Academic literature on the topic 'Constructions – Isolation thermique – Effets du climat'

Dans le contexte du réchauffement climatique, les événements climatiques extrêmes tels que les canicules seront plus longs, plus fréquents et plus intenses. Ces canicules sont amplifiées en ville par le phénomène d'îlot de chaleur urbain et risquent d’impacter une majorité de la population mondiale puisque plus de la moitié des humains sur Terre vivent dans des zones urbaines, avec une augmentation au cours des dernières décennies. Par ailleurs, en Europe les bâtiments résidentiels sont actuellement très peu équipés de systèmes de climatisation et les avantages sociaux d'une augmentation du taux de pénétration des systèmes de climatisation sont discutables. Une majorité d’humain risque donc d’être vulnérable face aux canicules à venir. Ce constat révèle la nécessité de répondre à la problématique suivante : comment évaluer les performances des bâtiments résidentiels urbains passifs pendant les canicules attendues durant les décennies à venir ? Cette thèse a consisté à définir les différents éléments d’un protocole d’évaluation permettant de répondre à cette problématique. Tout d’abord des outils de simulations pertinents ont été définis. Ces outils ont été confrontés avec des mesures in-situ réalisées à Lyon pendant l’été 2020. La confrontation révèle que les outils modélisent avec précision les ambiances thermiques intérieures des bâtiments résidentiels urbains passifs. Ensuite une méthodologie a été développée pour constituer des jeux de données météorologiques de canicules, qui soient représentatifs de la diversité des canicules que pourraient subir les bâtiments durant les décennies à venir. Des travaux de recensement bibliographiques ont été menés afin d’identifier des indicateurs pertinents pour évaluer la sensation de chaleur dans les ambiances intérieures des bâtiments. Pour finir, le protocole d’évaluation a été testé pour 4 cas d’étude situés dans la ville de Lyon. Les résultats montrent que les performances des bâtiments sont variées vis-à-vis de la diversité des canicules à venir. Certaines canicules sont problématiques puisqu’elles entraînent des sensations thermiques extrêmes à l’intérieur des bâtiments. Pour d’autres canicules, les bâtiments testés sont toujours capables d’offrir des ambiances intérieures saines
In the context of global warming, extreme weather events such as heatwaves will be longer, more frequent and more intense. These heatwaves are amplified in cities by the urban heat island phenomenon and are likely to affect a majority of the world's population since more than half of the world's people live in urban areas, with an increase in recent decades. Furthermore, residential buildings in Europe are currently very poorly equipped with air conditioning systems and the social benefits of increasing the penetration rate of air conditioning systems are questionable. A majority of people are therefore likely to be vulnerable to future heat waves. This observation reveals the need to address the following problem: how to assess the performance of passive urban residential buildings during the heatwaves expected in the coming decades? This thesis consisted in defining the different elements of an evaluation protocol to answer this problem. First of all, relevant simulation tools were defined. These tools were compared with in-situ measurements carried out in Lyon during the summer of 2020. The comparison reveals that the tools accurately model the indoor thermal environments of passive urban residential buildings. A methodology was then developed to create heatwave meteorological data sets that are representative of the diversity of heatwaves that buildings could experience in the coming decades. Bibliographic research was carried out to identify relevant indicators for assessing the sensation of heat in the indoor environment of buildings. Finally, the evaluation protocol was tested for 4 case studies located in the city of Lyon. The results show that building performances are varied with respect to the diversity of future heatwaves. Some heatwaves are problematic as they lead to extreme thermal sensations inside the buildings. For other heatwaves, the buildings tested are still able to provide healthy indoor environments

Ces travaux traitent d'un type particulier de parois complexes, incluant des produits minces réfléchissants (PMR). Ils sont utilisés en isolation thermique des bâtiments en raison de leurs faces réfléchissantes. Cependant, compte tenu de leur constitution, ils ne sont pas tous définis comme des isolants thermiques (norme NF-P-75-101), ce qui les exclut des procédures de certification. Leur mise en oeuvre nécessite des lames d'air, ce qui génére des transferts énergétiques couplés. La problématique des PMR est ainsi double, réglementaire et scientifique. Pour y répondre, une méthodologie en deux volets est proposée. Le premier consiste en la détermination expérimentale des caractéristiques thermiques de toitures complexes ; le second traite de la modélisation d'une toiture complexe au départ d'un code de calcul dédié. Les deux volets sont conciliés dans une démarche de validation expérimentale, menant à l'évaluation de la fiabilité des prédictions du code de calcul.

