Cette recherche propose une structure et un dictionnaire de données de la conception thermique d'un bâtiment d'habitation. L'analyse qui y est effectuée facilite la tâche des créateurs de logiciels spécifiques aux différents domaines de la conception des bâtiments en les dispensant des analyses séparées et répétées. Ces logiciels se partagent les données, saisies et manipulées une seule fois, et les échangent entre eux sans problèmes de compatibilité. La démarche se résume en quatre points : - L'analyse préliminaire de la conception d'un bâtiment fournit des listes, de phases, de fonctions et tâches, de dossiers et documents, et enfin d'ouvrages, à partir desquelles pourraient être collectées les données. - Cette collecte sera effectuée dans le domaine restreint de la conception thermique, pour permettre une analyse plus détaillée. Celle-ci aboutit, grâce aux méthodes de structuration, à la "structure brute" du premier niveau, qui contient des fichiers, et à la "structure simplifiée" du second niveau, qui contient des structures de données. - La "méta-structure" du troisième niveau contient la totalité des résultats dans le fichier "STRUCTURE" : nomenclature des données classées par types, et le fichier "DICTIONNAIRE" : tous les paramètres des données classées par ordre alphabétique. - L'application est réalisée grâce au fichier "BASE", dont le contenu (identifiants et valeurs des données) est saisi une seule fois par le premier utilisateur. La méthode qui a permis la proposition de ces résultats pour ce domaine restreint reste valable pour les domaines non traités. Le traitement de tous les domaines de la conception d'un bâtiment aboutirait à un système de CAO global.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la caractérisation des transferts de chaleur et de masse dans les parois multicouches des bâtiments à ossature bois. Un code instationnaire permettant de simuler les transferts de chaleur et de masse dans une lame d'air en géométrie bidimensionnelle, qui est un élément de la paroi multicouches, a été développé et validé. Les validations numériques en régimes transitoire et stationnaire ont porté sur la totalité des modes de transfert (conduction, écoulement en convection naturelle et forcée, rayonnement entre surfaces, transfert massique et condensation surfacique). Ensuite, ce code intégrant la présence d'une lame d'air dans la paroi a été couplé au code Transpore développé au LERFOB. Ce dernier traite rigoureusement les transferts dans les matériaux solides hygroscopiques. Pour la validation expérimentale du code complet couplé, une cellule expérimentale a été construite et instrumentée pour étudier le comportement hygrothermique des parois étudiées. Cette cellule, régulée thermiquement et hygroscopiquement en température et en humidité relative, a été mise en place au CRITT BOIS d'Epinal. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques sont également présentées et discutées. De nombreuses campagnes de caractérisation thermique sur divers matériaux (isolants à base de fibres de bois, bois massifs, ...) ont également été menées. L'influence de la température et de l'humidité sur la conductivité thermique et la chaleur spécifique a été largement analysée / This thesis focuses on modeling and characterization of heat and mass transfer in a wooden building envelope. A code which simulates unsteady heat and mass in an air layer in two-dimensional geometry, which is part of the multi-layer wall, was developed and validated. Numerical validations that include all transfer modes were achieved for unsteady and steady states regimes (conduction, convection, surface-to-surface radiation, mass transfer and surface condensation). Then, the code developed for the air layer at the LEMTA was coupled to the code Transpore used at the LERFOB. The latter one deals with the transfer in hygroscopic solid materials. For the experimental validation of the fully coupled code, an experimental cell was constructed and instrumented to study the hygrothermal behavior of the studied walls. This cell which is thermally and hygroscopicly controlled was set up at the CRITT BOIS. Comparisons between the experimental and numerical results are presented and discussed. Besides, several experiments of thermal characterization of various materials (insulators containing wood fibers, solid wood ...) were also conducted. The influence of temperature and moisture on thermal conductivity and specific heat was largely investigated

