UNIVERSITE IBN ZOHR ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES AGADIR N Ordr: DR02/2008 ********************************* THESE Présnté à l'ensa d'agadir pour obtnir L grad d : Doctur UFR : Enrgi t nvironnmnt Spécialité : Enrgétiqu t Matériaux CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE DES MATERIAUX ET MODELISATION DES TRANSFERTS COUPLES DE CHALEUR A TRAVERS UN BATIMENT Par : Lahcn BOUKHATTEM Soutnu l 28/07/08 dvant la commission d'xamn: A. Mir PES ENSA AGADIR Présidnt M. ASBIK PES FST ERRACHIDIA Rapportur J. CHAOUFI PES FS AGADIR Rapportur T.MEDIOUNI PES ENSA AGADIR Examinatur H.HAMDI PES FS MARRAKECH Examinatur A. BENDOU PES ENCG AGADIR Dirctur d thès
REMERCIEMENT C st un plaisir d rmrcir tous cux qui ont contribué à la réalisation d ctt thès. En prmir liu, j voudrais xprimr ms rmrcimnts ls plus sincèrs à mon Dirctur d thès, Monsiur Abdlaziz BENDOU Profssur d l'nsignmnt supériur t Dirctur d l'écol national d commrc t d gstion d'agadir, avc qui j ai u l plaisir d travaillr pndant mon DESA t mon doctorat. Sa confianc t ss suggstions prtinnts m ont énormémnt aidé à la réalisation d c travail. J voudrais aussi rmrcir Monsiur A. MIR Profssur d l'nsignmnt supériur, Dirctur d l Écol National ds Scincs Appliqués t rsponsabl d l'ufr Enrgi t Environnmnt. J lui présnt ms vifs rmrcimnts pour l intérêt qu il avait bin voulu portr à c travail. J l rmrci égalmnt pour ss consils, sa disponibilité, ss obsrvations t nfin pour son grand savoir scintifiqu qui a été préciux pour ma formation. J rmrci égalmnt Monsiur R. MIR, profssur habilité à l'écol national ds scincs appliqués. J l rmrci profondémnt pour l'aid qu'il m'a offrt pour réalisr c travail. Il m'st agréabl d rmrcir Monsiur H. ELIHSSINI, profssur habilité à l'écol supériur d tchnologi d'agadir, pour l intérêt qu il a apporté à c travail t son aid. -i-
J tins aussi à adrssr ms sincèrs rmrcimnts à Monsiur Jamal CHAOUFI, profssur d la Faculté ds Scincs d Agadir, qui m'a fait l'honnur d bin vouloir jugr c travail. J rmrci égalmnt l Profssur Mohamd ASBIK, Profssur à la Faculté ds Scincs t Tchniqus d Errachidia, qui a bin voulu jugr c travail. Vuillz accptr ma rconnaissanc pour l'intérêt qu vous avz porté à ctt thès. J suis xtrêmmnt snsibl à l'honnur qu m'a fait Madam Touria MEDIOUNI, Profssur à l'ecol National ds Scincs Appliqués d'agadir, n accptant d'êtr parmi ls mmbrs du jury d la soutnanc. J tins à xprimr ms vifs rmrcimnts t ma haut considération à Monsiur Hassan HAMDI, Profssur à la Faculté ds Scincs Smlalia d Marrakch, qui a bin accpté d'êtr mmbr du jury d la soutnanc malgré ss nombruss préoccupations. J rmrci aussi tous ls collègus, d l Ecol National ds Scincs Appliqués d Agadir, t touts ls prsonns qui m'ont soutnu durant c travail. En définitiv, un pnsé particulièr va à ma chèr mèr t mon chr pèr t ma chèr fmm qui m'ont soutnu avc patinc durant l'élaboration d c travail. Mrci. Finalmnt, j aimrais dédir c travail à touts ls prsonns qui, d près ou d loin, ont donné l support moral t affctif si importants pour la réalisation d ctt thès. -ii-
AVANT PROPOS C travail a été ffctué au sin du Laboratoir d'ingéniri ds Précédés d l'enrgi t d l'environnmnt d l'ecol National ds Scincs Appliqués d'agadir sous la dirction d Monsiur A. Bndou, Profssur d l'ensignmnt supériur t Dirctur d l'ecol National d Commrc t d Gstion d'agadir. L'étud fait a donné liu aux publications t communications suivants: PUBLICATIONS CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE DU MORTIER A BASE DU CIMENT ET DE SABLE L.Boukhattm, R.Mir, M.Kourchi, A. Bndou. Rvu Intrnational d 'Héliotchniqu Enrgi t Environnmnt - N 36 2007 03-12. SIMULATION ET OPTIMISATION DES TRANSFERTS DE CHALEUR ENTRE UN BATIMENT COMPLETEMENT ENTERRE ET LE SOL L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. Rvu Intrnational d'héliotchniqu Enrgi t Environnmnt - N 36 2007 30-42. THERMOPHYSICAL CHARACTERIZATION, ACCORDING TO THE WATER CONTENT, OF SOIL TAKEN FROM DIFFERENT SITES OF THE AREA OF AGADIR L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. Enrgy and building Submittd. -iii-
SIMULATION NUMERIQUE DES TRANSFERTS DE CHALEUR COUPLES PAR CONDUCTION CONVECTION ET RAYONNEMENT A TRAVERS UN BATIMENT L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. Compt rndu d physiqu Soumis. COMMUNICATIONS CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION L.Boukhattm, R.Mir, A. Bndou. 7 èm Congrès d Mécaniqu Avril 2005 Vol. II, Casablanca, Maroc, 320-322. SUPERVISION DE LA CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE D UN MATERIAU L.Boukhattm, R.Mir, A. Bndou. Prmièrs Journés d Télécommunications d'elctroniqu t Elctrotchniqu, Mai 2006, Oujda, Maroc, 110-112. MODELLING OF HEAT CONVERTERS IN THE BURIED BUILDING FILLED ON ITS INNER WALLS BY A LAYER OF MORTAR L.Boukhattm, R.Mir, M.Kourchi, A.Bndou. Th Intrnational Confrnc on Advancs in Mchanical Enginring and Mchanics Dcmbr 17-19, 2006 Tunisia. Abstract Procdings, P-36. -iv-
SIMULATION BIDIMENSIONNELLE DU TRANSFERT D ENERGIE ENTRE UN BATIMENT SEMI ENTERRE ET LE SOL EN REGIME VARIABLE L.Boukhattm, R.Mir, M.Kourchi, A. Bndou. 8 èm congrès d mécaniqu 17-20 Avril 2007 Volum II, 258-260. ETUDE DES TRANSFERTS DE CHALEUR COUPLES ET AU SEIN D UN BATIMENT EN CONFIGURATION BIDIMENSIONNELLE L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. Congrès Intrnational Compls 2K7, Enrgi t Environnmnt, Agadir 19-20 Octobr 2007, 267-272. CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE, EN FONCTION DE LA TENEUR VOLUMIQUE EN EAU, DU SABLE L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. JNPT08, faculté ds scincs t tchniqus d Sttat, 23 Avril 2008, 47-51. THERMOPHYSICAL CHARACTERIZATION, ACCORDING TO THE WATER CONTENT, OF SILTY SOILS OF AGADIR AREA L.Boukhattm, A. Bndou, R.Mir, M.Kourchi. ICAMEM, Tunisia 2008 accptd. -v-
TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES... vi NOMENCLATURE... xi INTRODUCTION GENERALE... 1 Chapitr I Etud bibliographiqu I.1 INTRODUCTION... 5 I.2 BATIMENT: ETAT DE L'ART ET DEVELOPPEMENT... 6 I.2.1 Historiqu... 6 I.2.2 Contraints liés au changmnt d mod d construction... 7 I.2.2.1 Contraints mécaniqus... 7 I.2.2.2 Contraints liés au confort... 7 I.2.2.3 Contraints acoustiqus... 7 I.2.2.4 Contraints liés au coût... 8 1.2.2.5 Cadr juridiqu... 8 I.2.3 Caractéristiqus intrinsèqus ds matériaux d construction... 8 I.2.4 Répons ds bâtimnts aux différnts xcitations t contraints... 9 1.2.5 Caractérisation thrmophysiqu... 9 I.2.6 Répons d'un bâtimnt aux différnts xcitations thrmiqus... 10 -vi-
I.3 COMPORTEMENT THERMIQUE DES BATIMENTS EN CONTACT AVEC LE SOL... 10 I.3.1 Planchr sur trr - plin... 10 I.3.2 Bâtimnt smi - ntrré... 14 I.3.3 Bâtimnt complètmnt ntrré... 15 I.4 TRANSFERTS DE CHALEUR COUPLES À TRAVERS UN BATIMENT... 17 I.5 METHODES DE MESURE DES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES... 21 I.5.1 Méthod du fil chaud... 24 I.5.2 Méthod du plan chaud... 25 I.5.3 Méthod flash... 26 I.5.4 Méthod du Hot Disk... 27 I.5.5 Méthod d la plaqu chaud gardé... 28 I.5.6 Méthod fréquntill... 30 I.5.7 Méthod Angström... 31 I.5.8 Méthod ds boîts... 32 I.6 CONCLUSION... 34 Chapitr II Caractérisation thrmophysiqu du mortir t ds sols limonux d la région d'agadir II.1 INTRODUCTION... 35 II.2 DESCRIPTION DE L'APPAREILLAGE UTILISE ET PRINCIPE DE MESURE... 36 II.2.1 Dscription d l'apparillag utilisé... 36 II.2.1.1 Capacité isothrm A... 38 II.2.1.2 Dux boits B1 t B2... 38 II.2.1.3 Echantillon E... 38 II.2.1.4 Capturs d tmpératur PT100... 39 II.2.1.5 Acquisition ds donnés... 39 II.2.2 Princip d msur... 40 -vii-
II.2.2.1 Msur d la conductivité thrmiqu... 40 II.2.2.2 Msur d la diffusivité thrmiqu... 42 II.2.2.3 Calcul d la chalur massiqu Cp... 45 II.2.2.4 Calcul d l ffusivité thrmiqu E f... 45 II.3 RESULTATS ET INTERPRETATION... 46 II.3.1 Etalonnag t fiabilité ds msurs... 46 II.3.2 Mortir... 46 II.3.2.1 Efft d la granulométri... 47 II.3.2.2 Efft du dosag... 50 II.3.3 Sol limonux... 53 II.3.3.1 Classification géotchniqu ds sols étudiés... 55 II.3.3.2 Mass volumiqu... 58 II.3.3.3 Conductivité thrmiqu... 59 II.3.3.4 Diffusivité thrmiqu... 60 II.3.3.5 Chalur massiqu... 62 II.3.3.6 Effusivité thrmiqu... 64 II.4 CONCLUSION... 66 Chapitr III Simulation t optimisation ds transfrts d chalur ntr l sol t ls dux typs d bâtimnts: complètmnt ntrré t smi ntrré III.1 INTRODUCTION ET POSITION DU PROBLEME... 67 III.2 METHODE DE RESOLUTION... 68 III.2.1 Discrétisation ds équations d conduction... 69 III.2.1.1 Tmpératur implicit n x:... 69 III.2.1.2 Tmpératur implicit n y:... 69 III.3 CONFIGURATION DES DEUX TYPES DE BATIMENTS: COMPLETEMENT ENTERRE ET SEMI ENTERRE... 70 -viii-
