : revue sur les indicateurs de risque, sur les approches numériques et sur les dispositifs expérimentaux Planning : T0 à T0+12 mois Lot 2 : Définition des protocoles / méthodologie et des typologies étudiées Ce lot consiste en la définition des protocoles et moyens nécessaires à la réalisation des configurations expérimentales, ainsi qu’en la définition des typologies étudiées/reproduites aux deux échelles dans le lot 3. Une première tâche (2.1) consiste en l’établissement des limites et possibilités des expérimentations et de l’instrumentation nécessaire à la validation des modèles numériques ensuite. Une seconde tâche (2.2) permet de définir les configurations qui seront déployées aux deux échelles expérimentales. Les typologies constructives d’une part puis les typologies de fuite aéraulique d’autre part seront définies et leur qualification possible, dans le cadre des limites définies dans la tâche 2.1. Des configurations de bases seront également identifiées de manière à permettre une validation des modèles numériques par étape et/ou par type de transfert dominant. Le choix des matériaux, pour les deux échelles, est très important. Il doit être représentatif des réalités constructives mais également au regard des comportements hygroscopiques et de la disponibilité des données d’entrée. Des campagnes expérimentales de qualification ne sont pas envisagées dans ce projet. Ainsi, les caractéristiques nécessaires aux modèles seront tirées de la littérature. Cet aspect peut limiter les matériaux considérés dans les expérimentations. Productions attendues : rapport ou article(s) scientifique(s) sur la méthodologie à mettre en œuvre aux deux échelles, les typologies et conditions limites mise en œuvre dans le lot 3 ainsi que les variables locales et globales utilisées dans le lot 4 sur la validation des modèles numériques. Planning : T0+6 à T0+18 mois Lot 3 : Réalisation des expérimentations L’objectif de ce lot est la génération de données expérimentales sur les échanges hygrothermiques ayant lieu à l’intérieur d’un défaut d’étanchéité à l’air, entre l’air humide intérieur et les composants de l’enveloppe, dans le cas d’une construction réelle ainsi qu’à l’échelle laboratoire. Ces données permettront non seulement de quantifier les sources d’humidité potentielles à l’intérieur de l’enveloppe avec les risques associés, mais serviront également à valider le modèle numérique de couplage HAM développé dans le projet IVMH. Les données générées pourront également servir à d’autres équipes pour la confrontation des futurs développements numériques dans la communauté. Deux tâches sont définies dans ce lot. Une première relative à la mise en situation dans une construction réelle, échelle 1:1, sur la plateforme INCAS du CEA et une autre, en laboratoire au sein du CSTB. Dans la première tâche (3.1), le CEA utilise sa plateforme expérimentale en climat extérieur. Dans une paroi existante, un défaut d’étanchéité à l’air est généré artificiellement et caractérisé (porte soufflante, gaz traceur…). Un système de ventilation est utilisé pour maintenir un niveau de pression entre l’intérieur et l’extérieur représentatif d’une construction réelle, il pourra être piloté pour représenter des dynamiques réalistes ou par palier de manière à contrôler les conditions limites en pression en face intérieur. Si nécessaire, une simulation d’occupation sera envisagée. Ce défaut est instrumenté (température, humidité, flux de chaleur) de manière à permettre le suivi dans la durée de l’impact hygrothermique (risque de condensation notamment) de ce défaut. Des mesures sont également réalisées à distance du défaut, afin de comparer les comportements en présence ou absence de défaut, mais aussi de valider/conforter les modèles hors défaut (lot 4). En outre, les données climatiques intérieures et extérieures sont enregistrées, ainsi que la pression différentielle sur la paroi étudiée, afin de fournir toutes les données nécessaires à la validation des modèles (lot 4). La seconde tâche (3.2) consiste en la réalisation d’essais de courte durée (quelques jours à quelques semaines) dans des conditions de température, humidité et pression contrôlées. Des conditions stables comme dynamiques pourront être reproduites. Les typologies et instrumentation définies dans le lot 2 sont mises en œuvre. Des configurations plus complexes pourront également être testées, toujours à faible échelle. Productions attendues : rapport ou article(s) scientifique(s) sur les expérimentations mises en œuvre et leur instrumentation. Les expérimentations et leurs données pourront être mise en forme pour une exploitation libre par la communauté. Planning : T0+8 à T0+31 mois Lot 4 : Confrontation numérique /expérimental