Rapport d’activité 2010

Rapport d’activité 2010
Le LOCIE, FRE 3220 CNRS Université de Savoie est un des quatre laboratoires de Polytech Annecy
Chambéry, l’école d’ingénieurs de l’Université de Savoie. Le laboratoire travaille sur les aspects
énergétiques et leur intégration dans le bâtiment, son environnement autant pour le neuf que pour
l’existant. Cela concerne les systèmes innovants pour la production, le transport et le stockage de
l’énergie, et la durabilité énergétique, environnementale, structurale, économique et sociale des
bâtiments.
La stratégie de recherche du Locie est organisée sur un axe central « Energie et bâtiment durables »
avec deux thèmes de recherche « Systèmes énergétiques innovants et Intensification des transferts »
et « Système bâtiment et Intégration solaire ». Chaque thème consiste en trois actions.
Thème I. Systèmes énergétiques innovants et Intensification des transferts
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I.1. Production d’énergie propre;
I.2 - Transport, stockage et transformation de l’énergie thermique
I.3 - Intensification des transferts
Thème II : Système bâtiment et Intégration solaire
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II.1 - Analyse du système bâtiment
II.2 – Maîtrise des flux de chaleur et de matière
II.3 – Conception intégrée des systèmes solaires
Le LOCIE en chiffres
ier
Le LOCIE est composé de 74 membres, au 1 juin 2010 dont 23 enseignants-chercheurs et chercheurs
(6 professeurs, 2 directeurs de recherche effectuant sa recherche au LOCIE, 14 Maîtres de
Conférences, 1 chargé de recherche CNRS) 3 professeurs émérite, 37 doctorants, 4 post-doctorant, 7
personnels administratifs et techniques. Les permanents relèvent majoritairement des sections 60 et 62
du CNU.
Le LOCIE participe à 17 projets ANR dans le cadre des programmes PREBAT, HABISOL, BLANC,
ESSI et BIOE ainsi qu’à 3 projets FUI. Il est impliqué dans le programme énergie du CNRS et dans des
programmes de recherche régionaux via des CLUSTERs énergie, environnement et le programme
CIBLE. 6 contrats sont en cours avec des industriels.
Le budget 2010 du LOCIE est de 960 k€. Les subventions d’état (CNRS et Université) apportent 13%
des ressources du laboratoire. Les projets ANR, les contrats industriels, et les projets FUI représentant
quant à eux respectivement 53 %, 10 % et 8 % des ressources. Les subventions de la région et des
collectivités territoriales, de l’Adem, ainsi que Bonus qualité Recherche participent au budget du
laboratoire dans une moindre mesure.
En 2010, 22 articles ont été publiés par la Laboratoire dans des revues internationales à comité de
lecture. 20 communications ont été réalisées dans de congrès internationaux avec acte. Le laboratoire
a aussi participé à 14 congrès nationaux ou internationaux sans acte. 2 brevets industriels ont été
déposés. 10 thèses et 1 HDR ont été soutenues.
Ressources humaines
Quatre postes d’enseignant-chercheur ont été mis au concours en 2010. Les personnes recrutées
(Gilles Fraisse, Evelyne Gonze, et Benoit Stutz en tant que professeurs, Jean-Patrick Plassiard en tant
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que Maitre de conférences) ont intégré le laboratoire en septembre 2010. Ils renforceront
respectivement les compétences du laboratoire dans les domaines de l’énergétique du bâtiment, de la
qualité de l’air intérieur, des transferts couplés de masse et de chaleur ainsi la structure du bâtiment.
Reconnaissance AERES
L’évaluation du LOCIE par l’AERES en février 2010 a donnée des avis très positifs avec une note de
l’unité A, et notes partielles de 3 A et A+ sur stratégie, gouvernance et vie du laboratoire. L’évaluation
du comité scientifique CNRS section 10 a donné un avis très favorable au passage de FRE à UMR.
Relations extérieures
Le LOCIE travaille dans le cadre de l’INES en étroite collaboration avec le CEA-LITEN, et plus
particulièrement avec deux de ses laboratoires le LETh – Laboratoire des systèmes Thermiques et le
LEB. – Laboratoire Energétique du Bâtiment.