La conception bioclimatique des enveloppes des bâtiments s'intègre dans une démarche de maîtrise de l'énergie et constitue de ce fait un enjeu primordial. Elle nécessite la connaissance des performances énergétiques des composants d'enveloppe et des systèmes associés et doit permettre d'éviter le recours à des dispositifs de chauffage ou de refroidissement, forts consommateurs d'énergie. Dans ce cadre, les technologies passives sont tout à fait indiquées, dans la mesure où elles permettent de réguler les conditions d'ambiance en utilisant des moyens naturels, sans apport énergétique supplémentaire. Les parois complexes en sont un exemple, et se présentent sous la forme d'une juxtaposition de matériaux,séparés par une ou des lames d'air. Nous nous intéressons dans ces travaux à un type particulier de paroi complexe,incluant un produit mince réfléchissant (PMR). Ces derniers sont utilisés en solation thermique des bâtiments et se présentent sous la forme de minces membranes dont les faces sont recouvertes d'aluminium. Compte-tenu de leurs propriétés thermophysiques et de leur épaisseur, ces produits n'entrent pas tous dans la définition des isolants thermiques, selon la norme NF-P-75-101. Le principale conséquence qui en découle est que leurs performances thermiques ne sont pas certifiées par les organismes de référence. En outre, leur mise en oeuvre dans une paroi nécessite la présence d'une ou plusieurs lames d'air, contiguës aux faces réfléchissantes. La paroi ainsi constituée est une paroi complexe, siège de transferts énergétiques couplés. Afin de cerner le comportement thermique d'une telle paroi, il est nécessaire de proposer une modélisation adaptée. Les remarques précédentes illustrent la double problématique des PMR, l'une à caractère réglementaire, l'autre à caractère scientifique. Afin d'apporter des éléments de réponse, une méthodologie en deux volets est proposée. Le premier est expérimental et consiste en la détermination des caractéristiques thermiques de toitures complexes intégrant des PMR, au départ d'une plate-forme expérimentale en environnement naturel ; le second traite de la modélisation d'une toiture complexe au départ d'un prototype de code de calcul dédié, s'apparentant à un code de simulation du comportement énergétique des bâtiments. Les deux volets sont conciliés dans une démarche de validation expérimentale, menant à l'évaluation des prédictions du code de calcul relativement à des données issues d'expérimentations.

L'objectif majeur de cette recherche est de tracer les orientations necessaires pour une reglementation thermique de l'habitat en climat mediterraneen. Au cours de ce travail, nous avons etudie les caracteristiques thermophysiques et mecaniques des materiaux de construction tels que les enduits, mortiers, revetements de facades mis en uvre dans les pays du moyen-orient. Les differentes valeurs de conductivite et diffusivite thermique ainsi que la resistance a la compression de ces materiaux ont ete presentees en fonction des parametres suivants: teneur en eau, masse volumique, taux de gachage et pourcentage d'ajout present dans le liant. L'application pratique de ces resultats dans la modelisation thermique des parois opaques du batiment nous a permis de definir les resistances thermiques adaptees pour maintenir les conditions de confort dans les differentes zones climatiques de la region consideree. En se basant sur ces resultats, nous avons suggere des recommandations pour la construction dans ces pays pouvant deboucher sur des solutions architecturales assurant un meilleur compromis entre les exigences thermique, mecanique et economique

L'expérience réalisée de l'hiver 2003-2004 à l'été 2005 sur l'utilisation de mousse liquide comme matériau de couverture de serre a permis de démontrer l'efficacité de la technologie comme isolation thermique en hiver et comme écran solaire en période estivale. Deux expériences comparatives sur une période de deux ans ont été effectuées dans des serres de recherche. Une serre expérimentale (S.Exp.) équipée d'un système d'injection de mousse et une serre référence (S.Réf.), sur le campus de l'Université Laval à Québec ont servi aux expérimentations. Les résultats de cette étude démontrent qu'il est possible de réduire la consommation d'énergie de l'ordre de 40 % à 60 % en période hivernale et qu'il est possible de diminuer la pénétration d'énergie solaire de l'ordre de 10 % à 30 % en période estivale en plus de réduire la température de l'air de l'ordre de 4,0 °C. De plus, la mousse liquide réfléchissait une partie de l'éclairage artificiel et augmentait la lumière totale utile pour la croissance des plants de tomates.

