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Berangere Lartigue

Maître de conférences, HDR

Section du CNU : 62

Mots-clés

Matériaux nano et microporeux

  • caractérisation thermique expérimentale
  • matériau super isolant
  • aérogels de silice
  • lien structure-propriétés thermiques
  • pavage autosimilaire
  • conductivité thermique équivalente
  • empilements granulaires

Enveloppe

  • transferts thermiques couplés
  • optimisation multicritère
  • quadripôles
  • inertie thermique
  • convection instationnaire
  • chambre climatique

Ambiance thermique

  • physique des bâtiments
  • performance énergétique
  • comportement des occupants
  • confort thermique
  • maîtrise de l’énergie
  • simulation thermique dynamique
  • optimisation multicritère
  • réseau de neurones

Thèmes de recherche développés

Transferts de chaleur multi-échelles, du matériau nanoporeux à la performance énergétique des bâtiments

Quarante trois pour cent de l’énergie totale en France est dédiée au secteur de l’habitat [www.iea.org]. Les économies à réaliser sont multiples. Dans ce contexte, mes activités de recherche se concentrent 2 thèmes principaux que sont la caractérisation thermique des matériaux hétérogènes et la performance énergétique des bâtiments.

1. Caractérisation thermique des matériaux : impact de la structure interne sur les propriétés thermophysiques

Cet axe concerne les travaux sur les transferts thermiques dans différents types de matériaux, à l’échelle nanoscopique dans le cas des aérogels de silice et à l’échelle mésoscopique pour l’étude de matériaux hétérogènes.

Echelle nanoscopique : Transferts conductifs dans des aérogels de silice, du milieu nanoporeux autosimilaire aux empilements granulaires La diminution drastique de la consommation énergétique des bâtiments exigée par les réglementations thermiques successives nécessite, entre autres, un fort accroissement de l’isolation des bâtiments. Les isolants traditionnels sont aujourd’hui arrivés au terme de leur performance. Un pas sera franchi dans l’isolation par l’utilisation de matériaux nouveaux, dits super isolants car leur conductivité thermique est inférieure à celle de l’air. Parmi ces matériaux super isolants, les plus connus sont les aérogels de silice. Elaborés dès les années 30, leur capacité d’isolation – tant thermique qu’acoustique – est remarquable. Cependant, leur relative difficulté de synthèse ainsi que de mise en place relativise à ce jour leur utilisation à grande échelle. Afin de comprendre les transferts thermiques dans ces matériaux, nous avons mené des études numérique et expérimentale, dans des conditions de température et pression applicable au secteur du bâtiment.

  • Etude numérique
    L’étude numérique consiste tout d’abord à définir une géométrie représentative à l’échelle nanoscopique qui respecte les propriétés structurales des matériaux, comme leur porosité et leur masse volumique. Des études antérieures ont montré que des géométries fractales aléatoires obtenues à partir de modèles d’agrégation amas-amas limitée par la diffusion (DLCA) convenaient pour représenter ce type de structure. Notre apport a consisté à proposer des représentations autosimilaires, avec comme élément générateur des fractales déterministes de type flocons de Von Koch de différents ordres. Cette représentation a l’avantage de maîtriser la distribution des pores des aérogels, ainsi que leur masse volumique. Une fois les géométries définies à l’échelle nanoscopique, nous avons développé un code permettant de modéliser les transferts conductifs dans les phases silice et air. Une méthode d’homogénéisation permet ensuite de déterminer la conductivité thermique équivalente d’un échantillon à partir du champ thermique modélisé. Il est intéressant de noter que peu d’études dans la littérature ne traitent ce problème de façon numérique. Les travaux existants permettent de déterminer la conductivité équivalente à partir de modèles analytiques empiriques. Les résultats trouvés, en termes de conductivité thermique équivalente, sont tout à fait satisfaisants et valident notre représentation autosimilaire.
    Dans un second temps, nous modélisons les transferts à l’échelle macroscopique dans des échantillons d’aérogels granulaires, forme la plus adéquate pour une utilisation comme isolant dans le secteur du bâtiment. Les grains macroscopiques sont considérés comme un matériau homogène de conductivité thermique égale à celle déterminée lors de l’étude nanoscopique. Nous avons établi une méthode originale permettant de prendre en compte la résistance de contact entre les grains, caractérisée par une surface de contact (établie d’après la loi d’Hertz) et une conductivité de contact (issue de la résistance de contact). Les paramètres de l’étude sont le type d’empilement (carré ou triangulaire), les dimensions des grains (de 1 à 5 mm), la pression de l’air, la force de compression exercée sur l’empilement et la masse volumique des grains.
  • Etude expérimentale
    Un banc de mesure basé sur la méthode du film chaud gardé a été entièrement monté, permettant la mesure directe de la conductivité thermique de matériaux super isolants, à pression atmosphérique et sous vide. Les échantillons testés sont sous forme monolithique et granulaire. Les mesures ont validé de façon très satisfaisante les résultats numériques et confirmé le caractère exceptionnellement isolant des aérogels, avec des valeurs de conductivité pouvant atteindre 7 mW.m-1.K-1 sous vide secondaire.

