ER 5 – Efficacité énergétique et habitat dans son environnement urbain

L’étude des matériaux porte sur leurs performances acoustiques et concerne notamment la fabrication de « bio-poreux » (à base de cellulose), un travail en négatif permet de maîtriser les tailles de pores ainsi que leurs interconnexions à partir de l’impression 3D. L’objectif est ici de proposer une solution d’absorption basse-fréquence efficace, alliée à un encombrement minimal. La complémentarité des approches numériques et expérimentales (en laboratoire et in situ) adoptées permet de mieux comprendre les phénomènes rencontrés. Le projet Ademe Aerositan a pour but, dans ce cadre, l’élaboration d’un matériau isolant bio-sourcé à partir d’aérogel organique de faible masse moléculaire. L’introduction de fibres végétales permettra d’améliorer leur résistance mécanique, l’optimisation de la formulation aboutira à une amélioration des performances acoustiques et thermiques. L'étude de la qualité de l'air, des ambiances et des phénomènes de transport dans les environnements intérieurs est abordée via les approches expérimentale et numérique. La première consiste à mesurer les grandeurs physiques permettant de juger de la qualité de l'air ambiant. La seconde s'appuie sur un code de calcul qui consiste à résoudre les équations de transport de la masse, de quantité de mouvement, et de l’énergie afin d'accéder aux champs dynamique, thermique et massique dans l'espace considéré. Celles-ci visent à mettre en évidence l'impact des transports particulaires, de chaleur et de masse sur l'écoulement et sur le confort pour des conditions spécifiques aux bâtiments. Ce travail s’appuie sur le projet Interreg Texacov, qui a pour objectif le développement d’un textile pour la dépollution de l’air intérieur. L'idée du projet est d'utiliser des nanofibres naturelles comme vecteur d’incorporation de particules photocatalytiques à appliquer ensuite sur support textile pour ajouter la résistance mécanique au substrat composite fonctionnalisé.

Les aspects liés à l’étude des matériaux et au contrôle non destructif des parois revêtent un intérêt fondamental. Les conditions de mise en œuvre, l’exposition aux échanges microclimatiques, le vieillissement provoquent des différences sensibles de propriétés entre les caractéristiques obtenues en laboratoire et celles in situ. L’apparition de nouveaux matériaux agro-sourcés, fortement hygroscopiques ou recyclés dont les évolutions sont mal connues, renforcent le besoin de travaux de recherche. Le projet régional P2AR sur l’étude des anas de lin et le projet Ademe EMIBIO sur la durabilité des matériaux biosourcés entrent dans ce cadre. Les approches sont à la fois théoriques (COMSOL®, MATLAB®) et expérimentales (en laboratoire et in situ), elles s’appuient sur des partenariats régionaux (Soginorpa, cd2e), à travers les projets Réhafutur 2 et Renochanvre qui traitent de la réhabilitation de logements ouvriers à partir de produits bio-sourcés. Les matériaux structurels naturels sont également étudiés, en partenariat avec le CTMNC - Centre Technique de Matériaux Naturels de Construction (projet Villa YFS). L’approche Contrôle Non Destructif est couplée à la caractérisation des matériaux, elle permet le développement de méthodes de mesure (thermographie infra-rouge, sollicitations micro-ondes…) et de traitement des données.

Les problématiques liées au changement climatique ont un impact sur le choix et la performance des matériaux utilisés dans la construction. Ceux-ci doivent être capables de s’adapter à des sollicitations micro-climatiques aléatoires dont la dynamique est une contrainte importante en confort d’hiver ou d’été. Les performances isolantes ou inertielles ne sont plus suffisantes, les matériaux se doivent de devenir « intelligents ». Dans ce contexte, les matériaux à changement de phase (MCP), en fonction de leur nature et de leurs caractéristiques thermophysiques, permettent d’améliorer notablement le comportement thermique des matériaux traditionnellement utilisés. Les choix stratégiques de la thématique se situent vers la collaboration avec des laboratoires de recherches ou des entreprises qui souhaitent développer des matériaux (enduits, textiles, ...), systèmes (échangeurs) ou applications (murs, planchers, plafonds) intégrant des MCP. Le verrou scientifique reste la caractérisation de ces matériaux (détermination des propriétés thermophysiques) qui est nécessaire à la constitution de modèles numériques fiables capables de restituer le comportement thermique en conditions réelles d'utilisation. Les simulations numériques sont essentielles à ces matériaux innovants pour prouver leur intérêt énergétique et leur rentabilité économique. L'équipe s'intéresse à développer des méthodes d'identification et des modèles numériques scientifiques ou à destination des bureaux d'études L’amélioration des performances thermiques des constituants des parois de bâtiment par l’intégration de matériaux à changement de phase est l’objet de recherches menées au sein de l’axe. S’appuyant sur un projet ANR (Stock-E MICMCP), un projet régional (TESTE) et plusieurs thèses, les avancées tant au niveau expérimental que numérique, ont permis de mieux connaître ce type de composant afin d’en optimiser l’utilisation dans les parois de bâtiments. L’expertise développée à ce niveau est reconnue à travers les projets et publications produits.