III.3.1 Configuration du bâtimnt complètmnt ntrré... 70 III.3.2 Configuration du bâtimnt smi - ntrré... 72 III.4 FORMULATION MATHEMATIQUE ET CONDITIONS AUX LIMITES... 74 III.4.1 Bâtimnt complètmnt ntrré... 74 III.4.2 Bâtimnt smi - ntrré... 75 III.4.3 Flux total échangé ntr ls dux bâtimnts t l sol... 76 III.5 RESULTATS ET INTERPRETATION... 79 III.5.1 Validation du modèl... 79 III.5.2 Bâtimnt complètmnt ntrré... 82 III.5.2.1 Efft d la granulométri du sabl... 82 III.5.2.2 Efft du dosag du cimnt... 82 III.5.2.3 Efft d l épaissur t d la couch d nduit... 82 III.5.3 Bâtimnt smi - ntrré... 88 III.5.3.1 Efft d la granulométri du sabl... 88 III.5.3.2 Efft du dosag du cimnt... 88 III.6 CONCLUSION... 91 Chapitr IV Modélisation numériqu ds transfrts d chalur couplés à travrs un bâtimnt sur trr plin IV.1 INTRODUCTION... 92 IV.2 CONFIGURATION DU BATIMENT ETUDIE... 93 IV.3 MODELE MATHEMATIQUE... 94 IV.3.1 Equation d continuité... 94 IV.3.2 Equations du mouvmnt... 94 IV.3.3 Equation d l énrgi... 95 IV.3.4 Equation d conduction d chalur... 95 IV.3.5 Hypothèss simplificatrics... 96 IV.4 FORMULATION ADIMENSIONNELLE DES EQUATIONS ET CONDITIONS AUX LIMITES... 97 -ix-
IV.4.1 Conditions aux limits... 98 IV.4.2 Nombr d Nusslt... 99 IV.4.3 Flux d chalur moyn... 100 IV.5 METHODE DE RESOLUTION... 101 IV.5.1 Méthod d volum d contrôl... 101 IV.5.1.1 Princip d la méthod... 101 IV.5.1.2 Discrétisation ds équations n volums finis... 102 IV.5.1.3 Algorithm SIMPLEC... 105 IV.5.1.4 Equation d corrction d prssion... 106 IV.5.2 Méthod d sous rlaxation... 108 IV.5.3 Critèr d convrgnc... 109 IV.5.4 Caractérisation du régim prmannt... 109 IV.5.5 Algorithm d calcul... 110 IV.6 VALIDATION DU MODELE... 110 IV.7 RESULTATS ET DISCUSSION... 112 IV.7.1 Ligns d courant t isothrms... 112 IV.7.2 Transfrt d énrgi... 113 IV.7.3 Efft du rayonnmnt... 118 IV.7.4 Efft du rapport d tmpératurs... 120 IV.8 CONCLUSION... 123 CONCLUSION GENERALE... 124 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES... 128 -x-
NOMENCLATURE a b c d dmi-largur du planchr...m profondur du plafond...m profondur du planchr...m profondur d la napp phréatiqu...m df factur d form ntr ls élémnts d surfac... d S ds diamètr du sabl...m élémnt d un surfac...m épaissur d l'échantillon...m E éclairmnt d'un surfac...w.m -2 E f ffusivité thrmiqu... J.m -2.K -1.s -1/2 m M p épaissur d la couch du mortir...m épaissur du mur...m épaissur du planchr...m J radiosité...w.m -2 ' J radiosité adimnsionnll... h cofficint d échang convctif... W.m -2.K -1 H M L hautur du mur...m dmi-largur du sol prturbé...m Nk rapport ds conductivités thrmiqus... -xi-
Nr nombr adimnsionnl du rayonnmnt... Nu nombr d Nusslt moyn sur la paroi chaud du bâtimnt... NX nombr total d nœuds slon la dirction horizontal... NY nombr total d nœuds slon la dirction vrtical... p prssion... Pa P prssion adimnsionnll... P r nombr d Prandtl... q puissanc émis par la résistanc chauffant... W Q flux d chalur moyn adimnsionnl... qr k dnsité surfaciqu du flux radiatif nt échangé par la paroi k du bâtimnt...w.m -2 Q rk flux d chalur radiatif adimnsionnl... r position sur la paroi du bâtimnt...m ' r position adimnsionnll associé à r... R résistanc chauffant... Ra nombr d Rayligh... S air d la surfac d l échantillon prpndiculair au flux d chalur... m 2 T tmpératur... C u, v composants d la vitss slon ls dirctions x t y... m.s -1 U, V composants adimnsionnlls d la vitss... V tnsion aux borns d la résistanc chauffant...volt x, y coordonnés cartésinns...m X, Y coordonnés cartésinns adimnsionnlls... SYMBOLES GRECS diffusivité thrmiqu... m 2.s -1 cofficint volumétriqu d'xpansion thrmiqu... cofficint d déprdition thrmiqu... W. C -1 ε émissivité ds surfacs intériurs du bâtimnt... dnsité d flux d chalur par unité d longuur...w.m -1-1 K -xii-
γ rapport ds tmpératurs... coordonné adimnsionnll à l'intrfac fluid solid... conductivité thrmiqu... W.m -1.K -1 viscosité dynamiqu du fluid... Kg.m -1.s -1 υ viscosité cinématiqu... m 2.s -1 θ tmpératur adimnsionnll... mass volumiqu... Kg.m -3 σ constant d Stfan-Boltzman... W.m -2.K -4 τ tmps adimnsionnl... ψ fonction d courant adimnsionnll... t pas d tmps... s INDICES a... air amb... ambiant B... boit C... fac chaud con... convction xp... xpérimntal F... fac froid i... intériur m... mortir M... mur litt... littératur p... planchr r... radiatif s... sol t... toit Tot...total w... napp phréatiqu -xiii-
INTRODUCTION GENERALE L souci d'économi d'énrgi t l bsoin du confort thrmiqu approprié constitunt ls principals raisons justifiant l'intérêt porté à l'étud du bâtimnt. En fft, ds étuds mnés n rlation avc c gnr d souci font qu'un nombr croissant d chrchurs s pnchnt sur l problèm d l'utilisation rationnll d l'énrgi ainsi qu sur clui du confort thrmiqu. Cs problèms sont très vasts t complxs car ils dépndnt d baucoup d paramètrs tls qu: La natur ds matériaux utilisés; L'intraction bâtimnt - sol; L couplag ds différnts mods d transfrts d'énrgi. Quant à la natur ds matériaux, la détrmination ds propriétés thrmophysiqus usulls tll qu la conductivité t la diffusivité thrmiqu contribu à un millur connaissanc du comportmnt thrmiqu ds matériaux utilisés dans un grand nombr d domains à savoir, domain d géni civil, construction t isolation, industri, agricultur, t aussi dans l domain d potri, pharmacutiqu tc. Cs matériaux sont, l béton, l mortir, ls différnts matériaux d'isolation thrmiqu t l sol. L sol, qui st répandu partout dans l mond t utilisé quotidinnmnt par l'homm, st un matériau qui st lié fortmnt à l'au. Cpndant, la plupart ds étuds -1-
disponibls dans la littératur assimilnt c drnir à un miliu homogèn. Ctt hypothès n'st pas toujours vérifié à caus d la variation du taux d'humidité dans c matériau n fonction d sa profondur. En conséqunc, la détrmination ds caractéristiqus ds matériaux dépnd fortmnt d sa tnur n au t rnd difficil l stimation d cs caractéristiqus par ds modèls simpls. Ainsi l moyn fficac prmttant d caractérisr cs matériaux s fait par l biais d l xpérinc. D autr part, la simulation numériqu ds transfrts d'énrgi couplés ntr un bâtimnt t l sol s bas sur l stimation ds différnts propriétés thrmophysiqus ds parois ou du sol qui ntour l bâtimnt par ds grandurs constants. Cs étuds considèrnt aussi qu la tmpératur intériur du local st constant n négligant l'fft du rayonnmnt ntr ls parois intériurs du local ainsi qu la convction naturll. Pour fair un étud fin du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, l couplag par trois mods du transfrt d chalur à savoir : transfrt d chalur par conduction, convction t rayonnmnt st nécssair. Par aillurs, ds travaux qui tinnnt compt d c couplag intim d'énrgi dans un habitat sont rars. La plupart, ds travaux ayant traité c gnr d problèms s limitnt à l'étud ds ffts d la conduction ou du rayonnmnt sur la convction naturll dans un cavité carré ou rctangulair différntillmnt chauffé. Dans c contxt, il st intérssant d étudir l comportmnt d un bâtimnt soumis à ds xcitations thrmiqus n présnc d couplags sol - bâtimnt t différnts mods d transfrts n s basant sur ds caractéristiqus rélls détrminés xpérimntalmnt. Ctt thès s compos d quatr chapitrs : Dans l prmir chapitr, d c travail, nous présntons un étud bibliographiqu du comportmnt thrmiqu ds différnts habitats, rncontrés n pratiqu, n contact avc l sol. Cs configurations sont: planchr sur trr-plin, bâtimnt smi - ntrré t complètmnt ntrré. En suit, nous xposons un invstigation fait, par ls différnts auturs, sur ls transfrts d chalur couplés par convction, conduction -2-
t/ou rayonnmnt. En fin, nous présntons un rvu bibliographiqu sur ls différnts méthods mployés dans la littératur pour la détrmination ds propriétés thrmophysiqus ds matériaux. L princip d msur d cs méthods st égalmnt détaillé. L duxièm chapitr st consacré à la présntation ds résultats xpérimntaux. Cs résultats sont xposés n dux partis: La prmièr parti, d c chapitr, concrn la caractérisation thrmophysiqu d'un matériau qui st à la bas d la majorité ds travaux d maçonnri. Il s agit du mortir qui st un mélang d sabl, d'au t d liant cimnt. L'fft d la granulométri du sabl ainsi qu l dosag du cimnt dans l mélang font l'objt d ctt étud. La duxièm parti, du mêm chapitr, fait l'objt d'un étud d la détrmination ds propriétés thrmophysiqus, n fonction d la tnur volumiqu n au, du sol prélvé ds différnts sits d la région d Agadir au Maroc. Cs matériaux sont: limon siltux, limon big, limon calcair t l sabl. Cs sols limonux ont été idntifiés slon la classification LCP Laboratoir Cntral ds Ponts t Chaussés. L troisièm chapitr, st consacré à un étud ds transfrts d chalur couplés ntr l sol t ls dux typs d bâtimnts: complètmnt ntrré t smi ntrré. Ls surfacs intériurs ds parois ds clluls bidimnsionnlls étudiés sont colmatés à chaqu fois par un couch du mortir qui st à bas du cimnt t d sabl avc différnts granulométris du sabl t pour différnts dosags du cimnt. La méthod implicit aux dirctions altrnés ADI st choisi pour résoudr ls équations régissant la conduction d énrgi dans l sol t ls parois solids du bâtimnt. Dans l quatrièm chapitr d ctt thès, nous présntons un étud numériqu ds transfrts thrmiqus couplés par conduction, convction naturll t rayonnmnt à travrs un bâtimnt sur trr plin. Ls transfrts d chalur sont supposés bidimnsionnls t l écoulmnt d air dans l'habitat st laminair. Ls équations qui régissnt chaqu mod d transfrt d chalur sont discrétisés par la méthod ds -3-