Echelle microscopique : Microstructure et propriétés macroscopiques thermiques : optimisation des matériaux de construction
Les études à l’échelle microscopique ont débuté avec la thèse de M. Faye, prévue de 2011 à 2015. La méthodologie adoptée est la même que celle présentée ci-dessus : un modèle à 3 dimensions a été développé permettant de résoudre l’équation de la chaleur en régime instationnaire dans une structure hétérogène. Les hétérogénéités de cette structure peuvent être de type billes ou fibres, à l’échelle microscopique ou macroscopique, leur distribution étant aléatoire ou organisée. Parallèlement, une campagne expérimentale est menée à l’aide d’un plan chaud. Les objectifs de ce travail sont de déterminer les éléments pertinents (parmi les paramètres structuraux et les propriétés des phases) impactant les propriétés thermiques macroscopiques (conductivité et diffusivité), afin de les maîtriser puis de les optimiser.

2. Performance énergétique des bâtiments

Vers une optimisation des parois des bâtiments
Si l’utilisation de matériaux super isolants est une voie possible pour tendre vers les exigences des futures réglementations, la seule isolation ne suffira pas. Il est également nécessaire de prendre en compte les autres fonctions d’une enveloppe de bâtiment, comme son inertie. Dans ce but, nous menons des travaux ayant pour objectif de définir des outils permettant de concevoir des parois optimales.
Ce travail d’optimisation est réalisé en collaboration avec V. Sambou, maître de conférences à l’Ecole Polytechnique de Dakar qui a effectué sa thèse au laboratoire sur financement de l’Agence Universitaire de la Francophonie, de 2004 à 2008. Il s’est poursuivi avec la thèse de D. Gossard qui s’est déroulée de 2008 à 2011.

  • Echelle de l’élément de paroi
    L’objectif de ce travail est d’optimiser un élément de paroi quelconque, constitué de couches matérielles et éventuellement de lames d’air. Les critères d’optimisation étudiés sont la résistance thermique, la capacité thermique, l’affaiblissement acoustique. L’outil d’optimisation utilisé est un algorithme génétique multicritère. Dans cet outil, les fonctions-objectifs doivent être calculées de façon rapide. Pour atteindre cet objectif, une étude du transfert thermique à travers une cavité partitionnée a été menée en régime stationnaire et instationnaire. Un modèle analytique simplifié simulant les transferts conductif, convectif et radiatif a été établi, puis validé par une étude numérique et une étude expérimentale
  • Echelle de l’enveloppe du bâtiment
    Après cette étude à l’échelle de l’élément de paroi, la suite logique est de s’intéresser à l’enveloppe du bâtiment. Nous avons défini différents critères tels que la consommation énergétique, le degré d’inconfort (nombre d’heures où la température intérieure dépasse une valeur seuil en été), l’amortissement et le déphasage de la température de surface intérieure, la capacité thermique surfacique de l’enveloppe, l’éclairage naturel. Une fois ces critères définis, nous avons mené une étude d’optimisation permettant de définir les propriétés thermophysiques optimales de l’enveloppe, à savoir sa conductivité thermique et sa chaleur volumique (ρ⋅c). Les fonctions-objectifs se calculant pour la plupart sur une année (comme la consommation énergétique), nous avons utilisé des réseaux de neurones pour accélérer ce processus. La méthode d’optimisation est les algorithmes génétiques. Nous avons mené cette étude dans le cas d’une maison individuelle type (maison Mozart), pour différents climats, et obtenu la composition optimale de l’enveloppe.
    J’ai également appliqué cette méthode pour l’optimisation d’une enveloppe de bâtiment basée sur la maximisation de l’éclairement naturel et la minimisation de la consommation énergétique lors d’un séjour à Carnegie Mellon University en 2011.