Le LOCIE est un membre actif de différentes communautés scientifiques nationales. Il est engagé dans
différentes sociétés savantes telles que l’AUGC, la SFGP ou la SFT. Il est membre fondateur de la
fédération solaire FEDESOL et participe à différentes taches de l’AIE. Il travail en étroite collaboration
avec différents laboratoire français et étrangers parmi lesquels PROMES, le CETHIL, CRISMAT, LEGI,
LAGEP, LIMSI, LGIT, LCPC, L3SR, TREFLE, LEPTIAB, LRGP. Il travail étroitement avec différentes
institution dont le CEA, le CSTB, le CEMAGREF, le BRGM et le CETIAT. Ses principaux partenaires
industriels sont EDF, CIAT, SOLVAY, LAFARGE, ACOME, SPIN, ANJOS, CTBA, SCHNEIDER,
CLIPSOL, SOMFY, GDF, IFP, AIR LIQUIDE, RYB…
Le LOCIE est fortement impliqué dans le laboratoire LIA-LSE associant 6 laboratoires français du
département ST2I et 10 laboratoires chinois, entre les meilleurs dans les domaines de l’énergie, du
génie des procédés (la directrice du LIA n’est autre que Lingai Luo, directrice du LOCIE).
Projet d’IEED
Le LOCIE a participé activement à la réponse à l’appel d’offre sur les Instituts d'Excellence Energies
Décarbonées en lien étroit avec le CEA INES et le LMOPS, tant sur la partie formation (comprenant le
développement et une plateforme de formation solaire bâtiment et la mise en place d’une formation
doctorale d’excellence) que sur la partie recherche (implication forte du laboratoire dans le projet de
développement de deux plateformes dédiés à l’étude du comportement des façades du bâtiment et du
stockage d’énergie intersaisonnier)
Faits marquants : Systèmes énergétiques dédiés au bâtiment
Pompe à chaleur thermoélectrique
Bien que les phénomènes thermoélectriques aient été mis en évidence au début du XIXème siècle,
rares sont les applications ayant vu le jour. De nombreuses études, en partenariat avec des industriels
reconnus, sont menées au LOCIE sur l’utilisation de ces phénomènes pour remplacer les pompes à
chaleur thermodynamiques pour l’habitat. Les principaux avantages de cette technologie face aux
pompes à chaleur thermodynamiques sont les suivants : Système aisément réversible (production de
chaud ou de froid) par inversion du sens du courant électrique, absence de pièces mécaniques ayant
pour conséquence un faible besoin de maintenance (durée de vie supérieure à 100 000 heures en
régime stationnaire), absence de ChloroFluoroCarbone (CFC), mise en service rapide et contrôle facile.
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Les travaux du LOCIE concernent notamment le couplage des modules thermoélectriques aux
échangeurs de chaleur (sur chacune de ses faces) pour assurer un transfert thermique optimal (en
terme de coefficient de performances - COP). L’intégration de ces systèmes aux bâtiments est
également étudiée, pour différentes conditions de fonctionnement. Ces travaux ont débouché sur une
stratégie de gestion, basée sur l’association en cascade et en parallèle des modules thermoélectriques,
dans le but de répondre à la demande énergétique variable dans les bâtiments. Des études
complémentaires sont en cours afin de pouvoir concurrencer les pompes à chaleur traditionnelles
(présentant des COP de près de 5, contre des COP actuellement voisins de 3 pour les pompes à
chaleur thermoélectriques).
Schéma d’un module thermoélectrique.
Stockage d’énergie intersaisonnier
Les procédés de stockage d’énergie thermique intersaisonnier ont fait l’objet de travaux de recherche.
