Cellule test de la plateforme BBC+

Publié le 08/02/2018

 Un bâtiment basse consommation est un bâtiment dont la consommation énergétique, servant entre autres au chauffage et au refroidissement de celui-ci, est inférieure d’environ 80% à la consommation normale règlementaire. En France où la consommation moyenne des logements approche les 240 kWhep.m-2.an-1, un logement BBC consommera environ 50 kWhep.m-2.an-1. Ainsi, dans le but de respecter les conditions liées au label BBC, le domaine de la construction a su rapidement évoluer. Plus particulièrement, les constructeurs ont su adapter les matériaux de façade utilisés pour les bâtiments.

 

La caractérisation des propriétés des matériaux a été possible grâce à de nombreux tests. En effet, durant la dernière décennie, un nombre important de tests a été réalisé dans ce but. L’ensemble des installations permettant la réalisation de ces expériences peuvent être classées en trois grandes catégories.

  • Les installations extérieures à échelle réelle sont de vrais bâtiments avec ou sans habitants. Elles permettent d’obtenir des résultats servant à connaître la réaction de matériaux de façades lorsqu’ils sont soumis à des conditions climatiques réelles et au comportement de potentiels occupants.
  • Les cellules de tests en extérieur sont des structures plus petites dont au moins une face (la façade de test) est exposée aux conditions extérieures. L’environnement intérieur de ces cellules est donc totalement contrôlé à l’opposé des conditions extérieures qui sont dépendantes de la météorologie. 
  • Enfin, les installations en laboratoire sont des cellules test permettant un contrôle à la fois des conditions dites intérieures et des conditions extérieures. L’intérêt de ce type de cellule est de permettre une répétabilité des tests pour différents matériaux.

La plateforme BBC+ est une cellule de la catégorie des installations en laboratoire. Cela signifie donc qu’elle permet de contrôler les conditions intérieures et extérieures afin d’observer le comportement de différents systèmes constructifs et le contrôles et des équipements énergétique pour satisfaite un bon confort thermique.

La cellule test de la plateforme BBC+

Il s’agit d’une cellule interne biclimatique (Fig. 1) qui a été financée conjointement par le Fonds Européen de Développement Economique et Régional (FEDER), le Conseil Départemental de l’Aube (CD), Troyes Champagne Métropole (TCM) et la Fondation EPF dans le cadre de l’Appel à Projet CPER (Contrat Plan Etat-Région) 2015-2020. Les objectifs du projet sont :

  • l’étude du comportement hygrothermique des différents matériaux agro-sourcés dans un contexte de rénovation et de construction neuve ;
  • l’étude de la performance des équipements de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air associés au bâtiment ;
  • l’analyse du confort thermique des usagers.

Figure 1 : Cellule test de la plateforme BBC+

La cellule test (Fig. 2) occupe une surface au sol de près de 21 m² avec une hauteur sous plafond de 2,5 m. Elle est composée de deux chambres de dimensions 2,897 m × 1,896 m, soit près de 5,5 m² chacune. Ces deux chambres sont appelées respectivement chambre chaude et chambre froide. Les deux chambres sont séparées par une cloison comportant une ouverture de 585 mm x 590 mm permettant d’accueillir des matériaux de construction et d’isolation afin de tester leurs comportements lorsqu’ils sont soumis à différentes conditions climatiques. Cette cloison est en effet à considérer comme une façade extérieure et non pas comme une cloison intérieure. Les matériaux sont alors soumis à une ambiance chaude d’un côté et à une ambiance froide ou climatisée de l’autre. Cela permet de tester plusieurs climats avec soit un intérieur chauffé et un extérieur froid, soit un intérieur climatisé et un extérieur chaud.

Enveloppe

L’enveloppe de la cellule test est composée d’une structure en bois dont l’isolation a été réalisée en laine de chanvre et fibres de bois. Ces matériaux ont été retenus pour leur bonne isolation thermique et en tenant compte de la réglementation RT2020.

Figure 2 : Celle test. (a) Vue en perspective ; (b) vue de dessus

Equipements CVC

La cellule test permet de simuler une ambiance intérieure et une ambiance extérieure pour différentes saisons. Il suffit pour cela que l’utilisateur décide de la chambre qui sera désignée comme simulation de l’extérieur. En effet, la cellule test est équipée de systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) (Fig. 3) et aussi instrumentée par plusieurs capteurs, ce qui permet de contrôler et caractériser l’ambiance dans les deux chambres séparément.