Notre étude menée dans l’EcoQuartier (EQ) de la Ravine Blanche, à La Réunion, souligne que les indicateurs développés dans la méthode nationale d’évaluation ne sont pas tous adaptés à notre contexte en milieu tropical. Cette thèse démontre qu’un indicateur de performance des bâtiments basé sur un niveau de confort thermique semble plus adapté en milieu tropical que le strict indicateur énergétique. Une revue de littérature portant sur les différents indices développés afin de quantifier le confort thermique en extérieur a donc été réalisée et nous a permis de porter notre choix sur deux indices pertinents : la PET et l’UTCI. Le confort thermique en milieu urbain tropical est fortement affecté par la température radiante moyenne extérieure (Tmrt), qui est un paramètre physique difficilement caractérisable, aussi bien en termes de mesures que de modélisation et, qui est essentielle au calcul des indices de confort PET et UTCI. Une expérimentation basée sur une méthode de mesure existante permettant d’estimer Tmrt est mise en œuvre. Cette thèse propose également une méthodologie reproductible se basant sur des mesures microclimatiques combinées à des enquêtes de terrain. Une évaluation de la perception du confort thermique des usagers a été menée dans un espace urbain de l’EQ de la Ravine Blanche, avec la problématique du confort d’été. De plus, une comparaison entre différentes méthodes de mesure de la Tmrt (globe noir et globe gris) montre que le choix de la méthode a un impact non négligeable sur les valeurs des indices de confort choisis. Enfin, les indices PET et UTCI ont été calibrés et leurs zones de confort respectives ont été définies pour le climat de Saint-Pierre
Feedback from the post-occupancy evaluation carried out in the eco-neighbourhood (EQ) of Ravine Blanche, in Reunion Island, shows that some indicators proposed by the French eco-neighbourhood evaluation model are not suitable for specific application in tropical climate. This thesis demonstrates that a building performance indicator based on a level of thermal comfort seems more appropriate in a tropical urban environment. A literature review of the main existing outdoor thermal comfort indices has been carried out. Two relevant indices for application in a tropical climate have been chosen: the PET and the UTCI indices. In addition, this research study mainly focuses on the definition and estimation of the mean radiant temperature (Tmrt), which is one of the most important factors that influence human thermal comfort in outdoor spaces. However, Tmrt is particularly difficult to determine, whether in terms of in-situ measurements or numerical modelling. An experimentation based on an existing methodology has been set up so as to estimate Tmrt. This thesis also proposes a methodology relating to how to conduct field surveys in outdoor environments with micrometeorological measurements. People’s subjective thermal perception in a coastal outdoor urban environment of the EQ of Ravine Blanche has been investigated during summer. Furthermore, two popular radiation measurement techniques in determining Tmrt (black globe & grey globe) have been studied. The choice of the method has an impact on the thermal comfort indices values. Finally, the PET and UTCI indices have been calibrated and their respective comfort zones have been defined for the climate of Saint-Pierre

Cette thèse propose une approche originale axée sur l’étude du confort pour la conception et l’exploitation de bâtiments « zéro énergie » en climat tropical. Elle fait partie d'un projet international porté par l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE), la Tâche 40 / Annexe 52 qui concerne les bâtiments « zéro énergie ». Le bâtiment ENERPOS, situé à La Réunion et utilisé comme étude de cas dans cette thèse, est l'un des trente bâtiments sélectionnés par l'AIE pour créer une base de données internationale de projets pilotes. L’étude part du constat que l'un des défis auxquels fait aujourd'hui face la zone intertropicale est la demande croissante en énergie. La conception passive des bâtiments est proposée comme une alternative intéressante pour réduire leurs besoins en énergie. Dans ce cas, une étude approfondie du bâtiment dans son ensemble est indispensable pour garantir l’équilibre entre le confort des occupants et la réduction des consommations énergétiques. Bien que la notion de confort soit profondément subjective, il est nécessaire d’affiner les méthodes et outils existants pour le caractériser en fonction des paramètres