L’objectif de ce lot est la confrontation numérique et le calage des modèles sur les différentes typologies, puis l’identification des défauts/manquements sur les hypothèses des modèles/conditions limites /caractérisation des matériaux. La première tâche (4.1) cible l'échelle laboratoire . Sur un certain nombre de configurations testées expérimentalement à l’échelle laboratoire, un ou plusieurs modèle(s) de la littérature (type air infiltration/WUFI ou air convection/DELPHIN) est(sont) confronté(s) au modèle développé dans MATHIS (projet AQC/PROFEEL et ADEME/IVMH). Une analyse d’incertitude de mesure est également considérée dans la confrontation aux résultats numériques. Les variables de température et d’humidité relative ou teneur en eau sont considérées systématiquement dans les confrontations. Les expérimentations plus complexes ne sont ensuite analysées qu’à l’aide des nouvelles approches numériques de couplage HAM sur des défauts de perméabilité à l’air. La seconde tâche (4.2) est consacrée à l'échelle 1:1. Le travail consiste en une modélisation des configurations testées expérimentalement en situation réelle sur la plateforme du CEA et à comparer les résultats de calculs aux résultats de mesures. Les incertitudes de mesure sont également intégrées et notamment du fait de conditions limites non maitrisées en face extérieure. Productions attendues : rapport(s) ou article(s) scientifique(s) sur la confrontation des modèles numériques avec les différentes configurations expérimentales mise en oeuvre dans le lot 3 Planning : T0+18 à T+36 mois Lot 5 : Coordination – management et valorisation Des sessions de travail et de restitution sont organisées selon une périodicité à définir par le coordinateur avec l’ensemble des participants. Ces réunions sont suivies par la production d’un compte rendu et d’un relevé de décision auxquels seront joints les documents de travail communiqués et produits par les différents partenaires. Planning : T0 à T0+36mois
Objectifs et résultats attendus : Objectifs scientifiques et techniques Les objectifs scientifiques et techniques sont : D’accroitre la connaissance sur le couplage des fuites d’air avec les équipements du bâtiment sur le risque de condensation et de développement des moisissures dans l’enveloppe ; Confronter le modèle couplé HAM développé dans le cadre du projet ADEME IVMH à des données expérimentales collectées dans des conditions contrôlées afin d’améliorer leur fiabilité ; Utiliser le modèle numérique afin d’établir des préconisations sur le risque de certains couplages matériaux et/ou de mettre à disposition de la communauté des modèles permettant d’étudier des configurations variées de typologies constructives ; De construire une base de données expérimentales utile à la communauté pour confronter les futurs modèles numériques. Objectifs socioéconomiques et réglementaires Les travaux menés à bien dans ce projet permettront d’affiner et de valider pleinement les classifications des risques d’accumulation d’humidité sur des couplages de système de ventilation / typologie constructive proposées dans les projets ADEME/IVMH et AQC/PROFEEL. Cette classification constitue ensuite une base pour des recommandations futures, réglementaires ou incitatives, sur l’association des systèmes de ventilation et des procédés constructifs. Objectifs environnementaux D’après le rapport annuel du dispositif Sycodés de l’AQC, l’humidité est responsable de près des deux tiers des sinistres déclarés. Les effets néfastes d’une humidité excessive de l’air intérieure sur le confort et la santé des occupants ne font également plus de doute. La gestion de l’humidité intérieur des logements est un enjeu majeur afin de garantir la pérennité du bâtiment. D’autre part l’optimisation des transferts d’air, d’humidité et de chaleur, grâce à une bonne adéquation entre le système de ventilation et les dispositifs constructifs, constitue un levier important de maitrise de la performance énergétique des bâtiments. Les résultats du projet permettront d’améliorer la fiabilité et la durabilité de l’enveloppe des bâtiments, en particulier dans le cas de la rénovation. En effet, dans un certain nombre de configurations, le risque hygrothermique (condensation, dégradation de la paroi) est un frein à la prise de décision. Dans un contexte où la massification des actions de rénovation est nécessaire pour atteindre les objectifs environnementaux, l’amélioration des connaissances sur ces couplages est primordiale.
Bénéficiaire : CTRE SCIENTIFIQUE TECHNIQUE DU BATIMENT
Localisation : Champs-sur-Marne, Île-de-France, FRANCE
Début : 01/09/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 295444.9 € — Aide ADEME : 295444.9 €
Statut : Suivi du projet