Chapitre I : Contexte et état de l’art des matériaux biosourcés
V. Sollicitations cycliques
V.3. Sollicitation dynamique en température et en humidité
Le but principal de cette partie est d’étudier le comportement hygrothermique du mur en DPC sous des conditions réelles. Pour cela, nous avons appliqué des variations de température et d’humidité notée comme test N°5 dans le tableau IV-1. Pour ce test, la température et l’HR sont réglés respectivement à 40 °C et 33% pendant une durée de 12h, puis passeront respectivement à 18°C et 75% pendant 12h. Le cycle en question dure pendant 24h, puis répété sur une période de presque deux semaines. Les figures IV-19 et IV-20 présentent respectivement les variations en humidité et en température appliquées ainsi que la réponse de mur en humidité relative pour différentes profondeurs.
Comme indiqué précédemment, le profil de température dans le présent cas est similaire à ceux obtenus dans les deux sections précédentes.
La variation de température dans le mur en DPC suit l’allure de la consigne en T, avec un facteur d'amortissement et un déphasage important. Par rapport aux consignes de T, le facteur d’amortissement est de 6,5 °C. Ces résultats sont obtenus grâce à la faible conductivité thermique du DPC, qui atténue les pics de température venant de l’extérieur, ce qui peut être avantageux en été afin d’éviter la surchauffe.
De plus, la cinétique d’HR indique que le mur n'est pas affecté par les valeurs de consigne d'humidité, de même que les variations restent relativement stables autour de la valeur de départ 50%. Ces résultats sont conformes à ceux obtenus dans le tableau III-8 du chapitre III. Ou la profondeur de pénétration est estimé inférieure à 3,5 cm. En revanche, cela n’a pas empêché les phénomènes d’évaporation et de condensation, qui se produisent lors de l’augmentation et de la diminution de la température. Le suivie de la température et de l’humidité au sein de la paroi DPC montre que l'augmentation/diminution de la température s’accompagne par une augmentation/diminution local de l'humidité relative.
Chapitre IV Étude expérimentale de comportement hygrothermique à l’échelle de la paroi
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Figure IV-19 : Profil de température sous des conditions dynamiques de T et d’HR.
Dans ce dernier cas (Test N°5), nous avons étudié simultanément les transferts de chaleur et de masse sous des gradients thermiques et hydriques, la cinétique de température et d'humidité étant discutées dans le paragraphe précédent.
La cinétique de la pression de vapeur montre des valeurs plus élevées que les valeurs à l’extérieur telles qu’elles sont présentées dans la figure IV-21. La pression de vapeur augmente avec l’augmentation de la température dans le mur jusqu’atteindre la valeur extérieure, et la modification de la consigne de température augmente encore la pression de vapeur dans le mur. Au milieu de la paroi (à 7,5 cm de profondeur), on note une augmentation de 20% indépendante des conditions aux limites mais probablement liée aux phénomènes de diffusion de vapeur induites par le transfert de chaleur. Les mêmes observations sont rapportées par Colle et al. [8], où ils mettent en évidence les échanges thermiques d'adsorption et de désorption simultanément au transfert de chaleur.
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Figure IV-20 : Profile d’humidité sous des conditions dynamiques de température et
d’humidité
Figure IV-21 : Distribution de pression de vapeur sous des conditions dynamiques de
Chapitre IV Étude expérimentale de comportement hygrothermique à l’échelle de la paroi
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VI. Conclusion
Dans le présent chapitre, le comportement hygrothermique d'un nouveau béton biosourcé à base de fibres de bois palmier dattier a été étudié à l'échelle paroi. Plusieurs tests avec des scénarios dynamiques et statiques ont été menés dans des conditions environnementales contrôlées pour évaluer la réponse hygrothermique de cette paroi biosourcée en DPC.
Les résultats ont montré que ce matériau possède une performance hygrothermique intéressante grâce à la présence des fibres de bois palmier dattier permettant à modérer les variations de l'humidité relative extérieures.
En outre, le mur en DPC peut également contribuer à atténuer et à amortir les variations de température extérieure, notamment en été, pour éviter le surchauffement de l’habitat. De plus, le DPC présente une très bonne performance hygrothermique, ce qui le rend idéal pour des applications d'isolation thermique et la régulation hydrique à l'intérieur des bâtiments. Le couplage entre transfert de chaleur et de masse est également discuté et les résultats montrent l’existence d’un couplage élevé entre le transfert de chaleur et de masse, en particulier l’effet du transfert de chaleur sur le comportement hygrique.