Figure 3 : Description schématique des systèmes CVC

La cellule test est donc dotée de plusieurs équipements permettant un contrôle total des conditions ambiantes des deux chambres. Cela comprend les températures de la chambre chaude à l’aide d’un système de chauffage et de la chambre froide à l’aide d’un groupe froid, ainsi que leurs humidités respectives, grâce à des humidificateurs et déshumidificateurs placés dans les deux chambres.

Le chauffage de la chambre chaude peut être réalisé par trois différents systèmes hydrauliques : un plancher chauffant, un ventilo-convecteur ou des radiateurs. Ces trois systèmes sont alimentés par un même ballon d’eau chaude, lui-même alimenté par une pompe à chaleur air-eau. C’est donc la loi d’eau de cette pompe à chaleur qui détermine la température maximale de l’eau circulant dans le circuit. Des circulateurs permettent de régler le débit des circuits des trois systèmes indépendamment.

Le refroidissement de la chambre froide est assuré grâce à un groupe froid monobloc. Ce groupe froid est réglé pour maintenir la chambre froide à une température allant de -18 °C à 25 °C. Il possède une sonde située au niveau de son aspiration à l’intérieur de la cellule. Il souffle donc de l’air dans la pièce et le refroidissement s’arrête lorsque la température récupérée par la sonde est égale à la température de consigne. Puis il a été réglé de façon à redémarrer lorsque la température de l’air aspiré est supérieure de 2 °C à la consigne. 

La cellule test est aussi équipée d’une VMC double flux. Cet équipement est utilisé pour la filtration et le renouvellement de l’air de la cellule correspondant à l’intérieur. Le principe d’une centrale à double flux est de rejeter l’air vicié à l’extérieur. En même temps la centrale aspire aussi de l’air « neuf » de l’extérieur pour le filtrer et le réinjecter dans le bâtiment. De plus dans le cas de la VMC de la cellule si l’air extérieur a une température plus faible que celle souhaité dans le bâtiment, un échangeur rotatif permet de le réchauffer grâce à l’air extrait de l’intérieur, et si nécessaire une batterie chaude de 1 kW peut permettre un réchauffage plus important.

Instrumentation et supervision

Le fonctionnement des différents équipements dépend des consignes mais aussi des conditions qui règnent à l’intérieur de chaque cellule.  A ce titre deux grandes catégories de sondes ont été installées :

  • des sondes renseignant sur les données d’ambiance
  • des sondes de contacts ayant différentes utilisations dont, entre autres, l’instrumentation des matériaux qui sont testés.

L’ensemble des données est récupéré par la Gestion Technique Centralisée (GTC) qui joue alors le rôle d’interface homme/machine. Le logiciel a deux utilités principales.

Dans un premier temps, la GTC permet, grâce à une interface personnalisée, un suivi en temps réel de l’ensemble des données des capteurs. Ces données sont aussi automatiquement enregistrées dans une base de données afin de pouvoir permettre des études ultérieures ou comparatives. L’enregistrement des données se fait dans une base de données sur l’ordinateur avec une fréquence de 5 minutes. Les tracés de courbes sont quant à eux actualisés une fois par heure.

Figure 4 : Ecran d’accueil de la supervision

Exemple d’un projet scientifique : Etude hygrothermique d’un système constructif innovant

La brique de bois (Fig. 5) est un système constructif innovant mis au point par une coopération entre les entreprises « Innovation métal bois » et « Atelier matière d’architecture » [10]. Il s’agit d’un élément de construction alliant le bois et l’acier servant à la construction de murs, de planchers ou de toitures.

Figure 5 : Schéma de principe du module de bois. (a) module déplié ; (b) module plié

Le module utilisé pour les tests est composé de deux briques de 525 mm emboitées comme lors de la construction d’un mur pour une hauteur totale de 418 mm. De la ouate de cellulose y a été insufflée et des plaques de contreplaqué ont été vissées au module pour éviter qu’elle ne s’en échappe. Le module est inséré dans l’ouverture de la paroi centrale de la cellule test (Fig. 6). De la mousse polyuréthane permet de combler les jeux restant afin d’éviter les ponts thermiques.  

Figure 6 : Module de bois instrumenté

Partenariat et Collaboration

Ce projet de cellule test a été réalisé en collaboration avec l’Université de Reims Champagne Ardennes (GRESPI – URCA) et avec l’Université de Technologie de Troyes (ICD-UTT).
Des projets de recherche ont pu être initiés avec l’Université de Reims Champagne Ardennes (GRESPI – URCA)  et l’Université Paris EST (CERTES – IUT Créteil).