L’objectif est de permettre de stocker l’énergie solaire en excès lors de journées estivales pour pouvoir
la valoriser pour le chauffage des bâtiments lors de journées plus froides, lorsque l’ensoleillement reçu
par un système de chauffage solaire est insuffisant. Un procédé à absorption innovant dédié au
stockage d’énergie thermique intersaisonnier, a été développé au LOCIE. Une étude bibliographique a
permis d’identifier le couple d’absorption CaCl2-H2O (le CaCl2 étant un coproduit de l’industrie
chimique, non toxique et encore peu valorisé). L’absorption présente l’intérêt d’une densité de stockage
importante (de l’ordre de 2 à 4 fois celle du stockage par chaleur latente) et de pouvoir adapter la durée
de stockage, du cycle jour/nuit au stockage intersaisonnier, avec très peu de pertes de chaleur. Le
comportement dynamique du procédé a été modélisé de façon détaillée pour une meilleure
compréhension du fonctionnement du système. Un prototype de démonstration à échelle réduite a
également été conçu, dimensionné et expérimenté et a permis de démontrer la faisabilité du concept
proposé et de valider qualitativement le modèle proposé.
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Prototype de stockage de chaleur intersaisonnier
Faits marquants : Système bâtiment et Intégration solaire
Les murs végétalisés
Les murs végétalisés peuvent apporter des réponses efficaces à la régulation thermique des bâtiments
en période estivale en réduisant la température de la paroi l’été par évapotranspiration. Actuellement
les logiciels réglementaires ou de simulation dynamique ne permettent pas de les intégrer dans une
construction. De plus, très peu d’études ont été menées pour quantifier leur impact thermique. Une
étude est menée par le LOCIE pour connaître les performances de tels murs, pour pouvoir les
modéliser dans leur ensemble (depuis l’intérieur du bâtiment jusqu’aux feuilles du couvert végétal) et
optimiser leurs performances énergétiques. Paralèlement aux travaux de modélisation, deux
expérimentations sont en cours dans la région Chambérienne. Il s’agit de murs d’une cinquantaine de
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m l’un orienté au Nord et l’autre au Sud. Les travaux expérimentaux et de modélisation montrent que
le bilan annuel du mur végétal est bon : il permet de réaliser une économie global de 31,7 % des
dépenses énergétiques si le bâtiment était maintenu à 23°C l’été et 19°C l’hiver. En été le mur
végétalisé permet en moyenne journalière de réduire le flux thermique de plus de 45 %. C’est autant
d’économies réalisées en termes de climatisation. A l’inverse, placer un couvert végétal sur une paroi
exposée au rayonnement solaire est thermiquement défavorable en hiver. Les végétaux absorbent le
flux solaire qui n’est alors plus un apport externe gratuit pour l’intérieur du bâtiment. Il peut conduire à
une perte de plus de 13% qui correspond aux apports solaires gratuits et à l’humidité stockée par le mur
qui diminue encore la température de la façade.
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Instrumentation d’un mur végétalisé
Les ballons autostockeurs
La difficulté d’exploitation de l’énergie solaire dans la rénovation est très souvent liée au stockage de
cette énergie, en particulier en ce qui concerne l’intégration dans le bâtiment du ballon d’eau chaude.
C’est l’enjeu principal du projet RénEauSol, dont l’objectif est d’avancer dans la conception de capteurs
solaires auto-stockeur simples, résistants et intégrés à l’environnement architectural. L’enjeu est
important, avec un parc immobilier ancien très riche mais dont l’efficacité énergétique laisse bien
souvent à désirer ! Les moyens envisagés pour atteindre cet objectif sont d’utiliser des capteurs sous
vide pour mieux canaliser la chaleur (“caloducs"), et de travailler sur la stratification. Ce projet
d’envergure nationale est piloté par le LOCIE. Il regroupe de nombreux partenaires rhônalpins, dont
plusieurs laboratoires : le CEA - Savoie- Technolac, les CSTB et CRESSON de Grenoble, et le
CETHIL à Lyon. Il inclut également l’entreprise TECNISUN, un fabricant de capteurs solaires basé à
Grenoble. Le LOCIE apporte une expertise en matière de modélisation et d'expérimentation fine des
transferts de chaleur permettant de travailler sur la stratification du stockage.