Chapitre IV Étude expérimentale de comportement hygrothermique à l’échelle de la paroi
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124
[14] N. Chennouf, B. Agoudjil, T. Alioua, A. Boudenne, K. Benzarti, Experimental investigation on hygrothermal performance of a bio-based wall made of cement mortar filled with date palm fibers, Energy and Building, In press.
Conclusion générale et
perspectives
Conclusion générale et perceptives
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Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la résolution de la problématique énergétique et en réponse aux préoccupations environnementales. Les travaux de cette thèse ont contribué à mieux appréhender la description du comportement hygrothermique du béton à base de bois de palmier dattier « DPC ». Cette étude est réalisée sur deux niveaux : en premier, au niveau du matériau avec la caractérisation des propriétés hygrothermiques et en second, au niveau de la paroi avec des essais dans une enceinte climatique.
A l’échelle du matériau, nous nous sommes intéressés à la fois à l’effet de la température et le phénomène d’hystérésis sur le processus de sorption dans DPC. Dans un premier temps, une étude a été réalisée dans des conditions statiques pour caractériser le comportement isotherme de sorption ainsi que l'effet hystérétique. Il a été constaté que: (i) le DPC présente une capacité hydrique importante, (ii) la courbe isotherme de sorption peut être ajustée de manière satisfaisante à l'aide du modèle GAB, (iii) un effet d'hystérésis important se produit entre les phases d’adsorption-désorption. Dans une seconde étape, des conditions dynamiques ont été utilisées pour étudier la capacité du DPC à modérer les variations d'humidité externes. Le MBV du DPC est de 2,97 g / (m2.%.HR), selon le protocole Nordtest, ce matériau est classé comme un excellent régulateur d'humidité. De plus, il a été démontré que la température a un impact important sur le comportement hydrique du DPC. Enfin, la profondeur de pénétration de l'humidité a été estimée à 35 mm, à cette profondeur, les échantillons de DPC ne sont que faiblement affectés par les variations externes d'humidité relative selon le protocole Nordtest.
A l’échelle de la paroi, des essais ont été réalisés dans une enceinte climatique où différentes sollicitations en température et en humidité sont appliquées. Premièrement, des essais à des conditions statiques sont effectués :
➢ Essais à 40°C et 50% d’humidité pour plusieurs jours ;
➢ Essais d’adsorption à 75% pour plusieurs jours puis de désorption à 33% pour plusieurs jours.
Dans une seconde étape, des conditions estivales avec des sollicitations en créneau ont été imposés (18°C/40°C, 50% d’humidité) puis le même créneau en température a été répété à humidité libre. Finalement, des sollicitations en créneau d’humidité et de température (18°/40°C, 75%/33%) ont été appliqués.
Conclusion générale et perceptives
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Dans cette partie, les conditions de température et d’humidité relative dans les ambiances et dans le mur ont été suivies par quatre capteurs hygrothermiques.
Les résultats ont montré que ce matériau possède une performance hygrothermique importante grâce aux fibres de palmier dattier, qui peuvent contribuer à modérer les variations d’humidité relative. De même, le DPC démontre une bonne inertie thermique en se référant au déphasage et facteurs d’amortissement calculés dans le dernier chapitre de cette thèse.
En outre, cette étude montre que le mur en DPC peut également contribuer à atténuer et à amortir les variations de température et d’humidité extérieure; notamment en été afin d’éviter le surchauffe a l’intérieure de l’habitat. De ce fait, le DPC semble être très prometteur pour les applications d'isolation thermique et de la régulation hydrique à l'intérieur des bâtiments. En conclusion, le DPC est très recommandé pour les applications de construction en se référant aux excellentes propriétés hygrothermiques étudiées dans cette thèse.
Perspectives
Cette étude ouvre de nombreuses perspectives :
Les protocoles de mesure des propriétés hygrothermiques peuvent affecter les résultats mesurés dans le cas des matériaux biosourcés. Parmi les paramètres influençant les mesures, il serait intéressant d’approfondir la dépendance en température dans l’étude de la courbe de sorption, ainsi que les courbes intermédiaires de sorption pour pouvoir prendre en compte éventuellement le phénomène d’hystérésis dans la modélisation numérique et ainsi s’approcher des conditions réelles.