Impact des actions des occupants sur la performance énergétique des bâtiments
Je m’intéresse à l’impact des actions des occupants depuis 2011. L’Agence Internationale de l’Energie a défini comme axe prioritaire la compréhension des différences établies entre les mesures issues du monitoring des bâtiments et les simulations. La principale raison pour expliquer ces écarts est le comportement des habitants.
Dans ce cadre, je co-endadre la thèse de M. Bonte, avec F. Thellier (2011-2014). M. Bonte bénéficie d’un contrat doctoral de l’école doctorale MEGeP. Nous nous attachons à modéliser les actions possibles des occupants d’un bâtiment, et à étudier l’impact de ces actions sur la performance énergétique et le confort. Les actions sont celles ayant un impact sur la performance énergétique, à savoir l’ouverture des fenêtres, des volets, l’utilisation de chauffage individuel et de ventilateur, la modification de l’isolation vestimentaire, l’éclairage artificiel. La méthode choisie pour le modèle repose sur l’intelligence artificielle (Q-learning). Elle consiste à modéliser de façon aléatoire les actions d’un occupant pendant une phase d’apprentissage. Cette phase permet la constitution d’une base de données où chaque action est enregistrée, associée à des points en fonction de l’effet de l’action sur la sensation thermique de l’occupant. La 2e phase est la phase d’exploitation, où l’individu agit intelligemment en utilisant sa base de données. Les résultats montrent qu’une modélisation de la performance énergétique d’un bâtiment en prenant en compte les actions de ses occupants génère une augmentation de la consommation, comme le montrent les études de terrain.
Parallèlement, nous menons une étude longitudinale visant à monitorer les actions des 4 usagers de bureaux de l’université, afin de définir leurs préférences d’environnement thermique et visuel. Ces données sont ensuite utilisées pour définir les profils des occupants dans le modèle.

Articles dans des revues à comité de lecture

M. Faye, B. Lartigue, V. Sambou
A new procedure for the experimental measurement of the effective heat capacity of wall elements.
Energy and Buildings, 103, pp. 62-69, 2015.

V. Sambou, B. Lartigue, F. Monchoux, M. Adj.
Modeling of the thermal performance of air-filled partitioned enclosures : Effects of the geometry and thermal properties.
Journal of Building Physics 12/2014 ; DOI:10.1177/1744259114561578.

B. Lartigue, B. Lasternas, V. Loftness.
Multi-objective optimization of building envelope for energy consumption and daylight.
Indoor and Built Environment, 23(1), pp. 70-80, 2014.

M. Bonte, F. Thellier, B. Lartigue.
Impact of occupant’s actions on energy building performance and thermal sensation.
Energy and Buildings, 76, pp. 219-227, 2014.

D. Gossard, B. Lartigue, F. Thellier
Multi-objective optimization of a building envelope for thermal performance using Genetic Algorithms and Artificial Neural Network.
Energy and Buildings, 67, pp. 253-260, 2013.

