Thermographie du Bâtiment. Vers une estimation de résistance thermique de parois

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1 Thermogram 2009 Reims décembre 2009 Centre d Etudes et de Recherche en Thermique Energétique et Systèmes C E R T E S Thermographie du Bâtiment. Vers une estimation de résistance thermique de parois Laurent IBOS CERTES EA3481, Université Paris 12 Val de Marne, Créteil

2 Co-auteurs CERTES Université Paris 12: Yves Candau, Mohamed Larbi Youcef, Atef Mazioud Centre d Etudes et de Recherche en Thermique Energétique et Systèmes C E R T E S FLIR (ex-cedip): Pierre Brémond EDF Les Renardières: Michel Piro Alphéeis: Alain Filloux Université de Reims: Jean-Luc Bodnar

3 Contexte & Objectifs Cahier des charges Protocole & Exemples de résultats Analyse des données Estimation de résistance thermique Conclusions

4 CONTEXTE & OBJECTIFS

5 Problématique Détection et localisation de défauts d isolation Présence de zones «uniformes» en Température Quel est le niveau d isolation? Diagnostic quantitatif possible?

6 Approche par thermographie passive + Possibilité de détection de défauts: Manques d isolant, Ponts thermiques, Infiltrations, Pb d humidité Observation rapide, Zone étendue - Nécessité de la présence d un gradient thermique Diagnostic? possible si connaissance de la température absolue des parois Pb: Nombreux facteurs influents (émissivité, réflexions, etc )

7 Approche par thermographie active Mesure de l évolution de la T d une surface suite à une excitation thermique Sources d excitation: - Lampes: domaine visible et proche IR - Panneaux rayonnants: ondes longues - toute source provoquant un échauffement Halogen Lamps Infrared Camera PC Sample Créneau de puissance Régime sinusoïdal Excitations aléatoires - Le + simple - densités de puissance importantes - échauffements parfois importants - Le + précis - densités de puissance faibles - durées de mesure très longues - Compromis entre les 2 modes précedents - densités de puissance modérées - durées de mesure limitées

8 Approche par thermographie active - + Durée de mesure longue Matériel supplémentaire nécessaire Analyse locale d une paroi Possibilité de détection de défauts localisés Pas de gradient thermique nécessaire Connaissance de la température absolue non nécessaire Diagnostic? Analyse de la variation de température Utilisation d un modèle thermique Estimation de paramètres caractéristiques du milieu

9 CAHIER DES CHARGES & PRE-ETUDE

10 Estimation de Résistance thermique de parois isolées du bâtiment (Projet PROTOMERES-PARIS) Contrôle des bâtiments réhabilités Mise au point d un protocole de mesure et définition d un cahier des charges Estimation de la résistance thermique d une paroi courante Détermination de la qualité de l isolation existante ou contrôle après travaux

11 Cahier des charges Respecter les contraintes des mesures in-situ Conserver le caractère non destructif à la méthode Dispositif de mesure transportable Mesure rapide (~1h) Consommation faible (~2kW max) Définition du protocole Pb de l inertie du mur porteur (temps de réponse important?) Influence des propriétés radiatives de la surface Source d excitation stable et la plus uniforme possible Estimation de la résistance (modèle de transfert, sensibilité aux différents paramètres )

12 DT ( C) Temps de réponse - Simulation 1D Plâtre Isolant Mur 3600s 1800s 600s 300s e (m)

13 Effets de Bord Taille de la zone à éclairer Etude sous FLUENT Effets de bords localisés sur une zone de 10cm Transferts 1D au centre de la zone éclairée

14 Sensibilité de la méthode DT = T S = R F R = R conv //R mur R conv R mur ~ 0.1 ~ 1 à 3 R R conv (1 R conv /R mur ) Sensibilité faible à R mur

15 PROTOCOLE EXPERIMENTAL & EXEMPLES DE RESULTATS

16 Protocole expérimental T MAX P T 0 0 t Début: 120s Chauffage: 5400s Refroidissement: au moins 3600s Enregistrement des images thermiques pas de 5s Moyennes et Corrections d images Modélisation des transferts Estimation de paramètres (épaisseur, propriétés thermophysiques, autres )

17 Sorties Analog. Liaison Série RS232 Mur en parpaings Lame d air Entrées Thermocouples de Type K Panneau Isolant T air Banc de mesure T Surface T air Conditionneurs de signaux 5B37 T air Spots 5B37 PC Mesure + Carte DAQ (Prg Labview) Caisson T Surface Caméra T Surface T Surface Spots 5B37 5B49 220V, 50Hz ~ T Surface Alimentation Stabilisée PC Caméra + Carte DAQ (Prg Labview) Commande analog. 5B49 Voltmètre Keithley 2000

18 Contrôle des panneaux isolants seuls Panneaux normalisés: Plâtre (10mm) + Polystyrène expansé Tests pour différentes épaisseurs d isolant (20, 60 et 100mm) DT ( C) Temps (s)

19 Contrôle de panneaux sur mur porteur Essais labo Panneaux Plâtre (10mm) + Polystyrène expansé (20, 40, 100mm) fixation sur un mur en parpaing avec lame d air de 10mm Panneau peint en noir Caisson

20 Contrôle de panneaux sur mur porteur Essais labo Température en face avant

21 Contrôle de panneaux sur mur porteur Essais en labo Température en face arrière de l isolant Température en face avant du mur (variations faibles)

22 Contrôle de panneaux sur mur porteur Essais en conditions réelles Laboratoire ETNA (EDF) Panneaux: Plâtre (10mm) + Polystyrène expansé (20, 40, 60 et 100mm) fixation sur un mur en parpaings avec lame d air de 10mm BA