Par ailleurs, le modèle utilisé pour obtenir la perméabilité humide repose sur la séparation des contributions vapeur et liquide (coefficient de transfert liquide proposé en 1995 par Künzel). La méthode d’évaluation à partir des mesures de perméabilité peut être approfondie, en obtenant expérimentalement des points de mesure à différentes humidités relatives.
Les paramètres déterminés à l’échelle matériau peuvent servir également à la simulation numérique à grande échelle, en les introduisant dans des modèles mathématiques décrivant le transfert couplé de chaleur et de masse dans les matériaux biosourcés.
Conclusion générale et perceptives
128
Dans le contexte de développement du DPC, avec une étude à l’échelle bâtiment permettra sans doute de mettre en évidence la performance de ce matériau en termes de réduction de la consommation énergétique.
Annexe : Calculs
d’incertitudes
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Erreur sur le calcul de la perméabilité
𝛿 = 𝐺. 𝑒 ∆𝑃𝑣𝐴 𝜗𝛿 = √((𝜕𝛿 𝜕𝐺) 2 × 𝜗𝐺2) + ((𝜕𝛿 𝜕𝑒) 2 × 𝜗𝑒2) + ((𝜕𝛿 𝜕𝐴) 2 × 𝜗𝐴2) + (( 𝜕𝛿 𝜕∆𝑃𝑣) 2 × 𝜗∆𝑝𝑣2) 𝜕𝛿 𝜕𝐺= 𝑒 ∆𝑝𝑣× 𝐴 𝜕𝛿 𝜕𝑒 = 𝐺 ∆𝑝𝑣× 𝐴 𝜕𝛿 𝜕∆𝑃𝑉= − 𝑒 × 𝐺 (∆𝑝𝑣)2× 𝐴 𝜕𝛿 𝜕𝐴= − 𝑒 × 𝐺 ∆𝑝𝑣× 𝐴2 𝜗𝛿 = √(( 𝑒 ∆𝑝𝑣×𝐴)2× 𝜗𝐺2) + (( 𝐺 ∆𝑝𝑣×𝐴)2× 𝜗𝑒2) + ((− 𝑒×𝐺 ∆𝑝𝑣×𝐴2)2× 𝜗𝐴2) + (( − 𝑒×𝐺 (∆𝑝𝑣)2×𝐴)2× 𝜗∆𝑝𝑣2)
Calcule des incertitudes : 𝜗𝐺, 𝜗𝑒, 𝜗𝐴, 𝜗𝑝𝑣:
𝐺 =∆𝑚 ∆𝑡 𝜗𝐺 = √((𝜕𝐺 𝜕𝑚) 2 × 𝜗∆𝑚2) + ((𝜕𝐺 𝜕𝑡) 2 × 𝜗∆𝑡2) 𝜕𝐺 𝜕𝑚= 1 ∆t 𝜕𝐺 𝜕𝑡 = −∆𝑚 ∆𝑡2 𝜗𝐺 = √((1 ∆t ) 2 × 𝜗∆𝑚2) + ((−∆𝑚 ∆𝑡2 ) 2 × 𝜗∆𝑡2)
131 𝑝𝑣= 𝑅𝐻𝑒𝑥𝑝(23.5771 − ( 4042.9 𝑇 − 37.58)) 𝜗𝑝𝑣= √((𝜕𝑝𝑣 𝜕𝐻𝑅) 2 × 𝜗𝐻𝑅2) + ((𝜕𝑝𝑣 𝜕𝑇) 2 × 𝜗𝑇2) 𝜕𝑝𝑣 𝜕𝐻𝑅= 𝑒𝑥𝑝(23.5771 − ( 4042.9 𝑇 − 37.58)) 𝜕𝑝𝑣 𝜕𝑇 = 4042.9 × 𝑅𝐻𝑒𝑥𝑝(23.5771 − (𝑇 − 37.584042.9 )) (𝑇 − 37.58)2 𝜗𝑝𝑣= √((𝑒𝑥𝑝(23.5771 − (4042.9 𝑇−37.58)))2× 𝜗𝐻𝑅2) + ((4042.9×𝑅𝐻𝑒𝑥𝑝(23.5771−( 4042.9 𝑇−37.58)) (𝑇−37.58)2 ) 2 × 𝜗𝑇2) 𝜗𝐴 = (𝜗𝑙 𝑙 + 𝜗𝐿 𝐿) × 𝐴
En remplaçant dans l’équation 2 :
𝜗𝛿 = √ ((∆𝑝𝑒 𝑣×𝐴)2× (((∆t1 )2× 𝜗∆𝑚2) + ((−∆𝑚∆𝑡2 )2× 𝜗∆𝑡2))) + ((∆𝑝𝐺 𝑣×𝐴)2× 𝜗𝑒2) + ((− 𝑒×𝐺 ∆𝑝𝑣×𝐴2)2× 𝜗𝐴2) + ( ( − 𝑒×𝐺 (∆𝑝𝑣)2×𝐴)2× ( ((exp (23.5771 − (𝑇−37.584042.9))) 2 × 𝜗𝐻𝑅2) + ((4042.9×𝑅𝐻𝑒𝑥𝑝(23.5771−( 4042.9 𝑇−37.58)) (𝑇−37.58)2 ) 2 × 𝜗𝑇2) ))
Table 1: Valeurs de la perméabilité avec calcul d’incertitude.