physiques de l'environnement (température, humidité, vitesse d’air, éclairement). Différentes approches du confort thermique et visuel sont introduites dans le but de proposer des critères d'évaluation adaptés aux bureaux d'études. Une enquête sur le confort thermique des occupants du bâtiment ENERPOS, incluant plus de 2000 questionnaires, a été menée entre 2008 et 2011. Les résultats obtenus conduisent à recommander des modifications de la zone de confort de Givoni, en augmentant en particulier la limite supérieure de l’humidité, dans le cas d’un bâtiment passif naturellement ventilé et muni de brasseurs d’air. Une méthodologie de simulation innovante, prenant en compte le comportement passif des bâtiments, grâce à une étude couplée du confort thermique et visuel, par opposition à l'approche traditionnelle centrée sur la consommation d'énergie, est proposée pour aider à optimiser la conception des bâtiments passifs. L'étude se concentre sur le choix et le dimensionnement des protections solaires qui jouent un rôle essentiel en climat tropical et qui ont un impact direct sur le confort des usagers des bâtiments.Bien que la phase de conception vise à optimiser le bâtiment pour limiter à la fois l'inconfort et la consommation d'énergie, son exploitation reste la phase critique qui est souvent négligée ou oubliée par les équipes de conception. Un retour expérimental global du bâtiment ENERPOS depuis sa construction, tant au niveau énergétique que du point de vu de ses utilisateurs permet de montrer qu’il est possible de réduire considérablement la consommation d’énergie d’un bâtiment, et donc son impact environnemental, tout en maintenant un confort acceptable pour ses occupants
This thesis investigates a comfort approach for the design and the operation of Net Zero Energy Buildings (Net ZEBs) in tropical climates. The work is part of an international research project, Task 40 / Annex 52 led by the International Energy Agency (IEA), that concerns net zero energy solar buildings. The case study of the ENERPOS building located in Reunion Island is one of the 30 Net ZEBs selected by the IEA to create a database of demonstration projects worldwide. The point of departure of the study is the observation that one of the challenges facing the intertropical zone today is the growing energy demand. Passive design is suggested as a possible solution to reduce the energydemand of buildings. This approach leads to dealing with comfort issues rather than energy issues, as is usually the case. In spite of the inherent subjective nature of occupant comfort, there is an essential need for methods and tools to characterise comfort in relation to the physical parameters of the environment, for instance, temperature, humidity, air speed and illuminance. Different approaches to thermal and visual comfort are introduced, with the aim of proposing comfort evaluation criteria that are adapted to the design offices. A thermal comfort survey of the occupants of the ENERPOS building, based on over 2,000 feedbacks was conducted from 2008 to 2011. The results have led to the recommendation of modifications in the Givoni comfort zones, notably by extending the maximum humidity level, for passive buildings combining the use of natural ventilation and ceiling fans. An innovative methodology using simulations and taking the passive behaviour of the building into account, as opposed to the conventional approach with regard to energy use, is proposed to facilitate the optimisation of the design of passive buildings. The study focuses on the design of solar shading, given the extensive role it plays in tropical climate, as well as the direct impact it has on both thermal and visual comfort of building occupants. Although the design phase aims to optimise the building to limit both discomfort and energy consumption, the operation of the building remains the critical phase that is often neglected or overlooked by design teams. A broad examination of the operation phase of the ENERPOS building, since its construction, from both energy and users’ point of view, illustrates that a building can reduce its energy consumption significantly, and thus, its environmental impact while maintaining an acceptable level of comfort for its users

