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Thermique des enceintes habitées

L’étude des enceintes habitées nécessite une approche pluridisciplinaire car les composants sont multiples et fortement liés. Parmi ceux-ci, l’être humain doit être au premier plan des préoccupations. Il joue un rôle majeur sur le système entier, car c’est un élément actif qui a un comportement thermique non-linéaire et qui, de plus, peut intervenir de façon consciente sur son environnement.

La maîtrise des consommations énergétiques est un enjeu primordial pour les années à venir. Notre approche dans ce domaine est originale car nous étudions les enceintes habitées (habitat, habitacle, cockpit, ..), dans le but de comprendre et d’optimiser la gestion énergétique. Notre approche a deux grandes composantes, d’une part, la compréhension des phénomènes de transferts de masse de chaleur dans l’enveloppe (matériaux) et dans l’enceinte (transferts convectifs, radiatifs…) et l’optimisation de la gestion. D’autre part, cette analyse se fait avec une vision anthropocentrée, c’est-à-dire sans perdre de vue l’occupant sous les aspects thermiques, bien évidemment, mais aussi par son comportement vis-à-vis du climat, lié à sa perception thermique. Au sein du Laboratoire PHASE ce thème s’inscrit principalement dans l’axe "Qualité des ambiances", mais les liens sont évidents avec les deux autres axes ; "matériaux" et "maîtrise de l’énergie".

Les points originaux sont l’analyse système des enceintes habitées avec une méthodologie mise en place grâce à la modélisation, et une approche multidisciplinaire entre la physique et la psycho-physiologie humaine. L’expérimentation in-vivo est difficile, coûteuse et pas toujours reproductible, par conséquent, les études sont conduites par la simulation des systèmes thermiques en régime dynamique, même si tous les modèles développés précédemment ont été validés par confortation expérimentale en collaboration avec d’autres laboratoires. Enfin des modèles ‘d’interpréteurs’ permettent de connaître la façon dont l’individu percevra son environnement (jugements thermo-sensoriels).

Depuis longtemps les thèmes de recherche développés dans notre équipe ont des applications industrielles (habitat, aérospatiale, véhicule) et de nombreux contrats ont permis le financement de thèses. Nos activités de recherche à caractère plus fondamental se sont, ces dernières années, tournées en particulier vers les transferts radiatifs avec le développement de modèles radiatifs. D’une part, un modèle direct qui permet de connaître rapidement quelles sont les parois dites actives à partir de l’analyse de la matrice des puissances nettes échangées. D’autre part, un modèle inverse, qui permet de calculer les causes (température de parois) à partir des effets désirés (flux radiatifs et/ou températures de certaines surfaces). Ce problème inverse est mal posé et demande la mise en place de techniques de résolution mathématiques adaptées. Les solutions sont multiples, il faut donc choisir celles qui sont physiquement acceptables et compatibles avec les contraintes imposées (physiques ou techniques).

Les modèles de thermique de l’Homme sont actuellement suffisamment développés et fiables, par conséquent dans le cadre des maîtrises de l’énergie, ces modèles nous servent à qualifier les ambiances. Nous travaillons sur les effets, en termes de coût énergétique, d’une régulation basée sur la démarche adaptative de l’être humain ; c’est une première prise en compte de la régulation thermique comportementale qui génère des variations importantes de consommation d’énergie. C’est cette approche qui est intégrée dans les deux projets (ANR/ADEME) sur lesquels nous travaillons actuellement. Sur ces deux actions de recherche, l’objectif est de limiter les besoins en énergie sans dégrader la qualité de l’ambiance. Sur le projet « Micro 15 », un système de micro cogénération couplé à un système de chauffage aéraulique doit être optimisé en termes de perception thermique. Pour le projet « Enerpos » il s’agit d’optimiser la ventilation d’un bâtiment à énergie positive en climat chaud. Dans les deux cas nous sommes confrontés à un manque de connaissances des écoulements thermo-aérauliques qui jouent un rôle important sur les transferts de chaleur sensible, mais surtout sur les pertes par chaleur latente (évaporation de la sueur en climat chaud). Il essentiel de connaitre avec une bonne précision la température et la vitesse de l’air en tout point. Du travail expérimental sur ce sujet a d’ailleurs déjà été effectué car la métrologie dans ce domaine est très particulière. Par ailleurs en dehors de problèmes purement thermiques, l’aéraulique, en particulier la turbulence, influence directement la perception de l’être humain par des aspects purement mécaniques.

Les contacts que nous entretenons avec les industriels et organismes publics, montrent l’intérêt de nos interlocuteurs pour nos activités de recherche qui s’inscrivent clairement dans le domaine des Sciences Pour l’Ingénieur.

Cette démarche mise en place dans le domaine de la thermique peut être élargie aux autres composantes de l’environnement de l’homme, c’est à dire l’éclairage, l’acoustique ou la qualité de l’air. Une discussion est en cours dans le cas des véhicules, pour analyser les effets croisés du rayonnement solaire entre les aspects thermiques, visuels et perception. Chaque longueur d’onde du spectre solaire ayant semble-t-il des effets différents. Cette étude devrait débuter en septembre 2010 avec le LAPLACE sur un contrat avec PSA.