volums d contrôl t sont résolus simultanémnt n utilisant l algorithm SIMPLEC. Ls résultats sont présntés n trm d ligns d courant, isothrms, flux d chalur vrtical, flux d chalur horizontal t flux radiatifs l long d la surfac chaud t froid du bâtimnt. Ls distributions d cs flux sont présntés pour différnt nombr d Rayligh. Ls ffts du nombr d rayonnmnt t l rapport d tmpératurs sur l nombr du Nusslt t l flux d chalur global travrsant l bâtimnt sont égalmnt discutés dans c quatrièm chapitr. À la fin d c manuscrit, un conclusion général contint un bilan ds résultats obtnus. Enfin, ls prspctivs d c travail sont présntés. -4-
Chapitr I Etud bibliographiqu I.1 INTRODUCTION C prmir chapitr présnt un étud préliminair sur l'état d l'art t dévloppmnt du bâtimnt t un étud bibliographiqu ds différnts rchrchs, présntés dans la littératur, d l'évaluation ds bilans thrmiqus ds bâtimnts n contact avc l sol, ds transfrts d chalur couplés par convction, conduction t/ou rayonnmnt ainsi qu d la caractérisation thrmophysiqu ds matériaux. Cs différnts invstigations bibliographiqus sont présntés n trois principaux paragraphs: L duxièm paragraph présnt d nombruss étuds mnés par ds chrchurs portant sur l comportmnt thrmiqu ds différnts habitats, rncontrés n pratiqu, n contact avc l sol. Cs configurations sont: planchrs sur trr - plin, bâtimnt smi - ntrré t complètmnt ntrré. Ls différnts étuds faits sur l transfrt d chalur couplé par convction, conduction, t/ou rayonnmnt sont discutés dans l troisièm paragraph d c chapitr. Dans l drnir paragraph du présnt chapitr, nous présntons un rvu bibliographiqu sur ls différnts méthods mployés dans la littératur pour la détrmination ds propriétés thrmophysiqus ds matériaux. L princip d msur d cs méthods st égalmnt détaillé. -5-
I.2 BATIMENT: ETAT DE L'ART ET DEVELOPPEMENT I.2.1 Historiqu Ls prmièrs maisons durs d l humanité ont été ds cavrns naturlls crusés par l au t l vnt dans ds falaiss d roch, d composit sablux ou la trr - argil. Lorsqu un cavrn n était pas assz profond, nos ancêtrs, procédant par imitation, ont tnté d construir ds avancés d cavrn n utilisant l matériau disponibl sur plac, par xmpl la trr - argil. La tchniqu la plus simpl consist à réalisr ds bouls d trr - argil humidifié qu l on mpil n ls tassant. Souvnt la form naturll d un grott st cll d la voût nubinn t ls homms s sont mis à imitr ctt form. En parallèl s sont dévloppés ls hutts à bas d branchags t, là aussi, on n vint aussi facilmnt à la form nubinn. Cs matériaux, qui ont été utilisés dans la construction dpuis ds millénairs, ont, pu à pu, été rmplacés par ds matériaux d construction plus ou moins résistants. En fft, ls Grcs, aux alntours du IV èm siècl avant J.C, avaint découvrt qu crtains trrs d'origin volcaniqu, mélangés à la chaux étint, formaint ds mortirs qui pouvaint durcir mêm dans ds conditions d fort humidité t allr jusqu'à résistr à l'au. En suit, ls gnts ont pu découvrir ds matériaux modrns t résistants, construisant ainsi ds bâtimnts répandus sur un suprfici assz larg. Pour aménagr l'spac d'un bâtimnt, l'homm a muté l'habitat social, qui avait été caractérisé par d grands nsmbls construits dans un contxt d fort pénuri d logmnts, vrs ds ptits habitats n plusiurs étags collctifs pour un millur confort t qualité d vi t d'organisr l cadr d vi ds vills t du miliu rural. Aujourd'hui, ls gns pnsnt à un construction durabl qui consist à limitr l'impact ds bâtimnts sur l'nvironnmnt t ls homms tout n lur garantissant un qualité supériur n matièr d'sthétiqu, d durabilité t d résistanc n intégrant ds sourcs d énrgis rnouvlabls lors d la concption du bâtimnt. Ctt concption prnd n compt tout l cycl d vi ds ouvrags, du choix ds produits initiaux jusqu'à lur démolition t lur rcyclag dans l'objctif d présrvr ls rssourcs naturlls. Améliorr l inrti thrmiqu ds bâtimnts pour réduir ls facturs d chauffag t d climatisation ainsi qu ls émissions d CO2, contrôlr l viillissmnt ds ouvrags, t pour ls populations ls plus démunis, concvoir ds logmnts à faibl coût pour améliorr ls conditions d vi. -6-
I.2.2 Contraints liés au changmnt d mod d construction I.2.2.1 Contraints mécaniqus Parmi ls principaux facturs qui poussait l'homm au cours d l'histoir à changr la façon d construction d'un habitat t à la substitution ds ancins matériaux argil par d'autrs plus résistants béton armé, c'st l problèm d'ffondrmnt ds bâtimnts qui s produit chaqu jour à caus d la résistanc qu'ils n'avaint pas pour supportr un tlls chargs qui lur ont été imposés. I.2.2.2 Contraints liés au confort L confort n'ntraîn pas d gên, l'inconfort ntraîn un gên sans pour autant présntr un risqu pour la santé. Crtains circonstancs défavorabls puvnt aggravr ctt situation: locaux confinés sans vntilation, sans toitur, xposition sans protction aux rayonnmnt solair, absnc d'éclairag naturl. Cs mauvaiss conditions inadéquats dans un bâtimnt puvnt ntraînr l'insatisfaction t l'inconfort ds mployés, réduir lur rndmnt au travail, t accroîtr l'absntéism. Cs mauvaiss conditions puvnt égalmnt affctr la santé ds occupants t causr ds malaiss physiqus, comm ds maux d têt, ds irritations du nz, d la gorg, ds yux t d la pau, ds nausés t d la somnolnc. Ls ffts biologiqus d la lumièr naturll sur l'homm sont très importants. Aujourd'hui, nous savons qu la variation quotidinn d la lumièr naturll jou un rôl d synchronisation d nos rythms «intrns» aux cycls diurns t saisonnirs. La lumièr xcit la sécrétion d crtains hormons, par un voi distinct du chmin visul. I.2.2.3 Contraints acoustiqus Jusqu'à nos jours, l bruit présnt un fort nuisanc aux habitants soit dans l miliu rural ou bin l miliu urbain. Dans l miliu rural, c problèm provint ds différnts sourcs à savoir la nuisanc du au changmnt du climat qui produit ainsi un vitss élvé du vnt, l'orag, la plui t aussi la nuisanc du à l'hurlmnt ds animaux. En plus d cs sourcs, ls habitants du miliu urbain souffrnt ds différnts sorts d bruit provnant d la circulation automobil, apparils d chauffag, d vntilation t d climatisation. -7-
I.2.2.4 Contraints liés au coût L choix ds matériaux t composants du bâtimnt ainsi qu lur utilisation n puvnt pas s basr sur ls suls considérations pratiqus t économiqus mais doit aujourd'hui aussi intégrr ls considérations énrgétiqus t la rarté ds matièrs prmièrs. En fft, la préparation d qulqus matériaux d construction à partir d la matièr prmièr qui st dvnu rar nécssit baucoup d'énrgi, pris n compt l transport t vu qu ls principals sourcs d énrgis, non rnouvlabls, sont dérivés ds hydrocarburs tls qu l pétrol, l gaz naturl t ls huils lur vitss d régénération st xtrêmmnt lnt à l'échll humain, t la consommation intnsiv, d'où ls risqus d'épuismnt actuls. En c qui concrn l'énrgi nucléair, ls gismnts d'uranium sont limités. Cs différnts raisons ont provoqué la croissanc du coût d'énrgi t clui ds matériaux d construction. 1.2.2.5 Cadr juridiqu Construir st un act risqué : un défaut d concption ou d construction put avoir ds conséquncs gravs sur la solidité d un ouvrag, sur la sécurité d ss futurs occupants ou ncor sur sa prformanc thrmiqu, acoustiqu ou sur sa résistanc aux séisms. A ct fft, aujourd'hui, ls organisms d inspction t d contrôl sont mis n plac pour assurr la vérification d la conformité ds objts ouvrags, installation ou apparils à ds donnés préétablis règlmnts, stipulations normativs ou contractulls pour s'assurr du rspct ds xigncs rquiss par ls réglmntations applicabls, ls spécifications ds cods d construction, ds norms, ds cahirs ds chargs t ds règls d l'art lors d la concption, fonctionnmnt ou d la maintnanc ds objts soumis à l'inspction. I.2.3 Caractéristiqus intrinsèqus ds matériaux d construction Ls différnts contraints, qui sont dus aux changmnts d mod d construction ds bâtimnts, ont mné ls chrchurs à s focalisr sur la connaissanc ds différnts propriétés intrinsèqus d'un matériau. Parmi cs caractéristiqus intrinsèqus, on trouv: Ls caractéristiqus mécaniqus rprésntativs tlls qu la résistanc mécaniqu n comprssion t n traction t ls déformations élastiqu, plastiqu t visquus. Ls caractéristiqus acoustiqus à savoir: la prméabilité, la porosité t l cofficint d'absorption. -8-
