Rapport d’activité 2011

Rapport d’activité 2011
Le LOCIE, UMR 5271 est le Laboratoire de l’INES représentant le CNRS et Université de Savoie dans les
domaines de l’énergie et du bâtiment durable. Ses activités sont résolument orientées vers des domaines
d’application à forts enjeux : les systèmes énergétiques innovants à l’échelle et pour les besoins de l’habitat,
ainsi que le système bâtiment. Il est l’un des trois laboratoires de l’école d’ingénieur « Polytech Annecy
Chambéry » de l’Université de Savoie. Les enseignants-chercheur de l’Unité constituent l’essentiel de l’équipe
enseignante « Environnement, Bâtiment, Energie » filière phare de l’école.
Le laboratoire met en œuvre la stratégie qu’il s’est défini dans le cadre du contrat quadriennal, à savoir une
recherche organisée autour d’un axe central «Energie et bâtiment durables» avec deux thèmes de recherche
«Systèmes énergétiques innovants» et «Système bâtiment et Intégration solaire », qui se déclinent eux-même
en 3 actions de recherche:
Thème I. Systèmes énergétiques innovants et Intensification des transferts
 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
 II.1 - Analyse du système bâtiment
 II.2 – Maîtrise des flux de chaleur et de matière
 II.3 – Conception intégrée des systèmes solaires
L’objectif du laboratoire est de devenir un laboratoire d’excellence au niveau national et international dans le
domaine de l’énergie et du bâtiment solaire.
Le LOCIE en chiffres (1ier juin 2011) :
Le LOCIE est composé de 69 membres, dont 22 enseignants-chercheurs et chercheurs (8 professeurs, 1
directeurs de recherche effectuant sa recherche au LOCIE, 12 Maîtres de Conférences, 1 chargé de
recherche CNRS) 3 professeurs émérite, 32 doctorants, 2 post-doctorant, 3 ATER, 7 personnels administratifs
et techniques. Les permanents relèvent majoritairement des sections 60 et 62 du CNU, et de la section 10 du
CNRS.
Le LOCIE participe à 14 projets ANR dans le cadre des programmes PREBAT (1 ANR), HABISOL(10 ANR),
BLANC international (1 ANR), STOCKE (2 ANR) ainsi qu’à 3 projets FUI. Il est impliqué dans le programme
énergie du CNRS et dans des programmes de recherche régionaux via les CLUSTERs énergie et
environnement. 4 contrats sont en cours avec des industriels.
Le budget 2011 du LOCIE est de 880 k€. Les subventions d’état (CNRS et Université) apportent 17% des
ressources du laboratoire. Les projets ANR, les contrats industriels, et les projets FUI représentant quant à
eux respectivement 55 %, 10 % et 7 % 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 2011, 15 articles ont été publiés par la Laboratoire dans des revues internationales à comité de lecture. 8
communications ont été réalisées dans de congrès internationaux avec acte. Le laboratoire a aussi participé à
8 congrès nationaux ou internationaux sans acte. 7 thèses ont été soutenues (Zhang Qi, Antoine LECONTE,
Manuel BAZZANA, Ammar ABDULHAMID RAHAL, Benjamin DAVID, Layal Chahwanne, Adrien Brun)

Ressources humaines
Le LOCIE a été fortement restructuré ces dernières années sous l'impulsion de sa directrice Lingai Luo. Un
travail de fond considérable a été mené, tant sur le point organisationnel que scientifique. Lingai Luo a
souhaité mettre fin à sa fonction de directrice à partir de septembre 2011. L'ensemble du personnel du
Laboratoire remercie Lingai Luo pour tout le travail a accompli dans l'intérêt de la collectivité. Ses qualités
humaines et scientifiques font de Lingai Luo une personnalité de premier ordre, et un pilier sur lequel le
laboratoire souhaite pouvoir compter pour les années à venir.
Cinq postes d’enseignant-chercheur ont été mis au concours en 2011. Les personnes recrutées (Monika
Woloszyn en tant que professeurs, Bui Bao, Marx Chhay, Michel Ondarts et Mickael Pailha en tant que Maitre
de conférences) ont intégré le laboratoire en septembre 2011. Ils renforceront respectivement les
compétences du laboratoire dans les domaines de la physique du bâtiment, du comportement mécanique des
bâtiments et de leurs parois, de la modélisation des transferts, de la qualité de l’air intérieur, des transferts
convectifs.
L’équipe administrative a été largement renouvelée avec le remplacement d’une secrétaire (Martine Villard) et
l’arrivée d’une gestionnaire de Laboratoire (Elisabeth Desbos). Jonathan Outin a intégré l’Unité en tant que
technicien chimie en remplacement de Nathalie Cottin.
Reconnaissance du CNRS
L’évaluation positive du LOCIE par l’AERES et le CNRS en février 2010 a permis à l’Unité d’assoir sa
reconnaissance et de pouvoir passer du statut de FRE 3220 au statut d’UMR 5271 au mois de janvier 2011.
Relations extérieures
Le LOCIE travaille dans le cadre de l’INES en étroite collaboration avec les équipes du CEA-LITEN et du
CSTB.
 Pour ce qui est de la structuration des recherches avec le CEA, l’Unité interagit plus particulièrement
avec deux laboratoires : le Laboratoire des systèmes Thermiques (LETh) et le Laboratoire
Energétique du Bâtiment (LEB). 6 thèses étaient codirigées avec le CEA LITEN en 2011 : la thèse de
A. Gonda sur l’évaporation basse pression, la thèse de L. Chahwane sur l’inertie thermique des
bâtiments, les thèses de J Goffard et de C Spitz sur les incertitudes, la thèse de P.B. Lechene sur le
PV organique, la thèse de X Moch sur la Géothermie. Le LOCIE et le CEA-LITEN ont travaillé sur 9
projets en communs en 2011 : 7 projets ANR (ANR Prossis et ANR Essi (stockage intersaisonnier,
ANR Reneausol (Capteurs auto-stockeurs), ANR Batimètre (Mesure des performances des
bâtiments), ANR Simintec (Simulation thermique du bâtiment, ANR BIPV (performances BIPV)) 1
projet FUI (FUI Parex.it (isolation thermique des bâtiments)), 1 projet industriel (Contrat RYB).
 Pour ce qui est de la structuration des recherches avec le CSTB, le LOCIE interagit essentiellement
avec les centres de Grenoble et de Sofia Antipolis. 1 thèse était codirigée avec le CSTB en 2011 : la
thèse de Mathieu Thorel sur l’optimisation des stratégies de réhabilitation énergétiques des bâtiments.
Le LOCIE et le CSTB ont travaillé sur 6 projets en communs en 2011 : 4 projets ANR (ANR Eclipse
(pompes à chaleur géothermiques), ANR Fiabilité (simulation thermique et énergétique des bâtiment),
ANR Hygrobat (conception hygro-thermique des batiments), ANR Renausol (capteurs autostockeurs
pour l’ECS)) 2 projets FUI (FUI Parex.it (isolation thermique des bâtiments), FUI Syspacte (pompe à
chaleur thermoélectrique)).