Compte tenu des attentes en termes de développements durables, de nouvelles solutions technologiques sont adoptées dans les bâtiments à basse consommation énergétique permettant de réduire considérablement les déperditions par ponts thermiques. Il s'agit des rupteurs thermiques, nouvelles jonctions entre porteurs verticaux et horizontaux constituées de matériaux innovants. Parallèlement à l'évolution des réglementations thermiques dans les bâtiments, la nouvelle définition de l'aléa sismique en France oblige les concepteurs à intégrer le cas de chargement sismique dans les dimensionnements de bâtiments dans une grande majorité du territoire métropolitain. Ces innovations technologiques nécessitent donc des études approfondies de leur comportement mécanique lors d'événements accidentels tels que les tremblements de terre. Au regard des enjeux sociétaux et économiques, il est d'une grande importance d'être capable d'apprécier la contribution de nouvelles solutions techniques à la vulnérabilité du bâti aux séismes. Pour cela, il est nécessaire de procéder à des analyses probabilistes pour la construction, par exemple de courbes de fragilité de structures sous sollicitations sismiques: structures étant composées ou non de rupteurs thermiques. L'objectif de ce travail est donc de proposer l'ensemble d'une méthodologie notamment les outils numériques, en termes de modèles mécaniques, susceptibles de répondre aux attentes de l'ingénierie dans la quantification de l'évolution des marges de résistance en intégrant différents types de rupteurs thermiques dans les bâtiments. Pour cela, différentes étapes, combinant modélisations numériques et expérimentations sont abordées afin d'élaborer un modèle numérique simplifié. Ce dernier doit être riche en termes de phénomènes mécaniques et efficace numériquement pour réaliser rapidement un nombre important de calculs nonlinéaires à l'échelle de bâtiment en tenant compte des aspects aléatoires.

L'objectif majeur de la présente thèse de doctorat est la validation structurelle d’une connexion hybride plancher-voile pour la reprise de l'action sismique dans les bâtiments en béton armé à voiles. Le manque de références normatives et scientifiques pour la caractérisation de ce type de système, nous a conduits à concevoir un protocole de caractérisation original basé principalement sur une analyse expérimentale à grande échelle du comportement de la liaison plancher-voile. Tout d'abord, nous présentons quelles ont été les problématiques et les exigences qui ont amené à l'innovation du rupteur de ponts thermiques SLABE, connexion hybride pour la jonction plancher-voile. Nous analysons ensuite les protocoles de caractérisation cyclique pour les systèmes structurels similaires ("coupling beams" ou "shearheads"). Sur base de cette réflexion, nous proposons un programme expérimental composé de trois séries d'essais: deux campagnes à grande échelle visant à restituer au mieux les configurations courantes de chargement dans un bâtiment (sollicitations horizontales et verticales), et une campagne d'essais d'ancrage. Ces essais sont capables de caractériser le comportement de la liaison dans les trois directions de l’espace. Les résultats de chaque campagne d'essais sont présentés dans le détail. Ils montrent notamment que la connexion étudiée, sous chargement cyclique, se comporte de façon quasi-élastique et stable pour les niveaux de charge correspondant aux sollicitations sismiques en France métropolitaine. De plus, ces essais ont souligné la grande réserve de ductilité du système, permettant une redistribution des efforts et contribuant ainsi à une meilleure robustesse du système, indispensable pour une sollicitation sismique présentant, par nature, un fort degré d’incertitude. Enfin, nous évaluons l'impact de la connexion plancher-voile sur le comportement structurel des bâtiments au travers d’une analyse structurelle sur des ouvrages de référence. Nous analysons la réponse modale et la redistribution des efforts entre les voiles de contreventement. Cette évaluation nous permet de définir une démarche de dimensionnement pour les ouvrages béton armé munis de ces éléments et de proposer des outils de calcul adaptés à l’ingénieur. L’exhaustivité de la démarche de validation présentée en fait une référence, déjà reconnue par les instances décernant les agréments techniques français, et qui pourrait être proposée comme protocole standard pour la validation des systèmes de rupteurs de ponts thermiques ou de liaison plancher-voile, au niveau européen