D. Gossard, B. Lartigue.
Three-dimensional conjugate heat transfer in partitioned enclosures : determination of geometrical and thermal properties by an inverse method.
Applied Thermal Engineering, 54 (2), pp. 549-558, 2013.

F. Despetis, N. Bengourna, B. Lartigue, S. Spagnol, N. Olivi-Tran.
Three-dimensional reconstruction of aerogels from TEM images.
Journal of Non-Crystalline Solids, 358 (9), pp. 1180-1184, 2012.

D. Gossard, B. Lartigue, V. Sambou.
Nusselt number correlations for laminar convection in three-dimensional air-filled cavities.
Journal of Building Physics, 35, pp. 327-337, 2011.

V. Sambou, B. Lartigue, F. Monchoux, J-L. Breton.
One-dimensional model of natural convection heat transfer in partitioned enclosures with conducting external walls and partitions.
Journal of Thermal Science and Engineering Applications – Trans. ASME, 1 (2), 021002 (6p), 2009.

V. Sambou, B. Lartigue, F. Monchoux, M. Adj.
Thermal optimization of multilayered walls using genetic algorithms.
Energy and Buildings, 41 (10), pp. 1031-1036, 2009.

S. Spagnol, B. Lartigue, A. Trombe, F. Despetis.
Experimental investigations on the thermal conductivity of silica aerogels by a guarded thin-film-heat method.
Journal of Heat Transfer 131 (7), 074501 (4p), 2009.

S. Ben Amara, O. Laguerre, M-C. Charrier-Mojtabi, B. Lartigue, D. Flick.
PIV measurement of the flow field in a domestic refrigerator model : comparison with 3D simulations.
International Journal of Refrigeration, 31 (8), pp. 1328-1340, 2008.

S. Spagnol, B. Lartigue, A. Trombe, V. Gibiat.
Modeling of thermal conduction in granular silica aerogels.
Journal of Sol-Gel Science and Technology, 48, pp. 40-46, 2008.

F. Thellier, F. Monchoux, M. Bonnis-Sassi, B. Lartigue.
Modeling additional solar constraints on a human being inside a room.
Solar Energy, 82 (4), pp. 290-301, 2008.

V. Sambou, B. Lartigue, F. Monchoux, M. Adj.
Theoretical and experimental study of heat transfer through a vertical partitioned enclosure : Application to the optimization of the thermal resistance.
Applied Thermal Engineering, 28 (5-6), pp. 488-498, 2008.

O. Laguerre, S. Ben Amara, M-C. Charrier-Mojtabi, B. Lartigue, D. Flick.
Experimental study of air flow by natural convection in a closed cavity : Application in a domestic refrigerator.
Journal of Food Engineering, 85 (4), pp. 547-560, 2008.

S. Spagnol, B. Lartigue, A. Trombe, V. Gibiat.
Thermal modeling of two-dimensional periodic fractal patterns, an application to nanoporous media.
Europhysics Letters, 78 (4) 46005 (5 p), 2007.

S. Hallé, M. Bernier, B. Lartigue.
Contribution to the study of multicellular flows inside two-dimensional rectangular and pinched insulated glazing cavities.
HVAC&R Research Journal, 11 (1), pp. 77-94, 2005.

B. Lacarrière, B. Lartigue, F. Monchoux.
Numerical study of heat transfer in a wall of vertically perforated bricks : influence of assembly method.
Energy and Buildings, 35 (3), pp. 229-237, 2003.

S. Lorente, B. Lartigue.
Maximization of heat flow through a cavity with natural convection and deformable boundaries.
International Communications in Heat and Mass Transfer, 29 (5), pp. 633-642, 2002.

S. Lorente, B. Lacarrière, B. Lartigue.
Influence of the geometry on heat transfer by natural convection in a rectangular cavity.
International Journal of Heat and Technology, 20 (2), pp.75-80, 2002.

B. Lartigue, S. Lorente, B. Bourret, R. Escudié.
PIV investigation of multicellular laminar natural flow in vertical bent cavities.
Experimental Heat Transfer, 14 (2), pp. 89-106, 2001.