Vue en coupe d’un ballon autostockeur
Ventilation naturelle pour le rafraîchissement passif des bâtiments
La densification des bâtiments, l'apparition des systèmes de rafraîchissement mécanique et l'adoption
par les normes de confort du modèle rationnel de Fanger qui impose des limites de confort thermique
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exiguës ont contribué au délaissement par les concepteurs des approches passives du contrôle
thermique des bâtiments en les dotant inconditionnellement de systèmes de rafraîchissement
mécaniques. Cette "mécanisation" croissante a entraîné entre autre l'augmentation de la consommation
électrique. On assiste actuellement à l'émergence d'une tendance qui pousse vers une réforme des
normes. Il reste un travail conséquent à réaliser afin de consolider les connaissances et de maîtriser la
ventilation naturelle. Ceci passe par le développement d'outils d'aide à la conception pour aider à
réaliser des choix préliminaires, et des outils de simulation fine du comportement aéraulique du
bâtiment afin de valider les choix de base et les raffiner. Ces outils doivent être performants et capables
de s'adapter à tout type de réalisation et au changement des conditions aux limites tout en gardant un
temps de simulation raisonnable. Une démarche de conception basée sur l'inversion de modèles
simplifiés dans le but de dimensionner les ouvertures a été réalisée au LOCIE. Elle s’est poursuivie par
le développement d’un modèle intermédiaire basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes sur
un maillage adaptatif.
Opération urbaine
Pour répondre aux défis posés par le développement des villes, notre « Habitat » doit se percevoir dans
une conception plus élargie et globale pour faire émerger de nouvelles formes de solidarités permettant,
au quotidien, de concilier préservation de l'environnement, efficience économique et équité sociale. A la
recherche d’une réponse, les aménageurs et les collectivités publiques attendent un cadre systémique
s’appuyant sur des outils d’évaluation adaptés au contexte de chaque projet urbain. Les premiers
retours d’expériences sur les éco-quartiers montrent que l’obtention des performances dépend
largement du management de l’opération et de ses acteurs. Tout en poursuivant le travail de définition
entamé dans le cadre du projet « ADEQUA », le LOCIE a participé au développement, dans le cadre du
projet europeen interreg, un cadre méthodologique permettant de réaliser un benchmarking élargi des
«quartiers durables», de modéliser et d’anticiper objectivement les convergences ou les divergences
entre les principaux acteurs de l’opération d’aménagement urbain. A terme, cette démarche a pour
objectif d’être étendue au sein du projet européen « Eco-OBS » pour déterminer l’efficience non
seulement des opérations urbaines elles-mêmes, mais aussi de leurs modes de gestion de projet.
Plate-forme d’expérimentation de maison individuelles
Le LOCIE participe en lien étroit avec le CEA-LEB au développement de la plate-forme bâtiment INCA
réalisée sur le site de l’INES, à conditions climatiques subies et à comportement maîtrisé. Il participe en
particulier au développement d’une méthodologie pour mesurer et contrôler la performance énergétique
du bâtiment tout au long de sa vie. Cette méthodologie permettra de comprendre et d’analyser les
écarts qui pourraient subvenir par rapport à la conception. Cette méthode de détermination de la
performance énergétique du bâtiment est basée sur le résultat de mesure de quelques capteurs et
l’utilisation en temps réel de logiciel de simulation simplifiée. Les performances ainsi évaluées en temps
réel peuvent être comparées à la simulation des performances du bâtiment réalisé dans le cadre de
différents programmes en cours.
Exploitation du potentiel d'énergie renouvelable
Beaucoup de projets récents dans le cadre de l’exploitation de l’énergie renouvelable dans le cadre du
bâtiment se limitent à la mise au point d'une solution particulière, à la valorisation d'une partie du
potentiel ou à l'optimisation d'une partie de l'enveloppe. Le LOCIE participe avec EDF, CEP, le CETHIL,
et OASIS à un projet de recherches visant à concevoir et à évaluer des concepts d'enveloppe et de
ventilation du bâtiment capables d'exploiter l'énergie disponible dans leur environnement. Cette
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approche s'alimente des projets existant ciblés, mais se distingue par son approche globale qui permet
de situer le champ des possibles et les
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