Les phénomènes d’échanges thermiques superficiels en particulier convectifs utilisables pour la récupération et le transport d’énergies thermiques fatales dans le contexte des bâtiments, sont également étudiés. A l’échelle des composants d’enveloppes, des recherches sont développées sur les murs solaires et autres parois ventilées. Des travaux sur les murs Trombe Composite sont menés en laboratoire et in-situ depuis plusieurs années, un important travail de recherche a été réalisé en particulier sur les fenêtres pariéto-dynamiques. Ce travail s’est appuyé notamment sur un projet Interreg IFORE et plusieurs thèses, les composants développés ont fait l’objet d’une industrialisation et d’une utilisation par un bailleur social. L’extension aux systèmes pariétodynamiques multifonctionnels couplés à des systèmes de stockage et d’échange d’énergie est en cours d’étude et met en avant les compétences développées par l’axe dans ce domaine. L’ensemble de ce travail est basé sur une approche fondamentale de l’étude des transferts couplés, notamment sur la détermination des coefficients d’échanges par méthodes fluxmétriques, à l’échelle des phénomènes physiques sur les transferts thermiques en convection naturelle en lames d’air verticales différentiellement chauffées. Elles sont complétées par un système de mesure de vélocimétrie par image de particules (PIV) dont le laboratoire a fait l’acquisition. Cette recherche est emblématique d’une collaboration fructueuse entre un laboratoire de recherche, le monde de l’entreprise, un bailleur social et les occupants des logements. Des études fondamentales ont permis la compréhension et l’optimisation de systèmes constructifs développés industriellement, pour l’amélioration de la qualité du confort de l’habitat en conditions réelles d’utilisation.

En l’absence d’un retour d’expérience dans ce domaine, l’équipe a mis en place dans le cadre d’un large partenariat socio-économique un démonstrateur à grande échelle "SunRise Smart City", sur le campus de Lille 1, pour tester et développer ce nouveau concept. Le projet est inscrit dans le Contrat de Plan Etat-Région :  CPER 2015 – 2020 «SunRise Smart City Territoire Catalyseur d’innovation ». Ce projet fait partie des premiers projets entrepris sur l’implémentation du concept de ville intelligente sur un territoire équivalent à une petite ville en couvrant les réseaux d’eau et d’énergie et les bâtiments. Il est quasi unique dans le monde si on associe le territoire expérimenté à l’activité recherche et de formation et au large partenariat socio-économique. Le projet bénéficie aujourd’hui d’une très grande visibilité à l’international. Il vise aussi la création d’une dynamique de recherche et développement pluridisciplinaire et partenariale sur la thématique de la ville intelligente et durable. Cette thématique connaît un intérêt grandissant, car elle concerne une problématique sociétale et environnementale majeure, à savoir celle du développement et du redéploiement des innovations dans la ville dans le but de réduire d’une manière sensible la consommation des ressources naturelles (énergie et eau) et l’émission de polluants tout en améliorant le cadre de vie des citoyens. Le travail a comporté la collecte et la digitalisation des données sur le patrimoine, l’instrumentation des infrastructures, l’analyse des données et la formulation des recommandations pour l’amélioration de la gestion des infrastructures. Il a servi de démonstrateur pour le projet européen SmartWater4Europe (2014 – 2017) sur les réseaux intelligents. Fort de ce succès, le LGCgE a été sollicité pour accompagner la démarche « Smart City» de plusieurs partenaires, notamment Lille Métropole Habitat sur le logement social, ArtoisComm sur un quartier intelligent, la ville de Béthune sur la Smart City, l’agglomération et la ville de Saint-Quentin sur le Territoire Intelligent et le Bâtiment Intelligent et la ville de Lille pour la Smart Gouvernance. Le LGCgE a été aussi sollicité pour des projets au Liban, au Qatar, au Maroc en Tunisie et en Chine.

Dans le cadre de la nécessaire réduction des consommations énergétiques des bâtiments, le laboratoire a développé, depuis plusieurs années des partenariats avec différents gestionnaires de bâtiments (logements, tertiaire). Ce travail s’est réalisé en partie à travers les projets SunRise Smart city, Réhafutur ou plus récemment SBnodesSG, mais également directement avec des collectivités territoriales, soucieuses d’optimiser les coûts liés aux consommations des bâtiments. Ici les principales difficultés sont liées à la mise en œuvre de l’instrumentation (nature des capteurs, caractère intrusif, type de mesures, relevé de données…) et au traitement de données massives (Big Data). La multiplicité des capteurs et des logements, les relevés de données à intervalles réguliers rapprochés sur des périodes longues, rendent rapidement complexe l’analyse et le traitement de l’information. L’objectif est de détecter des anomalies de fonctionnement à partir de méthodes statistiques de classification supervisées et non supervisées. C’est le cas notamment du partenariat avec le département du Pas-de-Calais concernant la gestion de 117 bâtiments dont 90 collèges pour les postes eau, électricité et gaz, un suivi des températures intérieure et extérieure est également réalisé. La méthodologie d’analyse est basée sur l’élaboration d’indicateurs statistiques dont le suivi permet de détecter les évolutions de comportement ou de performance des systèmes. Les collèges sont étudiés indépendamment en vue de combiner les décisions. Dans un deuxième temps, dans le cadre de bâtiments semblables à fonctionnement identique, cela permet de mettre en évidence des comportements inhabituels et de détecter des anomalies de comportements. Les sites mis à disposition par les partenaires ont permis de développer des compétences sur l’instrumentation et le traitement des données et surtout de créer une dynamique sur cette thématique au sein de l’équipe puisqu’elle se développe sur les différents pôles grâce aux différents enseignants chercheurs et doctorants (Lille, Yncréa Hauts de France (HEI) et Béthune). Cette transversalité scientifique au sein de l’équipe est un atout supplémentaire pour le développement futur de cette thématique émergente.