23 Contrôle de panneaux sur mur porteur Essais en conditions réelles Laboratoire ETNA (EDF) P. Noire e = cm Caméra Cedip Titanium 24 spots halogènes (12V,20W)

24 Tests par excitation aléatoire Dispositif expérimental SAMMTHIR (Univ. Reims) Test d échantillons prélevés sur des panneaux isolants plâtre-polystyrène expansé Essais pour différentes épaisseurs d isolant (0, 10mm, 60mm)

25 Tests par excitation aléatoire Exemple de résultat Variation de température en face avant pour 3 épaisseurs d isolant: 0mm, 10mm, 60mm DT ( C) mm 10 mm 60 mm t (s)

26 Tests par excitation aléatoire Conclusions Différenciation possible de différentes épaisseurs d isolant Ecarts plus importants pour des niveaux d isolation identiques / excitation par créneau de puissance La sensibilité diminue au fur et à mesure que le niveau d isolation augmente Informations sur une gamme de fréquence plus large Possibilité d estimation de paramètres par méthodes inverses facilitée Durée de mesure minimale à définir (ordre de grandeur similaire à l excitation par créneau de puissance)

27 ANALYSE DE DONNEES COMPORTEMENT ASYMPTOTIQUE

28 Comportement Asymptotique Principe d Analyse Zone d analyse T MAX P T 0 0 t Début Chauffage Refroidissement Temps courts Temps longs T t P b 2 t T ln T t K exp t T Tt ln K t Détermination du rapport P/b Obtention de 3 paramètres: - Ln K (ordonnée à l origine) - (pente) - T (valeur asymptotique de T)

29 Comportement Tps courts Estimation effusivité de la première couche Etape d étalonnage (en labo) Utilisation d une plaque de PVC peinte en noir d effusivité b connue par une mesure indépendante (408 W.s 1/2.m -2.K -1 ) Etalonnage pour différentes tensions d alimentation U: P b ( 0.039) 10 U Résultats (cas des mesures ETNA) e 2 (mm) P/b (K.s -1/2 ) b (W.s 1/2.m -2.K -1 ) Mesure indépendante b plâtre : b Platre = 376 W.s 1/2.m -2.K -1

30 Comportement Tps longs Estimation paramètre T

31 Evolution du paramètre T Mesures Labo 1h T ( C) Mesures ETNA 1h30 1h T ( C) épaisseur d'isolant (mm)

32 VERS UNE ESTIMATION DE RESISTANCE THERMIQUE DE PAROI

33 Mise en Equation Schématisation des échanges Mise en équation en régime permanent h P R M 1/h P T R M T avec R P 1 R h 1 R M Calcul de R M : R M P h T h T 1 h T M T T On T T obtient P h P h : h RM 1 h R T M M T M quand h RM 1 h R R M M

34 Quelques ordres de grandeur Plâtre PS lame d air mur porteur e 1 e k 1 k 2 m².k/w m².k/w R 1 R 2 k 1 = 0.19 W.m -1.K -1 (mesure labo) k 2 = W.m -1.K -1 R la R P R M R1 R2 R la R P Valeurs théoriques e 2 R 1 R 2 R M (mm) (m².k/w) (m².k/w)

35 Estimation Résistance Thermique Etalonnage du dispositif aux temps longs Durée T M (K) h (W/m²/K) P (W/m²) 1h h On considère 2 panneaux de référence: -Faible isolation (BA13) -Forte isolation (10+100) On calule les valeurs des paramètres T M et h Tinf (K) Mes. 1h30 Fit 1h30 Mes. 1h Fit 1h RM (m²k/w)

36 Estimation Résistance Thermique On utilise les données obtenues par étalonnage : T M = K et h = 7.14 W/m²/K Pour 1h Estimation Résistance Mur Théorie Mesures 1h30 Mesures 1h Estimation Epaisseur isolant Théorie Mesures 1h30 Mesures 1h RMur (m²k/w) e2 estimé (mm) e2 (mm) e2 théorique (mm)

37 Estimation Résistance Thermique On utilise les données obtenues par étalonnage : T M = K et h = W/m²/K Pour 1h Estimation Résistance Mur 120 Estimation Epaisseur isolant RMur (m²k/w) e2 estimé (mm) Théorie Mesures 1h30 Mesures 1h e2 (mm) 0 Théorie Mesures 1h30 Mesures 1h e2 théorique (mm)

38 CONCLUSIONS

39 Conclusions L analyse du comportement asymptotique permet: - l estimation de b de la 1 ère couche (Temps courts) - l estimation de T (à +/- 0.2 C près) La connaissance de T permet de déterminer une épaisseur équivalente de PS expansé (après étalonnage avec une série de panneaux différents) Possibilité de détermination de différents niveaux d isolation Possibilité de mesure en une heure ou 1h30 avec dispositif transportable (Pas d influence de l inertie du mur porteur)

40 Conclusions R M peut être calculée si l on prend au moins deux panneaux de référence, et si une très bonne reproductibilité des mesures est assurée Meilleurs résultats avec une analyse sur 1h30 Réaliser un dispositif permettant des mesures reproductibles (peu de dérive du détecteur, uniformité et stabilité de la source, positionnement précis du dispositif sur le mur, revêtement noir ) Pb d interprétation des valeurs des paramètres P et h Obligation de passer par une étape d étalonnage

41 Conclusions Mesure de résistance thermique de paroi possible par thermographie active Validation de la méthode en cours Différents types d isolants, de structures de murs Etalonnages nécessaires Méthodes d estimation de paramètres Thermographie IR active complémentaire d une étude par thermographie passive

42 Merci de votre attention Questions?