Caractérisation, analyse et gestion optimale des échanges énergétiques entre un mur végétalisé et son environnement

Transcription

1 Caractérisation, analyse et gestion optimale des échanges énergétiques entre un mur végétalisé et son environnement Journée Recherche Acoustique & Thermique des parois végétalisées HEI, le 23 octobre 2014 Mohamed Amine Kenai, Laurent Libessart, Stéphane Lassue, Didier Defer 1

2 Projet Bâti et Biodiversité Positive Déterminer les bénéfices techniques que peut apporter un mur végétalisé au bâti; En mesurant les performances thermiques et acoustiques d un mur végétal en laboratoire et in-situ; En déterminant et en caractérisant les performances des différents éléments constitutifs de l ouvrage et du couvert végétal. 2

3 Objectifs projet BBP (Etude thermique) Maîtriser les techniques de MV les plus extensifs possibles adaptés au NPC. Comprendre les échanges convectifs et radiatifs au niveau des MV et déterminer ses bénéfices énergétiques. Qu est ce que les murs végétalisés? Le concept de la végétalisation des bâtiments existait depuis les 1 ères constructions «Jardins suspendus du Babylone av. J.-C». L idée des murs végétalisés selon sa forme actuelle a fait son chemin à partir des années 70 en Allemagne. Très peu d études en France sur les enveloppes végétalisées 3

4 Typologie des murs végétalisés Mur simple (intensif) 1 élément porteur 2 isolant 3 lame d air 4 structure de soutien 5 végétaux Plantes grimpantes de type lierre. Développement naturel des plantes/intervention humaine réduite Une durée importante pour obtenir le résultat souhaité. coût réduit. Mur complexe (extensif) 1 élément porteur 2 isolant 3 lame d air 4 structure portante 5 irrigation 6 panneau modulaire 7 végétaux Matière organique accueillant plusieurs espèces végétaux. Ferti-irrigation régulière pour les plantes et le substrat. Résultat immédiat (couverture totale dés le début). Coût relativement très élevé. 4

5 Divers bénéfices des murs et toits végétalisés La réduction des îlots de chaleur urbain Amélioration de la qualité de l air urbain Amélioration du microclimat des centres villes Rétention de l eau pluviale et dépollution des eaux de ruissèlement 5

6 Divers bénéfices des murs et toits végétalisés Isolation acoustique Réduction des charges thermiques des bâtiments Augmentation de la durée de vie de l enveloppe à travers la réduction des pics et fluctuations de températures. Valeur esthétique. source: [ 6

7 Intérêt thermique Interception du rayonnement solaire Photosynthèse Réflexion Transmission Amélioration du confort intérieur Taux de couverture, couleur, saisons, Rafraichissement par ETR Flux de chaleur conduit Effet du vent TS -ext/int Rayonnement (reçu/réfléchi) Convection Inters-réflexions «feuillage / feuillage» Conduction Rayonnement IR Inters-réflexions IR «feuillage / enveloppe» Evapotranspiration 7

8 Démarche scientifique Objectifs du Projet BBP (Thermique) Bibliographie Méthodologie Maîtriser les techniques de MV les plus adaptés au NPC. Comprendre les échanges au niveau des MV. Typologie des MV Avantages de la végétalisation des bâtiments. Intérêt thermique. Partie Expérimentale Création d un dispositif expérimental Instrumentation Partie Numérique Reproduction numérique des prototypes Modèle d une paroi végétalisée Déterminer ses bénéfices énergétiques. Différents travaux effectués Acquisition Analyse et interprétation des résultats Validation des résultats 8

9 Dispositif expérimental 3 prototypes avec conditions identiques Conditions extérieures réelles MV type 1 Réf-Paroi en BC MV type 2 Box préfa - Suivre le comportement énergétique durant une année. -Plantesgrimpantesdetype«persistant»(lierre)et«caduc»(Vignevierge). -InfluenceEté/Hiversurlebilanénergétique -Détermination et Validation du modèle numérique de prédiction par la suite 9

10 Réalisation du dispositif expérimental Structure en bois Parois en bardage de plastique Isolation en laine de verre Parois en béton cellulaire Dispositif après instrumentation et peinture des parois 10

11 Instrumentation choisie Fluxmètres «Captec instrumentation» Thermocouples «Type K» Pyranomètre CMP11 + Pyrgéomètre CGR3 «Kipp & Zonen» : Rayonnement de CLO et de GLO -Station Météo «VantagePro2 Plus»: -Vitesse et direction du vent -Température de l air -Rayonnement de CLO -Humidité Relative -Pluviométrie Modules e-bloxx, centrale d Acquisition «Gantner» 11

12 Disposition des capteurs 12

13 Validation du dispositif expérimental (Flux de chaleur) Figure: variation des flux extérieurs au niveau des 3 boxs 13

14 Etude de l effet de masquage Mise en évidence de l effet direct de l occultation par les plantes : Echanges thermiques, apports énergétiques, surchauffe Estimation expérimentale d une fonction d occultation: Impact des MV / Taux de couverture Suivi de croissance (caméra) Test des taux de couvertures imposés Estimation de taux de couverture (traitement d images) Processus de croissance naturelle des plantes: Trop lent Augmentation rapide des taux de couvertures 14

15 Etude de l effet de masquage 0% 20% 40% 60% 80% 100% Taux de couvertures imposé Effet sur le flux de chaleur 15

16 Effets sur les températures de surfaces Réduction des TS ext 10 C Réduction des TS ext 20 C TS ext(100%) TA ext 16

17 Résultats premières simulations Les données d entrée : -Géométrie du prototype (dimension et épaisseur de chaque couche) -Caractéristiques des matériaux utilisés (ρ (kg/m³), λ(w/m.k), C(J/kg.K), albédo, émissivité ) -Données météo (Tair, HR%, Radiation globale de CLO, vitesse et direction du vent) -Conditions aux limites pour la paroi 2.72 C d écart /10 Jours instrumentée Températures ( c) Températures mesurées [ C] Températures simulées [ c] 1.86 C d écart ,00 90,00 100,00 110,00 120,00 130,00 Temps (heures) 17

18 Conclusions - Perspectives Expérimentation Poursuite de la partie expérimentale: Test sur les végétaux Mesure de taux de couverture (traitement d images) Comparaison avec les tests de taux de couvertures imposés Lierre / Vigne vierge 18

19 Conclusions - Perspectives Numérique Weather Data Green wall New TRNSYS component Instrumented wall Type 56 (Multizone building model) Outputs Impact des MV / isolation de l enveloppe extérieure Une technique simple de rénovation thermique (à savoir une alternative) Chiffrage des économies d énergies réalisées par les MV 19

20 20