The main objective of the PhD thesis is the structural evaluation of a hybrid structural connection at the slab-to-wall junction in concrete shear wall buildings under seismic action. The lack of normative and scientific literature for the characterization of this kind of systems leads us to devise an original protocol for the characterization which is mainly built on a large-scale experimental analysis of behaviour of the slab-towall connection. First, we explain the reasons that led us to design an innovative thermal break system, the SLABE, which is thermally insulated hybrid connection for the slab-to-wall junction. Then we analyse the existing protocols for the cyclic characterization of similar structural systems ("coupling beams" or "shearheads"). Based on the outcome of this investigation, we propose an experimental program composed with three test series: two large-scale campaigns where the actual loading conditions in a building are reproduced (horizontal and vertical shear forces) and an axial test campaign. The test results provided the required information to correctly characterize the behaviour of the hybrid connection in the three directions in space. The results of the experimental campaigns are presented in detail. In particular, they show that the connection, under cyclic loads, exhibits a quasi-elastic and stable behaviour at usual seismic load levels, in France. In addition, these tests highlight the large reserve of ductility of the system that guarantees the robustness of the system. This is essential for seismic actions which have by nature a high degree of uncertainty. The impact of the slab-to-wall connexion on the structural behaviour of buildings is evaluated through a structural analysis on representative structures. We particularly analyse the modal response and the force redistribution between the internal and external shear walls. Based on the outcome of this study, we suggest a seismic design method for reinforced concrete structures equipped with these structural elements. Along with that, we propose a computational tool for engineers. The completeness of the presented validation approach makes it a benchmark, already recognized by the French authorities granting technical approvals. It could be proposed as a standard protocol for the validation of other thermal break systems or hybrid slab-to-wall connections, at European level

Un niveau important d’isolation des parois de bâtiments peut diminuer le refroidissement du bâtiment en été, quand les conditions extérieures sont favorables. Dans cette thèse, le concept d’isolations commutable, est développé : pendant les périodes de refroidissement, l’isolation commutable peut être désactivée pour refroidir la masse du bâtiment pendant la nuit. Pendant les périodes de chauffage, ce concept peut être utilisé pour utiliser les gains solaires. Dans cette thèse, le potentiel des isolations commutables est étudié pour des bureaux dans un climat continental européen. En outre, deux nouveaux concepts d'isolations commutables sont introduits et développés et caractérisés expérimentalement. Un modèle nodal détaillé a été mis en place, validé et utilisé pour conduire une étude paramétrique. Le potentiel des isolations commutables a été étudié à l’aide de simulations énergétiques dynamiques du bâtiment qui ont montré que des réductions importantes des besoins de chauffage et de refroidissement ainsi que des heures d'inconfort en été peuvent être atteintes. Plusieurs stratégies de contrôle ont été mises au point, introduites et comparées. L'influence de la masse thermique a également été étudiée, ainsi que l'influence de l'orientation ou du cadre des éléments
Important thermal insulation levels can prevent the building to cool down during the cooling period, when the external conditions are favorable. In this thesis, the concept of switchable insulation is developed: during the cooling period, the insulation can be deactivated during the night to let the heat flow out. During the heating period, the switchable insulation can be deactivated whenever solar gains can be used. In this thesis the potential of switchable insulation for an European continental climate and for office buildings is investigated. Also, two new concepts of switchable insulation are introduced, developed and characterized experimentally. A detailed thermal model has been introduced, validated and used for a parametric analysis. The potential of switchable insulation is investigated on a building level, showing that important reductions of the heating and cooling load as well as summer discomfort hours can be achieved. Several control strategies have been developed, introduced and compared. The influence of thermal mass was also investigated, as well as the influence of the orientation or the elements’ frame