Cette thèse s'inscrit dans une démarche de maîtrise de l'énergie dans le secteur du bâtiment. Elle a pour but d'utiliser des solutions passives pour atteindre de hautes performances énergétiques. Une des solutions proposée, est l'utilisation de Matériaux à Changements de Phase (MCP) dans les parois. Les matériaux à formes stabilisée solide-liquide, sont utilisés pour stocker l'énergie thermique sous forme de chaleur latente. Le but de l'étude est de mettre en évidence l'impact réel des MCP en terme de complément d'isolation thermique et de proposer un modèle thermique pour prédire son impact sur le champ de température et par conséquent, sur le confort thermique. Une séquence expérimentale en environnement naturel et à grande échelle a été menée à l'île de La Réunion, où le climat est tropical et humide, avec un fort taux d'ensoleillement. Le rayonnement solaire étant important, il est nécessaire de minimiser les sollicitations solaires sur l'ensemble du bâtiment et en particulier la toiture, qui constitue la surface la plus exposée. La présence de lames d'airs au niveau de la toiture, qualifie celle-ci de complexe. Il est alors nécessaire de proposer une modélisation adaptée. Le modèle est couplé à un code de simulation thermique du bâtiment (ISOLAB) et permet de prédire d'une part, les profils de températures de chacune des surfaces constituant l'enveloppe du bâtiment, et d'autre part, d'évaluer l'impact des MCP sur le confort thermique pour différentes configurations. Selon une méthodologie, alliant Modélisation, Expérimentation et Validation (MEV), la démarche a permis de valider l'expérimentation dédiée et d'évaluer la capacité du modèle à prédire l'ensemble des données issues de l'expérimentation. / This Ph.D thesis focusses on energy control in buildings in order to reach high energetic performances by the use of passive means. One of the proposed solution is based on the use of Phase Change Materials (PCMs). Located into walls, PCMs allow to stock thermal energy into latent heat. The aim of the study is thus to put in evidence PCMs actual impacts on the thermal field of a building and its role as thermal insulation. For these considerations, a thermal model has been developed and validated. An experimental device has been set-up for the collection of data in field environment and for a human scale. The measurement sequence has been conducted at Reunion Island, for a hot and humid tropical climate. For the determination of the thermal behaviour of a commplex wall included PCMs, we proposed a generic model, able to predict many configurations. The model has been implemented in a multizone building simulation code (ISOLAB), for the prediction of wall temperature profiles and PCMs impact on the thermal comfort. Following a combined metholodogy, including modelling and experimentation for validation, we were able to validate the model for actual conditions and to evaluate the model's prediction accuracy.

En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment. / Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.

Nous nous sommes intéressés dans ce travail à l’étude du vieillissement physique d’un non-tissé fabriqué à l’aide de fibres textiles issues du recyclage de bouteilles plastiques selon le procédé par voie sèche. L’application de ce non-tissé est l’isolation thermique des bâtiments français. Après avoir mis en évidence la présence de deux réseaux de fibres, nous nous sommes intéressés au phénomène de relaxation structurale. Le vieillissement physique du non-tissé étant régi par l’enrobage d’une des fibres utilisées dans la fabrication de celui-ci, nous avons observé l’évolution de l’enthalpie de relaxation en fonction de différents couples temps de vieillissement, écart de température par rapport à sa température de transition vitreuse. Les résultats ont mis en évidence un état d’avancement du mécanisme de relaxation quasi-nul pour des températures très éloignées de la température de transition vitreuse de l’enrobage. L’évolution de cette même enthalpie de relaxation a été étudiée pour différents non-tissés issus de différents lots de fabrication des cinq dernières années. Il a été mis en évidence un mécanisme de relaxation lent dans les conditions expérimentales nous rassurant quant à la stabilité du produit fini dans le temps. / We focused on physical ageing of a non-woven produced by recycled fibers from plastic bottles. This non-woven is produced by drylaid-textile process and is used for building thermal insulation. Two networks are visible and structural relaxation has been investigated through the study of evolution of one fiber skin part with different couple time, temperature. Physical ageing of polymers can be followed by structural relaxation process. We showed that structural relaxation process is very long for temperatures of use far from glass transition temperature. Same results have been shown on the global non-woven stored in non-insulated box governed by Normandy weather. The combination of the two previous results reinforce our basic idea ; the insulator properties variation will be stable for long time only if temperature of use is far from glass transition temperature.