ls caractéristiqus thrmophysiqus qui sont: la conductivité thrmiqu la diffusivité thrmiqu la chalur massiqu ainsi qu l'ffusivité thrmiqu. I.2.4 Répons ds bâtimnts aux différnts xcitations t contraints En parallèl aux différnts contraints dus aux changmnts d mod d construction ds bâtimnts, ls différnts chrchurs s sont intérssés à l'amélioration ds prformancs d'un habitat par un étud fin du comportmnt d c drnir qui st soumis aux différnts xcitations à savoir: mécaniqus, acoustiqus t thrmiqus. Ctt étud st fait xpérimntalmnt ou numériqumnt. Dans l cas du comportmnt mécaniqu d'un bâtimnt, ls étuds s'intérssnt à la rlation ntr ls contraints t déformations d'un structur d c bâtimnt afin d dimnsionnr la structur d c drnir suivant un critèr d résistanc ou d déplacmnt admissibl. L'étud rlativ à la limitation ds ffts sonors, intériurs ou xtériurs, dans ls bâtimnts a attiré l'intntion d différnts chrchurs. Ctt étud concrn la connaissanc d la répons du bâtimnt aux onds acoustiqus ou bin clls d prssion. L'étud d la répons d'un bâtimnt aux différnts xcitations thrmiqus intérss un nombr croissant d chrchurs. Ctt étud st très vast t complx car ll dépnd d: -La form t l typ ds bâtimnts; -Ls systèms d captation t d récupération d'énrgi; -La natur ds matériaux utilisés; -L'intraction bâtimnt - sol; -L couplag ds différnts mods d transfrt d'énrgi. Dans l présnt travail, notr étud st focalisé sur la détrmination ds caractéristiqus thrmophysiqus ds matériaux d construction t l'étud du comportmnt d'un bâtimnt soumis aux différnts xcitations thrmiqus. 1.2.5 Caractérisation thrmophysiqu La détrmination ds propriétés thrmophysiqus usulls tl qu la conductivité t la diffusivité thrmiqu contribu à un millur connaissanc du comportmnt thrmiqu ds matériaux utilisés dans un grand nombr d domains à savoir, domain d géni civil, construction t isolation, industril, agricultur, t aussi dans l domain d potri, -9-
pharmacutiqu tc. Cs matériaux sont, l béton, l mortir, ls différnts matériaux d'isolation thrmiqu t l sol. I.2.6 Répons d'un bâtimnt aux différnts xcitations thrmiqus L'étud du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, soumis à ds xcitations thrmiqus, a attiré l'intntion d plusiurs chrchurs durant ctt drnièr décnni. En fft, la concption ds nvlopps ds bâtimnts qui sont n contact avc l sol ainsi qu l'analys ds transfrts d chalur par ls différnts mods à travrs cs drnirs s intègrnt dans un démarch d maîtris d l énrgi t constitunt d c fait un nju capital pour l'économi d'énrgi. Ells nécssitnt la connaissanc ds réponss d'un bâtimnt aux différnts xcitations thrmiqus t doivnt prmttr d évitr l rcours à ds dispositifs d chauffag ou d rfroidissmnt coûtux. Ctt concption t analys prmttnt alors d limitr l impact d la production d énrgi sur l nvironnmnt. Dans c cadr, qulqus auturs ont démontré qu'il st nécssair d rcourir à ds solutions dits passivs, dont l princip d action utilis ls moyns naturls. Ainsi, la nécssité d connaîtr profondémnt ls phénomèns physiqus auxquls st soumis un bâtimnt. L'invstigation fait sur ls différnts configurations ds bâtimnts n contact avc l sol st présnté dans l paragraph suivant. I.3 COMPORTEMENT THERMIQUE DES BATIMENTS EN CONTACT AVEC LE SOL L'étud du comportmnt thrmiqu ds bâtimnts n contact avc l sol a été traité dans plusiurs configurations: planchr sur trr-plin, bâtimnt smi - ntrré t complètmnt ntrré. Cs différnts configurations sont illustrés rspctivmnt sur la figur 1.1, la figur 1.2 t la figur 1.3. Dans c paragraph, nous présntons qulqus travaux xposés dans la littératur étudiant l transfrt d'énrgi à travrs cs trois configurations. Ctt invstigation a été fait dans l but d'acquérir un millur connaissanc du comportmnt thrmiqu d n'import qul sort d bâtimnt. I.3.1 Planchr sur trr - plin L problèm du couplag thrmiqu ntr un planchr sur trr - plin t l sol a été largmnt discuté par plusiurs auturs. Dans ctt optiqu, Sangho Choi t Moncf Krarti [1] ont étudié l cas d'un planchr sur trr - plin, ils ont calculé l'énrgi prdu par c drnir -10-
t la distribution ds isothrms au sin du sol n considérant qu l profil d la tmpératur d l'air intériur st non uniform. Ls profils ds tmpératurs étudiés sont: profil xponntil, linéair t échlon. La méthod adopté st cll nommé ITPE tchniqu smi analytiqu d l'estimation du Profil d Tmpératur Intrzon. Pour tnir compt ds variations n fonction du tmps ds échangs d'énrgi ntr ctt configuration t l sol, A.Abdlaki [2] a étudié l comportmnt thrmiqu d'un planchr sur trr - plin n adoptant trois méthods: méthod analytiqu ITPE, méthod convolutiv fonctions d transfrt bidimnsionnlls t méthod implicit ds différncs finis. Cs trois procédurs sont xpliqués à l'analys du comportmnt thrmiqu d plusiurs configurations, "sol+planchr" dans dux climats typiqus froid t chaud. Il a égalmnt tsté ls ffts d la conductivité thrmiqu du planchr t d l'isolation d la surfac d c drnir sur ls échangs d chalur ntr l planchr n qustion t l sol. La solution, par la tchniqu ITPE, d'un planchr sur trr - plin a un march a été présnté par S. Choi t M. Krarti [3]. Cs drnirs ont tsté ls ffts d plusiurs paramètrs sur la distribution ds isothrms au sin d la structur t sur la prt d'énrgi total du planchr. Cs paramètrs concrnnt la longuur du planchr isolé, profondur d'isolation vrtical l long d la surfac d la march du sol, distanc ntr l planchr t la mêm march t la profondur d la march étudié. Ls résultats obtnus montrnt qu ls isothrms t l'énrgi total prdu par la fondation n sont pas influncés par la présnc d ctt march. Cs mêms résultats ont montré qu l'énrgi total prdu par l planchr put êtr réduit significativmnt n plaçant l'isolant dirctmnt l long d la surfac d c drnir au liu d l placr l long du mur d la march. En plus d l'étud dynamiqu, M. Krarti [4] a tsté égalmnt l'fft d la variation ds propriétés thrmophysiqus du sol sur l transfrt d chalur conductif du planchr isolé horizontalmnt, sur la variation annull du champ d tmpératur t sur la prt/ gain d'énrgi du planchr. L champ d tmpératur t l'énrgi prdu par c drnir sont présntés, n régim variabl, pour ls dux conditions d'hivr t d'été. Ls résultats ont montré qu la faibl conductivité thrmiqu du sol qui st n contact avc l périmètr du planchr résult généralmnt un réduction d l'amplitud annull d'énrgi prdu par c drnir. L transfrt d chalur ntr l sol t un planchr massif qui put êtr chauffé ou rfroidi a été étudié par P. Chuangchid t M. Krarti [5] n dux régims stationnair t variabl. Ls -11-
isothrms au sin du coupl planchr - sol t la prt/ ou gain d'énrgi mnsull du planchr ont été détrminés sous l'fft d'isolation d c drnir qui st à chaqu fois chauffé ou rfroidi. Ls résultats trouvés ont montré qu l'isolation thrmiqu d la dall étudié a un fft considérabl sur l champ d tmpératur du sol t l'énrgi prdu par l planchr. Récmmnt, A. Al-Anzi t M. Krarti [6-7] ont appliqué un nouvll tchniqu, nommé Local/ Global L-G, pour résoudr l problèm ds transfrts d chalur couplés ntr un bâtimnt t l sol. En particulir, l'étud ds transfrts d chalur du planchr sur trr-plin n contact avc l sol. Ctt nouvll méthod consist à combinr dux tchniqus, analytiqu t numériqu. La méthod analytiqu st utilisé pour la résolution du problèm du transfrt d chalur au sin du domain global. Par contr la tchniqu numériqu méthod ds différncs finis st utilisé pour obtnir la solution du transfrt d chalur au sin du domain local n incluant ls détails ds fondations qui sont ignorés par l modèl global. La méthod L-G put êtr fficac pour l'évaluation ds transfrts d chalur n régim transitoir ds fondations d'un planchr sur trr plin. -12-
Mur Mur Mur Mur Planchr sur trr - plin Sol Napp phréatiqu Figur 1.1 Planchr sur trr - plin. Planchr Sol Napp phréatiqu Figur 1.2 Bâtimnt smi - ntrré Toit Planchr Sol Napp phréatiqu Figur 1.3 Bâtimnt ntrré. -13-
I.3.2 Bâtimnt smi - ntrré Un intérêt particulir a été porté par ls thrmicins d l'habitat aux bâtimnts smi - ntrrés. En fft, dans ds conditions climatiqus chauds n été t froids n hivr l confort thrmiqu ds habitants st miux réalisé, lorsqu la surfac d contact ntr l bâtimnt t l sol st élvé. Dans c contxt, S. Amjad [8] a appliqué la méthod ds fonctions d transfrt t la méthod ds fonctions d transfrt multicouchs à la résolution du problèm du couplag thrmiqu ntr un bâtimnt smi - ntrré t l sol. Ell a égalmnt adapté cs dux méthods à l'étud ds transfrts d'énrgi ntr l sol t ls trois structurs à savoir: planchr sur trr - plin, bâtimnt smi - ntrré t bâtimnt complètmnt ntrré [9]. Ctt tchniqu a été étudié pour prédir l transfrt d chalur ntr l sol t ls trois configurations n qustion. Dans l'objctif d'étudir l'fft d la conductivité thrmiqu ds matériaux d construction sur l'état d'équilibr d'un nvlopp ntrré d'un bâtimnt, Yanping Yuan t al. [10] ont étudié trois sctions ntrrés d'un bâtimnt construits avc différnts matériaux. Ils ont calculé l flux d chalur échangé ntr la sction du bâtimnt ntrré t l sol t ils ont égalmnt calculé la tmpératur moynn d la mêm sction. Cs dux grandurs sont obtnus n fonction d la tmpératur d l'air intériur du local qui st supposé constant pour chaqu calcul. L'étud fait, n fonction d la conductivité thrmiqu, a montré qu ls échangs prt/ou gain d chalur ntr l'nvlopp ntrré du bâtimnt t l sol puvnt attindr 27.8%. Un étud du transfrt d chalur ntr un bâtimnt smi - ntrré, dont ls facs xtériurs sont isolés ls dux facs xtériurs ds dux murs t cll du planchr, t l sol a été mné par M. Krarti [11]. Ctt étud port n fait sur l'optimisation d l'isolation ds facs xtériurs d la structur rctangulair qui sont maintnus à chaqu fois à un flux constant. L résultat trouvé a montré qu pour minimisr ls prts d chalur ntr l bâtimnt n qustion t l sol, l'épaissur d l'isolant doit êtr non uniform l long ds surfacs xtériurs du bâtimnt. L sul inconvénint d ctt procédur st dû principalmnt au coût d l'installation d l'isolation ds surfacs d l'habitat étudié qui st élvé. -14-
