Le mannequin thermique instrumenté : un outil pour simuler le ressenti humain du confort thermique

Publié le 06/02/2018

Mettre en œuvre la transition énergétique tout en maintenant un niveau de confort thermique satisfaisant, suppose d'opérer des choix énergétiques et d'emporter l’adhésion des usagers dans un contexte d’adaptation au changement climatique, de mutations sociétales et d’urbanisation croissante. Se pose alors la question de l’évaluation d’un confort acceptable. Comment l’appréhender et l’assurer auprès de populations aux modes de vie et d’habitats aussi divers que variés ? La plate-forme BBC + de l’EPF et ses chercheurs se proposent d’apporter des éléments de réponse, par une approche pluridisciplinaire étudiant le rapport de la technique à l'usage. Mais qu’entend-on par confort thermique et savons-nous l’évaluer avec précision? Bien que beaucoup de travaux y sont consacrés et proposent deux approches différentes, l’une analytique (la plus courante), l’autre adaptative (récente), un des challenges scientifiques serait de les réconcilier en montrant que finalement, elles se complètent. Un tel travail nécessite la mobilisation d’équipements high-tech tels qu’un mannequin thermique instrumenté dans un habitat donné capable de simuler diverses ambiances thermiques.

Si la création d’un environnement thermique donné peut être assurée par la cellule bi-climatique interne et externe (future) de l’EPF Troyes, simuler le ressenti humain ne peut être envisagé qu’au moyen d’un mannequin thermique. A cet effet, l’EPF avec le concours du CPER, vient d’investir dans l’acquisition d’un tel mannequin que nous décrivons ci-après.

Le Mannequin Newton de Thermetrics

Thermetrics est une société américaine basée à Seattle qui a plus de 25 ans d’expérience dans les équipements de simulation du confort thermique. Ses travaux sont reconnus par les mondes industriel et académique. Elle exporte partout à l’international et ses clients sont de grandes entreprises, des centres de recherche et des agences gouvernementales tels que la NASA.
L’EPF sera le seul établissement d’enseignement supérieur à posséder un tel mannequin en France et un des rares en Europe.

Ses caractéristiques

Ses dimensions sont celles d’un être humain de type occidental avec des mensurations standardisées, par exemple une hauteur de 1m78. Il dispose d’un dispositif permettant de simuler la production de chaleur le long du corps humain ainsi que la perte de chaleur sèche.

Son corps, composé de 34 zones thermiques indépendamment contrôlées, est fabriqué en fibre de carbone-époxy et sa peau est un tissu absorbant amovible. Ses articulations se situent au niveau des épaules, coudes, hanches, genoux, et chevilles.
Son pilotage est assuré par un logiciel intégrant un modèle thermo-physiologique.

Les paramètres intervenant dans la caractérisation du confort sont de deux types : les paramètres d’ambiance (la température, la vitesse relative et l’humidité de l’air, la température moyenne de rayonnement, etc.) et les paramètres humains (le taux métabolique, l’isolement vestimentaire et l’activité physique).

Ses principales options

Un dispositif motorisé lui permet de simuler le mouvement de la marche humaine.
Un module de transpiration (à venir) grâce aux 139 pores alimentés par des micro-buses indépendantes et répartis uniformément sur la surface du mannequin.
Un système de respiration (à venir) couplé à un collecteur des polluants de l’air inspiré.
Un module de poitrine féminine permettant la conversion homme/femme.

Les applications

Elles sont nombreuses et couvrent plusieurs secteurs tels que celui du bâtiment, du textile, du transport, la protection civile ou la défense.
Ainsi pour l’habitat, au cœur des préoccupations des chercheurs troyens, le couplage du mannequin à la cellule Test de la plateforme BBC+ permettra d’évaluer le ressenti thermique de l’occupant corrélé à la réponse thermique de son logement.

Cette évaluation demande d’une part, à ce que la démarche adaptative de l’usager (vêture, transpiration, abaissement des stores, rafraichissement) au changement d’ambiance thermique puisse être réalisée ou simulée à l’aide du mannequin et des équipements de la cellule et d’autre part, à ce que les caractéristiques thermiques de cette cellule, son agencement intérieur, sa disposition et son mode d’occupation soient paramétrables.

L’acquisition des mesures physiques décrivant l’environnement et les ressentis thermiques se fait au moyen d’un ensemble de capteurs connectés et disposés selon un maillage fixe et variable. Les données sont ensuite traitées par un algorithme pour obtenir des indices de confort normalisés ou à définir. Un logiciel les confronte ensuite à l’aide d’un modèle thermo-physiologique à la réponse thermique de chaque zone du mannequin. L’exploitation, l’analyse et le couplage éventuel au ressenti thermique des usagers via un vote offrent de nombreuses possibilités en matière de recherche académique ou industrielle.  Citons par exemple, le rapprochement des modèles analytiques et adaptatifs, l’amélioration des normes de confort, leur adaptation à des populations ciblées ou encore leur couplage au ressenti des occupants qui permettrait d’en extraire la part subjective.

Les collaborations

D’ores et déjà, des industriels tels que le Groupe Muller, des centres de recherche comme l’IFTH ou le CSTB, des bailleurs sociaux, le milieu médical, les sapeurs-pompiers ou encore des académiques (Living lab de l’UTT, Ecole Lille, université Prague) ont manifesté leur intérêt à initier une collaboration industrielle ou des programmes de recherche. Nous donnons ci-après quelques exemples de collaborations en cours.
Une récente visite au centre de recherche de l’enseigne Décathlon a confirmé la possibilité de nouer un partenariat industriel. Celui-ci consisterait en la mise au point de tests et mesures d’indices de confort vestimentaire afin de valider leur choix de conception tout en renseignant une base de données technique.

Les bailleurs sociaux, tels que Troyes Habitat ou l’APEI de l’Aube souhaiteraient en complément de l’approche analytique, appréhender le confort thermique qui minimise les consommations énergétiques en étudiant les interactions adaptatives entre l’occupant et son habitat.
Le Centre Hospitalier Universitaire (CHU) de Reims en collaboration avec le laboratoire GRESPI de l’URCA chercherait à évaluer l’impact thermique d’un traitement antidouleur par cryogénie ou encore à dresser la cartographie thermique d’un traitement du cancer du sein.

Les sapeurs-pompiers souhaiteraient améliorer l’isolement thermique des équipements de protection individuelle tout en garantissant un confort optimal.
Le champ d’application de ce mannequin est donc immense et nul doute qu’il permettra d’élargir et d’enrichir de futurs partenariats notamment dans le domaine du transport.