Depuis 30 ans, les exigences règlementaires en matière d’isolation thermique des bâtiments augmentent sans cesse. Pour mieux isoler, et conserver la surface habitable et la valeur patrimoniale, il est nécessaire d’augmenter les performances des isolants thermiques. Si les meilleurs systèmes classiques d’isolant atteignent désormais des conductivités thermiques proches de 30 mW/(m.K), les matériaux supers isolants à pression atmosphérique affichent moins de 18 mW/(m.K) et sont à base d’aérogels de silice. Cette matière première doit ses excellentes performances thermiques, à d’une part la taille de ces nanopores inférieure à 70nm, et d’autre part leur très forte quantité. Ceci induit par contre de très faibles propriétés mécaniques, les systèmes super isolants formulés avec des aérogels sont donc toujours des composites : empilement granulaire faiblement lianté. Pour développer l’optimisation de ces formulations, il est nécessaire de disposer d’outils de caractérisation microstructurales multiéchelles dédiés aux aérogels et au suivi pas à pas des étapes d’élaboration post synthèse. Ce travail de thèse a pour objectif de les mettre en place et de les valider. Les matériaux supports de cette thèse, sont des aérogels de silice hydrophobes granulaires et deux formulations liantées en phase aqueuse. Ces formulations architecturées, par une faible fraction volumique de liant organique de taille nanométrique, se distinguent par la taille et le type de surfactant employé, et les performances tant thermiques que mécaniques obtenues. Tout d’abord, le réseau poreux de silice à l’échelle nanométrique a été imagé et caractérisé par tomographie électronique. Cette partie vise à fournir une distribution en taille de pores, particules et agrégats, destinée à alimenter des modèles thermo-mécaniques. Dans un second temps, l’empilement granulaire des aérogels non liantés a été étudié par tomographie aux rayons X. Les résultats de compacité, les morphologies des réseaux de pores, et de grains ont été couplés aux mesures de masse volumique et de porosité inter-granulaire afin de dégager un lien entre microstructure de l’empilement granulaire et conductivité thermique mesurée. Enfin, les interactions aérogels de silice/liant sont imagées en utilisant l’ESEM wet-stem. Une méthodologie quantitative permet ensuite de s’assurer que le surfactant employé induit bien d’une part une dispersion homogène des aérogels, et d’autre part un réseau texturé de liant. Pour conclure, les propriétés thermiques et mécaniques sont mesurées sur les composites référence et des composites innovants avec une étude détaillée des microstructures formées en synergie. Des pistes d’optimisation matériau par opacification intra-granulaire des aérogels sont proposées, un nouveau surfactant est infirmé. Les outils développés valident ainsi leur pertinence pour assurer la qualification des futures formulations de matériaux super isolants. / The national objectives on the reduction of the rejections of greenhouse gases bring to the necessity of a thermal renovation for 75 % of the French buildings. As the requirements for old and new buildings increase their standards, design thinner and more efficient insulation materials is of great and increasing interest. New insulating materials with thermal conductivities lower than the still dry air (25 mW / (m. K)), such as based silica xerogel products (15 mW / ( m.K )), recently developed, are an interesting choice to answer those new fonctionnalities. In our study, silica xerogels (porosity > 80 %, specific surface > 600 m ²/g) are available as granular materials and binded stiff composite boards (xerogels / latex). The optimization of these materials requires to understand the link between their microstructure, their thermal conductivity and their mechanical behaviour.

L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C. / Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C.