I.3.3 Bâtimnt complètmnt ntrré L bâtimnt complètmnt ntrré a été étudié par plusiurs chrchurs n raison du confort thrmiqu qu'il put présntr t la réduction d la consommation d l'énrgi du au couplag fort ntr c bâtimnt t l sol. Parmi ls rchrchs faits dans c sns, il y a cll d S. Amjad [12]. Ctt drnièr a adopté la méthod ds fonctions d transfrt bidimnsionnlls t sous - structurations au calcul ds échangs d chalur ntr ls cavités complètmnt ntrrés t l sol. La validation d cs dux méthods a été réalisé n confrontant lurs résultats à cux d la méthod ADI. Dans l mêm contxt, S. Choi t M. Krarti [13] ont appliqué la méthod analytiqu ITPE à l'optimisation d l'isolation thrmiqu l long ds facs xtériurs, qui sont maintnus à chaqu fois à un flux constant, d'un bâtimnt complètmnt ntrré. Ls résultats trouvés, n régim prmanant, ont montré qu pour minimisr ls prts d chalur ntr l bâtimnt n qustion t l sol, l'épaissur d l'isolant doit êtr non uniform l long ds surfacs xtériurs d la structur figur 1.4. En fft, un étud comparativ, ntr la distribution d l'isolmnt thrmiqu uniform t non uniform, a prouvé qu'avc ctt optimisation d l'isolation thrmiqu, l'énrgi récupéré put attindr jusqu'à 35%. L sul inconvénint d ctt procédur st dû principalmnt au coût d l'installation d l'isolation ds facs xtériurs du bâtimnt étudié qui st élvé. Shn t Ramsy [14] ont présnté un méthod smi - analytiqu simplifié pour l calcul ds transfrts thrmiqus à travrs ds clluls ntrrés. Krarti [15] a égalmnt adopté la méthod ITPE Estimation du Profil d Tmpératur Intrzon au calcul ds échangs thrmiqus ntr ls structurs ntrrés t l sol. Ls distributions d tmpératur n régim prmannt t au sin du systèm "bâtimnt - sol" ont été détrminés par M. Krarti [16] t par S. Amjad [17] n adoptant la méthod analytiqu ITPE t la méthod ADI rspctivmnt. La prformanc d cs bâtimnts dans c gnr d utilisation a été antériurmnt prouvé par Eckrt [18]. La majorité d cs travaux assimilnt la tmpératur intériur du local constant n négligant l'fft du rayonnmnt ntr ls parois intériurs du local ainsi qu la convction naturll à l'intériur d clui-ci. Pour fair un étud fin du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, l couplag par trois mods du transfrt d chalur à savoir : transfrt d chalur par -15-
Surfac du sol Isolmnt Bâtimnt Napp phréatiqu Isolmnt Figur.1.4 Bâtimnt complètmnt ntrré. -16-
conduction, convction t rayonnmnt st nécssair. On outr, ds travaux qui tinnnt compt d c couplag intim d'énrgi dans un habitat sont rars. La plupart ds travaux, présntés dans l paragraph suivant, ayant traité c gnr d problèms sont rstrints à l'étud ds ffts d la conduction ou du rayonnmnt sur la convction naturll dans un cavité carré ou rctangulair différntillmnt chauffé. I.4 TRANSFERTS DE CHALEUR COUPLES À TRAVERS UN BATIMENT L'étud du couplag convction naturll, conduction t/ou rayonnmnt a connu ds progrès considérabls dans l domain ds bâtimnts n faisant ainsi l objt d nombruss invstigations. En outr, qulqus étuds disponibls dans la littératur sont rstrints au couplag simpl, convction, conduction ou rayonnmnt. En vu d cla, Larson t Viskanta [19] t Lag t al. [20] ont étudié l'influnc ds échangs radiatifs ntr ls parois intériurs d'un cavité sur la convction naturll. Ls ffts d la conduction dans un paroi d la cavité sur la convction ont été traités par Koutsohras t Chartrs [21] t par Kim t Viskanta [22-23]. Ls transfrts conductifs dans un partition séparant dux cavités rctangulairs ont été pris n compt dans l'étud d la convction naturll ffctué par Tsan- Hui Hsu t So-Ynn Tsai [24]. D autrs travaux disponibls dans la littératur, dans l mêm domain, sont rstrints à ds étuds simpls. En fft, Costa [25] a travaillé sur un cavité carré avc dux parois conductrics horizontals. Ouardi [26] a égalmnt étudié l comportmnt d un habitat dans l climat d Marrakch. Sans tnir compt d la convction naturll t ds échangs radiatifs ntr ls parois intériurs du local, D. Khain t ss co-auturs [27] ont évalué ls réponss du local n régim dynamiqu à ds sollicitations indicills t harmoniqus ds tmpératurs xtériurs. Ctt étud a été fait n élaborant un modèl mathématiqu basé sur la théori ds fonctions d Grn pour la mis n évidnc d l'inrti thrmiqu du local à partir d la résolution d l'équation d propagation d la chalur dans l mur t d l'équation du bilan thrmiqu d l'air intériur du local. Récmmnt, H. Wanga t al. [28] ont dévloppé un cod numériqu pour l couplag, just, d la convction naturll n cavité avc l rayonnmnt d surfacs t ds étuds sont mnés pour un cavité carré rmpli d air dont ls quatr parois ont la mêm émissivité. -17-
Un étud numériqu détaillé qui tint compt à la fois ds transfrts thrmiqus conductif, convctif t radiatif dans ds structurs alvéolairs bidimnsionnlls a été présnté par Abdlbaki [29]. Parmi, ls ffts ayant été xaminés dans ctt étud, il y avait clui du nombr d'alvéols dans ls dux dirctions d transfrt d chalur. Ls travaux [29-31], du mêm autur, ont porté sur l étud ds transfrts thrmiqus couplés dans ds parois alvéolairs vrticals formés par ds briqus cruss n trr cuit utilisés dans la construction ds murs vrticaux ds bâtimnts. Cs travaux, basés sur ds modèls d simulation détaillés, ont mné à la détrmination d cofficints d transfrt d chalur à travrs ls murs alvéolairs vrticaux du bâtimnt. Il s agit, n fait, ds cofficints d échang global d chalur n régim prmannt t ds cofficints d la fonction d transfrt n régim variabl. La suit d l'étud précédnt a été étndu par T. Ait-talb t ss coauturs [32-36] aux cas ds hourdis pour construir ds planchrs. Cci a nécssité la résolution du problèm du couplag ntr ls trois mods d transfrt d chalur dans un structur alvéolair avc un chauffag vrtical. Ls dux situations suivants ont été nvisagés : chauffag par l bas ou chauffag par l haut. L mêm autur a procédé égalmnt à la détrmination, n régim stationnair, ds conductancs thrmiqus globals spécifiqus aux hourdis, la détrmination ds cofficints d la fonction d transfrt CFT pour ls hourdis t la simulation numériqumnt ds transfrts thrmiqus couplés par conduction, convction t rayonnmnt n régim transitoir à travrs la structur étudié chauffé vrticalmnt par ds xcitations thrmiqus rélls. Ls flux obtnus sont utilisés pour l'idntification ds cofficints CFT mpiriqus qui n puvnt pas êtr générés par ls méthods analytiqus ds fonctions d transfrt. Tadrari t H. El harfi [37-38] s sont intérssés à l'étud fin n régim prmannt bidimnsionnl du coulag convction naturll rayonnmnt conduction dans un mur tromb non vntilé soumis à un flux solair. Récmmnt, Boukandil [39-40] a étudié numériqumnt ls transfrts thrmiqus couplés par convction naturll, conduction t rayonnmnt dans un cavité vrtical ayant ds parois alvéolairs. Ls résultats d simulation sont présntés pour différnts rapports d form d la cavité cntral t différnts écarts d tmpératur ntr ls facs vrticals d la structur isothrm. -18-
Un invstigation sur l nombr d Rayligh critiqu au dssous duqul l régim laminair st ncor établi vari d'un autur à l'autr dans l cas d la convction naturll au sin d'un cavité carré dont ss parois vrticals sont différntillmnt chauffés. En fft, pour un cavité carré différntillmnt chauffé, l nombr d Rayligh critiqu qui sépar l régim laminair t l régim turbulnt st d l'ordr d 10 10 slon Chin [41]. Jons and Laundr [42] ont considéré qu l régim laminair, dans la mêm structur t pour ls mêms conditions aux limits, st d l'ordr d par R. A. W. M. HENKES t al. [43] st d l'ordr d 11 10. L nombr d Rayligh critiqu adopté 9 10. La transition du régim laminair au régim turbulnt a été obsrvé par Bohn t al. [44] pour un nombr d Rayligh d l'ordr d 10 10 dans l cas d'un étud xpérimntal d la convction naturll au sin d'un cavité cubiqu dont ls parois vrticals sont différntillmnt chauffés. Un invstigation xpérimntal d la convction naturll au sin d'un cavité cubiqu à grand nombr d Rayligh a été réalisé par A. T. Kirkpatrick t M. Bohn [45]. Y.S. Tian, T.G. Karayiannis [46] ont comparé lurs résultats d la distribution d tmpératur adimnsionnll, à mi - hautur d la paroi gauch d la cavité carré, à cux d la modélisation numériqu obtnus par Lankhorst [47]. Ctt comparaison a été ffctué n régim laminair dont l nombr d Rayligh vari d 6 10 jusqu'à 10 10. Ls parois vrticals d ctt cavité sont différntillmnt chauffés par contr ls parois horizontals sont adiabatiqus. L transfrt d chalur au sin du bâtimnt étudié figur 1.5 s fait par convction naturll à l intériur da la cavité, par rayonnmnt ntr ls facs intrns d cll-ci t par conduction dans ls différnts parois solids. Cs trois mods d transfrt d chalur sont intimmnt liés. Par conséqunt, l étud fin du comportmnt thrmiqu d l'habitat fait appl à la résolution simultané ds équations complxs traduisant ls différnts mécanisms. Ctt étud fait l'objt du quatrièm chapitr d c travail. -19-