δ
[kg/ (m s Pa)] ×10-11
Coupelle sèche Coupelle humide
Titre du mémoire : Phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans les composites de palmier
dattier : comportement sous sollicitations dynamiques
Auteur : CHENNOUF Nawal
Mots clés : Bois de palmier dattier, transfert de chaleur et de masse, matériaux biosourcés,
sollicitation dynamique.
Résumé
Promouvoir le béton à base de bois de palmier dattier (DPC) dans la construction neuve et dans la rénovation des bâtiments existants nécessite en premier lieu une caractérisation complète de son comportement hygrothermique à multi échelle (matériau, paroi et bâtiment). Dans ce travail de thèse, le comportement hygrothermique du béton de bois de palmier dattier a été étudié expérimentalement à l'échelle matériau, puis à l'échelle mur. Dans une première partie, les isothermes d’adsorption-désorption ainsi que l’effet d’hystérésis du DPC ont été caractérisés dans des conditions statiques. Les résultats recueillis ont révélé une capacité hydrique élevée de ce matériau par rapport à d’autres matériaux de construction. Par ailleurs, la valeur du tampon hydrique et l'effet de la température sur les cycles successifs d'adsorption / désorption ont également été évalués dans des conditions dynamiques. Il a été constaté que le processus de sorption est fortement affecté par la variation de la température. Les résultats obtenus ont permis de classer le DPC comme un matériau hygroscopique possédant une excellente capacité de régulation d’humidité. Dans la deuxième partie de la thèse, le comportement hygrothermique d’un mur en DPC a été étudié expérimentalement à l’aide d’une chambre climatique. Plusieurs scénarios de variations de température et d'humidité relative ont été appliqués sur une seule face du mur. Les variations de la température et de l’humidité à différentes profondeurs de la paroi ont été mesurées à l'aide de capteurs. Plusieurs phénomènes thermo-hydriques ont été mis en évidence tels que l'effet du couplage de transfert de chaleur et d'humidité relatif aux phénomènes d'évaporation-condensation et d’adsorption-désorption. En outre, une inertie thermique et hydrique importante a été observée à travers le mur de DPC, ce qui permet de limiter la surchauffe et de réduire la condensation interstitielle pour des constructions durables.
Title: Phenomena of heat and mass transfer in date palm composites: behavior under dynamic solicitations Keywords: Date palm wood, heat and mass transfer, biosourced materials, dynamic solicitation.
Abstract
Promoting the date palm concrete in new constructions and renovating buildings requires a full hygrothermal characterization at several scales (material, wall and building). In this thesis, the hygrothermal behavior of date palm concrete was experimentally investigated, firstly at material scale then at wall scale. In the first part, the adsorption-desorption isotherms and the hysteresis effect of DPC were characterized under static conditions. The results revealed a high hygric capacity for this material compared with other classical building materials. The moisture buffer value and the effect of temperature on successive adsorption/desorption cycles were also assessed under dynamic conditions. It was found that the sorption process is highly affected by the temperature. Furthermore, this bio-based mortar was classified as hygroscopic and breathable material with excellent moisture buffer capacity. In the second part of the thesis, we have experimentally investigated the hygrothermal behavior at wall scale. The investigation was performed using a climatic chamber where the variation of temperature and relative humidity were applied on one side of the wall. These both parameters were measured at different depths of the biobased wall using sensors. Several thermo-hygric phenomena were highlighted such as the high coupling effect between the heat and moisture transfer due to the evaporation-condensation and adsorption-desorption phenomena. Besides, significant thermal and hygric inertia was observed through the DPC wall which allows mitigating overheating and reducing interstitial condensation for sustainable constructions.