B. Lartigue, S. Lorente, B. Bourret.
Multicellular laminar natural convection in vertical bent cavities.
International Journal of Heat and Technology, 19 (1), pp. 51-60, 2001.

B. Lartigue, S. Lorente, B. Bourret.
Multicellular natural convection in a high aspect ratio cavity : experimental and numerical results.
International Journal of Heat and Mass Transfer, 43 (17), pp. 3157-3170, 2000.

B. Lartigue, F. Monchoux, J-L. Breton.
Convection sous-vestimentaire. Analyse dimensionnelle et mesure des flux échangés.
Revue Générale de Thermique, 36, pp. 469-479, 1997.

Chapitres dans un livre

F. Thellier, B. Lartigue
Evaluation des ambiances thermiques.
In : Livre blanc sur les recherches en énergétique des bâtiments. Groupe d’Analyse Prospective Thématique Bâtiment et Ville Durables. Presses des Mines, 2013.

B. Lartigue, S. Spagnol.
Conduction heat transfer in super insulating materials, from self-similar nanoscale medium to macroscopic granular packing.
In : Constructal theory and multi-scale geometries. Collection Les actes, Presses de l’ENSTA, 2010.

Doctorants et docteurs

M. Faye, soutenance prévue en 2016
Structure microporeuse des matériaux hétérogènes et propriétés thermiques équivalentes.
Financement : bourse AUF (Agence Universitaire de la Francophonie)

M. Bonte, 2014
Impact des occupants sur la performance énergétique des bâtiments.
Financement : contrat doctoral MEGeP

D. Gossard, 2011
Impact de l’enveloppe sur la performance énergétique des bâtiments : de la caractérisation à l’optimisation.
Financement : bourse ADEME en collaboration avec le CTMNC (Centre Technique de Matériaux Naturels de Construction)

V. Sambou, 2008
Transfert thermique instationnaire : vers une optimisation de parois de bâtiments.
Thèse de l’Université de Toulouse délivrée par l’Université Paul Sabatier, 2008
Financement : bourse AUF (Agence Universitaire de la Francophonie) + bourse d’étude de l’Ecole Supérieure Polytechnique de Dakar

S. Spagnol, 2007
Transferts conductifs dans des aérogels de silice, du milieu nanoporeux autosimilaire aux empilements granulaires.
Thèse de l’Université de Toulouse délivrée par l’INSA, 2007
Financement : allocation de recherche

Membre de comité de thèse

F. Marion, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, soutenance prévue en 2016
Value Propositions for Benchmarking - Energy Data Accelerator engagement.

Collaborations internationales

Responsable scientifique de 3 accords de coopération :

  • Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Etats-Unis, 2011-2016
  • Ecole Supérieure Polytechnique, Dakar, Sénégal, 2010-2015
  • Université Gaston Berger, Saint-Louis du Sénégal, 2012-2017

Diffusion scientifique

Experte auprès du service Relations Internationales de la Mairie de Toulouse pour les projets de cuisine et séchage solaire Responsable scientifique et technique d’un projet du Ministère de l’Intérieur dans le cadre de l’appel à projet « Soutien à la Coopération Décentralisée axée sur le Développement Solidaire ».
Je suis en charge des volets techniques de conception et fabrication de 120 séchoirs solaires pour les produits halieutiques au centre de transformation du poisson de Guet N’Dar à Saint-Louis du Sénégal, ainsi que des volets hygiène alimentaire et structuration en coopérative des femmes transformatrices.

Editrice adjointe de Indoor and Built Environment

Membre du comité scientifique du Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois de Thermique depuis 2007

Activités d’enseignement

Etablissement : IUT Paul Sabatier, département Génie Mécanique et Productique

Disciplines : Thermodynamique, transferts thermiques, aérodynamique

Activités administratives

Responsable des Relations Internationales du département Génie Mécanique et Productique de IUT Paul Sabatier (Mobilité sortante en stage : 25% promotion, soit 40 étudiants environ / an)