Mur Mur Toit Planchr Figur 1.5 bâtimnt sur trr-plin. -20-
Pour fair un étud fin du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, la connaissanc ds grandurs thrmophysiqus ds différnts structurs d l'habitat étudié ainsi qu clls du sol qui ntour c drnir st important. En outr, d'après ctt étud bibliographiqu du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, un rmarqu important a été obsrvé. En fft, la majorité d cs travaux numériqus, du comportmnt thrmiqu d'un bâtimnt, assimilnt ls différnts propriétés thrmophysiqus ds parois ou du sol qui ntour l'habitat à ds constants. Dans c qui suit, nous présntons ds invstigations faits sur la caractérisation thrmophysiqu ds différnts matériaux par différnts méthods. I.5 METHODES DE MESURE DES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES Ds avancés importants sont apparus récmmnt dans l domain ds tchniqus xpérimntals ds msurs ds propriétés thrmophysiqus. Pour accédr à ctt msur, il st généralmnt nécssair d rcourir à ds tchniqus d xcitation fondés sur la méthodologi suivant. Un ds facs parfois tout l échantillon d l échantillon à étudir st soumis à un flux thrmiqu d un duré dépndant d la natur du miliu étudié. Un suivi d l évolution d la tmpératur n fonction du tmps prmt alors d déduir ls propriétés thrmophysiqus. La rlation liant la variation d la tmpératur t l évolution du tmps dépnd du modèl t méthod utilisés par différnts auturs pour idntifir cs propriétés thrmophysiqus d n'import qul matériau. En fft, la caractérisation thrmophysiqu ds liquids t ds pâts, n utilisant la tchniqu flash, a été adopté par J. Blumm t al. [48]. Wilson Nuns dos Santos [49] a mployé la méthod flash lasr pour détrminr la diffusivité thrmiqu ds polymèrs. M. Lachi t A. Dgiovanni [50] ont bâti un modèl d msur d tmpératur d surfac par contact n régim transitoir. C modèl prmt d détrminr l'influnc d l'rrur d msur d tmpératur par l captur lors d'un idntification d la diffusivité thrmiqu par la méthod flash. L'amélioration d msur d la chalur spécifiqu t la conductivité thrmiqu par la méthod flash a été fait par Sog-Kwang Kim t Yong-Jin Kim [51]. Ls propriétés thrmophysiqus d qulqus métaux, soit à l'état solid ou liquid, ont été msurés par S. Min t al. [52] n utilisant un nouvau systèm flash lasr. -21-
Dans l mêm sns, A. Dgiovanni t al. [53] ont appliqué trois tchniqus pour msurr la diffusivité longitudinal d matériaux anisotrops, il s'agit d: - la méthod flash bidirctionnll avc msur local d dux tmpératurs par contact; - la méthod d l'ailtt avc msur local ou non d dux tmpératurs par contact ou sans contact; - la méthod flash bidirctionnll avc msur du champ d tmpératur par camra infraroug t traitmnt par transformés intégrals. La msur d la diffusivité thrmiqu ds matériaux d rmplissag dntair par la méthod Angström a été réalisé par Jrzy Bodznta t al. [54]. La mêm grandur a été idntifié par la mêm méthod, Angström, d'un composit époxy durant son séchag par H.H. Friis-Pdrsn t al. [55]. Ls résultats d msur trouvés ont montré qu la diffusivité thrmiqu d c composit croit durant l séchag. Par la méthod hot disk, Salh A. t Al-Ajlan [56] ont procédé à la msur ds propriétés thrmophysiqus ds matériaux d'isolation utilisés par ls fabricants locaux Saoudit. Dans ctt étud, l'fft d la tmpératur t clui d la mass volumiqu sur la conductivité thrmiqu ont été xaminés. Alors qu la majorité ds méthods nécssitnt un xcitation, la méthod fréquntill utilisé par O. Carpntir t al. [57] st passiv t n'xploit qu ds signaux naturls. Cs mêms auturs ont pu caractérisr, in situ, dux typs d sols: argilux t sablux. La msur d la conductivité thrmiqu d un miliu granulair soumis à ds contraints mécaniqus a été réalisé par M. Filali [58]. C mêm autur a égalmnt détaillé plusiurs méthods t modèls prmttant la détrmination ds propriétés thrmophysiqus ds différnts matériaux. N. Lamkharou t al. [59] ont fait un étud d la caractérisation thrmophysiqu d la trr xtrait d la région d Larach au nord du Maroc où l mod d mis n ouvr traditionnl dominant st l adob. Ils ont montré, d'après ctt étud, qu ls paramètrs thrmiqus évolunt considérablmnt avc la tnur n au pour la trr cru 0 % d cimnt t la trr stabilisé au cimnt d 4 à 10 %. L'influnc d l'humidité sur ls propriétés thrmophysiqus d crtains matériaux locaux lièg, plâtr t briqu crus a été réalisé par A.EL Bakkouri [60-61]. Ls résultats ont -22-
montré qu l'humidité modifi considérablmnt la conductivité thrmiqu d cs matériaux. L'incorporation ds fibrs dans l plâtr amélior égalmnt son pouvoir d'isolation. C mêm autur a fait un étud d la caractérisation thrmophysiqu du béton allégé avc l lièg ou avc ds grignons d oliv [62]. Il s'st intérssé tout particulièrmnt à l'influnc d l'humidité sur la conductivité thrmiqu t l'influnc du lièg t ds grignons d oliv, intégrés dans l béton lors d son gâchag, sur la mêm grandur. L béton utilisé pour ctt étud st un béton légr constitué du sabl t du cimnt. Ls résultats ont prouvé qu la présnc d l'humidité, au sin d'un matériau, modifi considérablmnt ss prformancs, notammnt ss caractéristiqus thrmophysiqus. Ls résultats ont montré aussi qu l lièg st plus isolant qu l béton allégé avc ls grignons d oliv. Cci s xpliqu par un porosité frmé très grand dans ls granulats du lièg qu dans ls grignons d oliv, favorisant ainsi l xistnc d un quantité d air important au sin du matériau compact; d où la diminution d sa conductivité thrmiqu apparnt. Récmmnt, un étud xpérimntal a été ffctué par P.S. Ngoh-Ekam t al. [63] pour détrminr ls propriétés thrmophysiqus du bois tropical. Cinq spècs du bois d l'afriqu cntral ont été choisis. Ls influncs d la tnur d'humidité t la coupur, soit axial ou transvrsal, sur ls propriétés thrmophysiqus ont été xaminés. Cs chrchurs ont constaté qu la conductivité thrmiqu t l'ffusivité thrmiqu croissnt t la diffusivité thrmiqu décroît n fonction d la tnur n au. La caractérisation thrmophysiqu du polystyrèn xpansé a été fait par L. boukhattm [64]. La méthod qu nous avons utilisé, dans c travail, pour la msur ds propriétés thrmophysiqus a été mis au point au Laboratoir d'ingéniri ds Procédés d l'enrgi t d l'environnmnt. Ell s caractéris par un tmps d'xpérimntation baucoup moins long. Ctt méthod a fait l'objt d plusiurs publications t port l nom la "méthod ds boits". Dans c mêm paragraph, on présnt un aprçu général sur qulqus méthods t lur princip prmttant la détrmination ds propriétés thrmophysiqus ds matériaux. Parmi cs méthods, on trouv: -23-
I.5.1 Méthod du fil chaud La méthod du fil chaud prmt d'stimr la conductivité thrmiqu d'un matériau à partir d l'évolution d la tmpératur msuré par un thrmocoupl placé à proximité d'un fil résistif. La sond, constitué du fil résistif t du thrmocoupl dans un support isolant n kapton, st positionné ntr dux blocs du matériau à étudir pour ls matériaux solids t dans un ncint frmé pour ls gaz t ls liquids. L fil st rlié à un alimntation élctriqu qui lui fournit un échlon d puissanc. La msur consist à rlvr au cours du tmps soit l élévation d tmpératur soit la variation d résistanc élctriqu, du fil figur 1.6. Dans l cadr d un modélisation simpl du phénomèn, l fil st considéré infinimnt long produisant un dnsité sourc d chalur radial, appliqué à l instant initial. L énrgi st supposé dissipé uniqumnt par conduction. L échantillon st d dimnsions infinis t ss propriétés thrmophysiqus sont constants. L équation d la chalur n coordonnés cylindriqus s écrit : 2 T r t T r t, 1, 1 T r, t 2 r r r t 1.1 Figur 1.6 Dispositif xpérimntal du fil chaud. -24-
Ls conditions aux limits sont: T r, t r 0 Q r r T r, t T0 Ls conditions initials sont: 0 T r,0 T t 0 Il vint la solution suivant: 2 Q r T r, t T0 E1 1.2 4 4t Où E 1 st la fonction xponntill intégral. Pour ds ptits valurs d 2 r 4t, l dévloppmnt d E 1 au voisinag d r 0 donn : 2 Q 4t r 0 T r, t T0 ln... 2 4 r0 4t 1.3 Aux tmps longs il vint : Q Q 4 T r, t T0 ln t ln 1.4 4 4 r C 2 0 L thrmogramm, aux tmps longs, st un droit n fonction du logarithm du tmps, dont la pnt st invrsmnt proportionnll à la conductivité thrmiqu. Ctt drnièr st ainsi stimé grâc à un simpl régrssion linéair. I.5.2 Méthod du plan chaud La méthod du plan chaud st un xtnsion d la méthod du fil chaud à un géométri plan. Ell prmt d idntifir l'ffusivité thrmiqu d'un matériau. L princip d fonctionnmnt st basé sur l fait qu'un flux d chalur uniform st imposé à l intrfac d dux échantillons symétriqus d sction qulconqu t d'xtnsion infini dans la dirction prpndiculair à l intrfac. Cci st réalisé par la mis n plac d un élémnt chauffant -25-
minc occupant tout la sction d l intrfac. Ls échantillons sont assimilabls à un miliu infini si l rapport d lur longuur à l épaissur d l élémnt chauffant st supériur à 20. Par aillurs, ls facs latérals ds dux échantillons sont isolés t l transfrt put êtr considéré comm unidirctionnl. La répons n tmpératur au cours du tmps st msuré dans l plan du chauffag par un thrmocoupl. L comportmnt asymptotiqu aux tmps longs st proportionnl à la racin carré du tmps, l cofficint d proportionnalité étant dirctmnt lié à l ffusivité ds échantillons. L comportmnt aux tmps courts st influncé par l'inrti thrmiqu d la sond élémnt chauffant + thrmocoupl t par la résistanc d contact sond - miliu. I.5.3 Méthod flash L princip d bas initial d la méthod flash st l suivant : un échantillon, d form cylindriqu à facs parallèls initialmnt isothrm, st soumis sur l un d ss facs dit fac avant à un impulsion thrmiqu d court duré t uniform sur la surfac irradié. La msur d la répons n tmpératur d l échantillon sur la fac opposé au flash dit fac arrièr prmt d idntifir la diffusivité thrmiqu du matériau. Ctt méthod n nous prmt d'avoir qu la diffusivité d'un matériau. Ctt méthod, flash, a été tndu à un méthod nommé nouvau systèm flash lasr "NETZSCH LFA 457 MicroFlash" qui st la somm ds drnièrs tchnologis utilisés dans ls systèms flash lasr. C nouvau systèm put msurr ds propriétés thrmophysiqus à savoir: la conductivité thrmiqu, la diffusivité thrmiqu t la chalur spécifiqu. L lasr a un puls d longuur 330 us t un puls d'énrgi qui put attindr 15 J/puls figur 1.7. Ct instrumnt compact prmt ds msurs allant d -125 C à 1100 C utilisant dux fours différnts t intrchangabls par l utilisatur -125 C- 500 C ou 25 C - 1100 C. L dsign étanch au vid prmt ds tsts sous ds atmosphèrs définis ainsi qu sous vid. L instrumnt put msurr, avc un passur d'échantillons automatiqu intégré, plusiurs échantillons n mêm tmps. La tchnologi avancé d captur infraroug mployé dans c systèm prmt la msur d l'évolution d la tmpératur sur la surfac arrièr d l échantillon, mêm à ds tmpératurs d -125 C. -26-
Figur 1.7 Dispositif d'ssais NETZSCH LFA 457 MicroFlash. I.5.4 Méthod du Hot Disk La mis n ouvr d la méthod du Hot Disk qui s intérss à la msur ds propriétés thrmophysiqus ds matériaux st simpl. Un sond, qui srt d sourc d chalur t d captur d msur dynamiqu n nrgistrant l augmntation d la résistanc d la sond qui corrspond à l augmntation d la tmpératur st constitué d un doubl spiral d Nickl d 10 μm d épaissur pris n sandwich ntr dux fuills d isolant Kapton ou Mica suivant la tmpératur d utilisation figur 1.8. Ctt méthod Hot Disk consist à imposr un flux d chalur uniform dans un plan séparant dux échantillons symétriqus d'xtnsion infini. En plus d sa mis n ouvr qui st simpl, la méthod du hot Disk put msurr simultanémnt la conductivité thrmiqu t la diffusivité thrmiqu t donn par déduction la capacité thrmiqu ds matériaux. La difficulté qui apparaît lors d l utilisation d ctt méthod st d avoir d avanc un idé sur ls caractéristiqus thrmophysiqus du miliu. En -27-
fft, la connaissanc grossièr du matériau étudié géométri, conductivité thrmiqu prmt d prédir la profondur d pénétration t ainsi d choisir l typ d sond t la puissanc d chauff. Figur 1.8 Dispositif xpérimntal d la méthod du Hot Disk. I.5.5 Méthod d la plaqu chaud gardé L princip d msur consist à placr dux échantillons plans idntiqus d part t d'autr d'un plaqu chauffant résistanc chauffant. Ctt drnièr st divisé n dux partis qui puvnt êtr réglés indépndammnt l'un d l'autr. Pour assurr l transfrt d'énrgi unidirctionnl, on constitu ainsi sur chaqu échantillon un zon d msur la zon cntral t un zon d gard qui sra légèrmnt surchauffé pour évitr ls prts thrmiqus d la zon d msur par ss bords. Ls facs sont maintnus n contact avc ds échangurs dans lsquls circul un fluid maintnu à tmpératur constant. L dispositif xpérimntal st schématisé sur la figur 1.9. A l aid d thrmocoupls disposés d part t d autr d l échantillon étudié, la tmpératur st ainsi msuré. -28-
L modèl t la méthod d idntification sont élémntairs puisqu basés sur l transfrt unidirctionnl n régim prmannt tl qu : T 1 T 2 R 1.5 Où : R S : Quantité d chalur par unité d tmps créé par fft joul dans la résistanc; : Epaissur d l'échantillon; S : Air d la surfac d msur; T : Ecart d tmpératur ntr ls côtés chaud t froid d l'échantillon. L'inconvénint d ctt méthod apparaît dans ls tmps d'xpérimntation qui sont très longs. En fft l régim prmannt n put êtr attint qu'après un duré d 24h. gard T Sourc froid Echantillon Sourc froid Echantillon Thrmocoupl d régulation Elémnt chauffant fft d joul Figur 1.9 Princip d la plaqu chaud gardé. -29-
I.5.6 Méthod fréquntill La méthod fréquntill prmt d msurr ls propriétés thrmophysiqus, in situ, du sol. L'instrumntation xpérimntal utilisé figur 1.10 st constitué d'un fluxmètr, qui st snsibl aux trois mods d transfrt d chalur rayonnmnt, convction t conduction, t dux capturs d tmpératur. L flux d chalur msuré, la tmpératur d la surfac du sol t cll situé au dssous, à qulqus cntimètrs, d la surfac du sol étudié sont nrgistrés par un nrgistrur d donnés. Cs drnièrs donnés sont utilisés dans un systèm d'invrsion n domain fréquntil pour détrminr la diffusivité thrmiqu t l'ffusivité thrmiqu. La conductivité thrmiqu t la chalur massiqu sont égalmnt calculés. Ctt méthod st passiv t moins coûtus ll nécssit aucun xcitation t n'xploit qu ls signaux naturls. Après qulqus hurs d l'nrgistrmnt, cs signaux naturls prmttnt d'idntifir continullmnt ls propriétés thrmophysiqus du sol. Figur 1.10 Instrumntation d msur In situ. -30-
I.5.7 Méthod Angström L schéma du montag xpérimntal st présnté sur la figur 1.11. L dispositif applé, Pltir d dimnsion 2 40 40mm st porté sur un radiatur. En haut du modul d Pltir, un disqu minc d cuivr d mêm diamètr qu cux d l'échantillon à caractérisr t d'un thrmocoupl d typ K. Un couch minc d pât thrmiqumnt conductiv st placé ntr l dispositif Pltir t l disqu d cuivr. L'échantillon à étudir st placé sur c disqu. L duxièm thrmocoupl st placé sur la surfac supériur d l'échantillon. Ls surfacs latérals t la surfac supériur d l'échantillon sont thrmiqumnt isolés par un polystyrèn. L dispositif Pltir st alimnté par un courant, la sourc st contrôlé par un génératur d fonction HP33102A Hwltt-Packard. L courant sortant d la sourc st particulièrmnt sinusoïdal: I Im sin 2ft 1.6 Où f st la fréqunc situé dans l'intrvall 10 500 mhz. L courant circulant dans la machin Pltir t ls tmpératurs msurés par ls dux thrmocoupls sont contrôlés par l'unité d'acquisition Agilnt 34970A. Cs trois grandurs msurés puvnt êtr liés par la rlation suivant: T 1,2 T0 T1,2 sin 2ft 1, 2 1.7 Où T 0 st la tmpératur ambiant. T i st l'amplitud d la distribution d tmpératur. st l déphasag ntr l flux d chalur n x 0 t la distribution d tmpératur. i 1, 2 sont ls indics ds thrmocoupls attachés au disqu n cuivr t la surfac supériur d l'échantillon rspctivmnt. Il s'st adopté qu: T1 B 0 0, T 2 B0 d, 1 2 0 t 1 2 d Après avoir détrminé la fréqunc convnabl, la diffusivité thrmiqu du matériau étudié put s déduir, à partir d l'équation 1.8 ou l'équation 1.9 suivants: -31-
B 0 0 1 f xp d B d 1.8 0 f 2 d 1.5 f 1.9 f 0 d d d 1. 5 L'avantag d ctt méthod apparaît dans l pouvoir d fair ds msurs sur ds échantillons d dimnsions faibls. Figur 1.11 Dispositif xpérimntal d Pltir. I.5.8 Méthod ds boîts L dispositif utilisé au laboratoir st un cllul d msur conçu spécialmnt pour détrminr simultanémnt, par la méthod dit "ds boits" du régim prmanant t transitoir, la conductivité thrmiqu t la diffusivité n pu d tmps nviron trois hurs d dux échantillons. Cs dux méthods du régim prmannt t cll du régim transitoir sont utilisés pour msurr la conductivité thrmiqu t la diffusivité thrmiqu rspctivmnt. La chalur massiqu t l ffusivité thrmiqu, du matériau n qustion, sont égalmnt calculés. C dispositif figur 1.12 s'agit d EI700 qui contint dux boits, un pour la conductivité t l'autr pour la diffusivité thrmiqu. -32-
Figur 1.12 Cllul d msur EI700. Ctt machin put égalmnt msurr ls propriétés thrmophysiqus ds matériaux -1 1 solids homogèns ou inhomogèns pas trop conducturs 3 W.m.k, ds matériaux pulvérulnts poudrs, granulats t sabl t ds liquids. L princip d msur d la conductivité thrmiqu t la diffusivité thrmiqu sont présntés n détail dans l chapitr suivant. Un fois, la conductivité thrmiqu, la diffusivité thrmiqu t la mass volumiqu d l échantillon E sont connus; La chalur massiqu t l ffusivité thrmiqu s déduisnt à partir ds dux formuls 1 1 Cp.. t E f Cp rspctivmnt. -33-
I.6 CONCLUSION Ctt étud bibliographiqu fait sur ls différnts travaux rlatifs à l'étud ds échangs thrmiqus ntr ls bâtimnts t l sol, ls transfrts d chalur couplés par trois mods : conduction, convction t rayonnmnt ainsi qu la détrmination xpérimntal ds propriétés thrmophysiqus ds différnts matériaux, nous a prmis d déduir ls conclusions suivants: La majorité ds chrchurs qui étudint l comportmnt d'un bâtimnt n contact avc l sol assimilnt ls grandurs thrmophysiqus du sol ou ls différnts parois d l'habitat à ds constants. L'étud du couplag ntr ls différnts mods d transfrt d chalur à travrs un bâtimnt st rstrint au couplag ntr la conduction ou rayonnmnt t la convction naturll dans un cavité carré ou rctangulair différntillmnt chauffé. Ls étuds disponibls actullmnt, traitant cs trois mods, sont rstrints aux structurs alvéolairs à savoir ls murs t ls ourdis constituant l toit ou l planchr d'un bâtimnt. La rvu bibliographiqu mt clairmnt n évidnc l'abondanc d la littératur n étud d la caractérisation thrmophysiqu ds matériaux par différnts méthods. En rvanch, nous avons rmarqué la rarté d'étud s'intérssant à la détrmination ds propriétés thrmophysiqus du mortir bin qu'il présnt un intérêt considérabl dans d nombruss applications d maçonnri qu c soit pour construir, pour nduir, pour assmblr ls parpaings ou pour réparr. On a égalmnt nrgistré un manqu d'un étud xpérimntal ds différnts sols, n fonction d la tnur volumiqu n au, n particulir cux d la région d'agadir. Dans l duxièm chapitr d c travail, nous présntons un étud xpérimntal du mortir à bas du cimnt t du sabl, ainsi qu ls sols limonux n fonction d la tnur volumiqu n au. La méthod xpérimntal adopté st cll nommé méthod "ds boits". -34-
Chapitr II Caractérisation thrmophysiqu du mortir t ds sols limonux d la région d'agadir II.1 INTRODUCTION Dans c chapitr, nous présntons un étud xpérimntal d caractérisation thrmophysiqu d qulqus matériaux. Dans un prmir tmps d c travail, notr choix s st porté sur l mortir qui st l matériau d construction par xcllnc. Il st adopté univrsllmnt, pour ls avantags suivants: Il st formé d matériaux naturls primairs largmnt disponibls à la surfac d la trr. Il résist à ds nvironnmnts corrosifs comm l'au d mr, au fu, Sa mis n œuvr st assz simpl. Ensuit, notr étud xpérimntal s'st fixé sur la détrmination ds propriétés thrmophysiqus du sol prélvé ds différnts sits d la région d Agadir au Maroc. Il s agit d Dchira, Aourir, Hay Mohammadi t Founti qui sont connus par ds typs d sol qui sont rspctivmnt limon siltux, limon big, limon calcair t l sabl. Cs sols limonux ont -35-
été idntifiés slon la classification LCP Laboratoir Cntral ds Ponts t Chaussés. Ls grandurs physiqus, qui caractérisnt ls matériaux ds différnts typs du sol étudiés, sont liés à la tnur volumiqu n au afin d'aidr à prévoir ls propriétés thrmophysiqus d la majorité ds matériaux étudiés d la région d Agadir, dès qu sa tnur n au sra connu. La caractérisation st fait par l dispositif EI700 qui st conçu spécialmnt pour détrminr simultanémnt la conductivité thrmiqu t la diffusivité du matériau par la méthod dit "ds boîts" du régim prmanant t transitoir. La chalur massiqu t l ffusivité thrmiqu, du matériau n qustion, sont égalmnt calculés. II.2 DESCRIPTION DE L'APPAREILLAGE UTILISÉ ET PRINCIPE DE MESURE La caractérisation thrmophysiqu ds grandurs miss n ju, conductivité t diffusivité thrmiqu, put s fair par un rlvé manul. Cpndant c rlvé manul s accompagn d crtains rrurs dus à la duré d l xpérinc qui st rlativmnt grand supériur à 3 hurs t à la mauvais msur ffctué manullmnt. Pour avoir un caractérisation fiabl, nous avons opté pour la suprvision d ctt installation par l biais d un pilotag par micro-ordinatur d la chaîn d acquisition, Agilnt 34970A, rlié à la machin EI700 figur 2.1 n s basant sur l logicil n langag Visual Basic qu nous avons élaboré. Ls prmièrs msurs d cs dux grandurs, conductivité t diffusivité thrmiqu, sont faits sur un échantillon étalon d polystyrèn xpansé. Ls résultats d msur, d cs dux grandurs, sont similairs à cux présntés dans la littératur. II.2.1 Dscription d l'apparillag utilisé L dispositif xpérimntal st constitué d: Un capacité isothrm, d dux boits B1 t B2, d l'échantillon E, d capturs d tmpératur PT100 t d'un acquisition ds donnés. -36-
Figur 2.1 Cllul d msur EI700. -37-
II.2.1.1 Capacité isothrm A C'st un grand capacité d dimnsions intrns 46 3 93 200cm jouant l rôl d l'ambianc froid figur 2.2. Ell st maintnu à un tmpératur faibl allant jusqu'à -10 C grâc à un échangur thrmiqu R situé à sa bas t alimnté par d l'au glycolé rfroidi par un cryostat K. Ctt capacité st isolé d l'ambianc xtrn par du styrodur. Figur2.2 Vu général d la cllul d ssai EI700. II.2.1.2 Dux boits B1 t B2 Ls dux boits sont idntiqus, lls prmttnt d fair dux msurs simultanés. C sont dux boits n contr-plaqué isolés d l'intériur par du styrodur t présntant chacun un fac ouvrt. II.2.1.3 Echantillon E Ls échantillons à msurr doivnt avoir un form parallélépipédiqu 27 27cm 3 dont l épaissur st infériur ou égal à 7 cm. Ils s placnt ntr la boit B t la capacité isothrm A d tll sort qu ls flux latéraux soint négligabls. Chaqu échantillon présnt un fac froid t un fac chaud. -38-
II.2.1.4 Capturs d tmpératur PT100 Ls capturs d tmpératur PT100 sont ds thrmosonds à résistanc d platin d msur d tmpératur. L princip d msur rpos sur la variation d résistanc élctriqu du fil métalliqu n fonction d la tmpératur. Cs fils mployés sont à la bas d platin ou d nickl. L platin offr un grand plag d tmpératur, t un très bonn linéarité. PT rprésnt l mot platin qui st l matériau principal d la sond. 100 détrmin la valur ohmiqu d la sond à zéro dgré cntigrad; la PT 100 st donc un résistanc qui vaut 100 ohms à un tmpératur ambiant d zéro dgré cntigrad. La résistanc d la sond croît n fonction d l'augmntation d la tmpératur ambiant suivant la loi: R R01 t 2.1 st l cofficint d tmpératur qui vaut 0 C. 4.10 3 C -1 t R 0 st la valur d la résistanc à L dispositif EI700 contint au total spt thrmosonds: Quatr thrmosonds pour la msur d tmpératur d surfac. Trois thrmosonds pour la msur d tmpératur d ambianc. II.2.1.5 Acquisition ds donnés Ls différnts tmpératurs sont msurés à l'aid d'un chaîn d'acquisition d donnés. Il s'agit d l' Agilnt HP 34970A figur 2.3 qui st un unité d acquisition d donnés t d commutations, ll put êtr rlié à un dispositif xpérimntal grâc à ss moduls d raccordmnt xtrns qui abritnt ls logmnts 100, 200 t 300. On put utilisr l HP 34970A comm un instrumnt autonom, on fait l réglag t la lctur à partir d sa fac avant, comm on put aussi ffctur ds msurs à distanc grâc au raccordmnt à un micro-ordinatur. Pour établir la liaison PC - unité, l intrfac séri RS 232 st utilisé. Ctt intrfac prmt d réalisr un communication ntr dux systèms numériqus. La liaison Agilnt dispositif EI700 consist à fair un liaison ntr ls différnts sonds à partir du bornir d la machin t l modul 100 d l Agilnt. -39-
Figur.2.3 Agilnt 34970A. II.2.2 Princip d msur II.2.2.1 Msur d la conductivité thrmiqu L princip d msur d la conductivité thrmiqu d'un matériau st basé sur la réalisation d façon prmannt d'un écoulmnt d chalur unidirctionnl à travrs l'échantillon placé dans la prmièr boît, ntr la capacité isothrm froid A du dispositif t la sourc d chalur à flux constant q V2R 1 dont l émission d l énrgi st régulé à l aid d un rhéostat R, on fait n sort par réglag d l émission d chalur, qu la tmpératur à l intériur d la boît B 1, T B soit légèrmnt supériur à la tmpératur xtériur qui st la tmpératur ambiant figur 2.4. Un fois l régim prmannt établi, c st-à-dir quand ls valurs d tmpératurs rstnt constants plus d un dmi-hur nviron, on prnd alors l gradint d tmpératur au cntr d l échantillon, la tnsion d chauffag t on utilis l xprssion suivant pour déduir la valur d la conductivité thrmiqu xp [65]: xp q T B T S T T amb 2.2 C F -40-
L équation 2.2 tint compt ds flux suivants : Efft joul produit par la résistanc chauffant : V q 2 R Chalur global prdu à travrs la boit B 1: T T B amb Chalur transféré par conduction à travrs l échantillon : xp S T T C F Avc: T C : Tmpératur chaud d la surfac isothrm chaud; T F : Tmpératur froid d la surfac isothrm froid; T B : Tmpératur à l intériur d la boit; T a : Tmpératur ambiant; S : Air d l échantillon; : Épaissur d l échantillon; q : Puissanc émis par la résistanc chauffant; V : Tnsion aux borns d la résistanc chauffant; R : Résistanc chauffant qui vaut 3680 ; : Constant d la cllul, ll prmt d'évalur ls prts latérals dans la boit. La constant put êtr déduit xpérimntalmnt par dux façons différnts: Soit; par utilisation d'un échantillon dont la conductivité st connu, t à l aid d l équation 2.2, ctt constant put êtr déduit facilmnt. Soit; l'utilisation d'un échantillon inconnu isolant t grâc à dux xpérincs avc dux valurs d flux différnts q 1 t q 2 : -41-
q q 1 2 T T C 1 C 2 T T F 1 F 2 S T B 1 S T B 2 T a T a 2.3 La résolution d cs dux équations à dux inconnus t donn la valur d la constant. Figur 2.4 Boît d msur d la conductivité thrmiqu. II.2.2.2 Msur d la diffusivité thrmiqu Pour la msur d la diffusivité thrmiqu, la duxièm boit st éclairé par dux lamps à incandscnc d puissancs 1000W jouant l rôl d sourc impulsionnll pndant qulqus sconds figur 2.6. On rlèv sur l thrmogramm figur 2.5 l élévation d tmpératur T B d l'échantillon n fonction du tmps t on rpèr ls points pour lsquls, on a: 1/3, 1/2, 2/3, t 5/6 d la valur maximal d la tmpératur. On chrch alors ls valurs du tmps corrspondant t on déduit la valur d la diffusivité thrmiqu du matériau par la moynn ds trois valurs calculés par ls xprssions suivants [65]: -42-
Figur 2.5 Thrmogramm d msur d la diffusivité thrmiqu. -43-
α α α 1 2 3 2 1,15t 2 t 5 / 6 2 1,15t 2 t 5 / 6 2 1,15t t 2 5 / 6 5/6 5/6 5/6 1,25t 1,25t 1,25t 2/3 1/2 1/3 2.4 xp 1 2 3 3 2.5 Figur 2.6 Boît d msur d la diffusivité thrmiqu. -44-