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 dont l’annexe 24/42 sur le stockage de l’énergie
thermique.
En 2011 le laboratoire a travaillé avec 2 centres techniques extérieurs à l’INES : le BRGM et le CETIAT. Il a
collaboré via de nombreux projets communs avec des laboratoires français parmi lesquels PROMES, le
CETHIL, CRISMAT, LEGI, LAGEP, LIMSI, LGIT, LCPC, L3SR, TREFLE, LEPTIAB, LRGP. Ses principaux
partenaires industriels ont été en 2011 ACOME, ALDES, ANJOS, CIAT, CLIPSOL, EDF, Planet Horizon,
SOLVAY, SOMFY, RYB, TECHSOL, VEOLIA…
Le LOCIE a continué à héberger le « laboratoire sans mur » LIA-LSE associant 6 laboratoires français du
département ST2I du CNRS et 10 laboratoires chinois, entre les meilleurs dans les domaines de l’énergie, du
génie des procédés (la direction du LIA est assurée par Lingai Luo).
Un contrat de coopération international FAPESP – CNRS a été signé pour une durée de deux ans entre le
LOCIE et le laboratoire SISEA de l’Université de Sao Paulo sur le développement de nouveaux concepts de
machines à absorption à films ruisselants.
Grand emprunt : Volets IEED et Equipex 2
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). Le projet n’a pas été retenu en tant que projet IEED, mais comme un projet prioritaire pour le
gouvernement. Il est prévu qu’il bénéficie d’un soutien particulier de la par du gouvernement.
Le LOCIE a également répondu à l'appel d'offre EQUIPEX2 en soumettant un projet d'équipement
d'excellence MENBAS, porté par l’Université de Savoie. Cette plateforme est complémentaire aux grands
équipements dont dispose déjà l'INES et qui permettent d'étudier et d'analyser les performances des maisons
individuelles à basse consommation (INCAS) et des produits ou éléments de façade sur un niveau (plateforme
BIPV, cellules PASSIS). Cette plateforme aurait permis sans aucun doute de renforcer la visibilité scientifique
et industrielle de l'Institut National de l'Energie Solaire (INES) ainsi que de participer à son rayonnement et au
renforcement de la dynamique de travail collectif des équipes de l'Université, du CNRS, du CEA, et du CSTB
au sein de l'INES. Le projet n’a malheureusement pas été retenu.
Faits marquants : Systèmes énergétiques dédiés au bâtiment
Pompes à chaleur géothermiques
L’objectif des pompes à chaleur géothermiques est de soutirer l’énergie du sol. Ce type de système présente
des coefficients de performance sensiblement plus élevés par rapport aux pompes à chaleur air-air ou air-eau
conventionnelles. Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être sont couplées à l’un des trois principaux
types d’échangeurs géothermiques : les sondes géothermiques constituées d’un tube en U implanté entre 0 et
150 m de profondeur, les nappes horizontales constituées d’un serpentin implantée à 0,8 m de profondeur, et
les corbeilles géothermiques constituées d’un échangeur hélicoïdal implanté entre 1 et 3 m de profondeur. Les
sondes verticales présentent l’avantage d’être peu sensibles aux aléas climatiques mais leur cout
d’implantation est élevé et leurs performances baissent avec le temps compte tenu des problèmes
d’épuisement de la ressource thermique en l’absence de recharge. Les nappes horizontales et les corbeilles

géothermiques sont quant à elle moins onéreuses et bénéficient de la recharge thermique solaire durant l’été.
Le LOCIE travaille sur les corbeilles géothermiques dans le cadre du projet ANR ECLIPSE et de relations
avec des industriels.
Comparées aux nappes horizontales, les corbeilles géothermiques présentent des surfaces d’échange avec le
sol importantes tout en ayant un taux d’occupation au sol réduit. Les écoulements au sein des tubes sont
généralement laminaires. La forme hélicoïdale des tubes permet d’améliorer le transfert thermique via le
développement d’un écoulement secondaire constitué d’une paire de tourbillons longitudinaux. Il est possible
d’améliorer les échanges thermiques en insérant à l’intérieur des tubes des promoteurs de turbulence ou en
améliorant le coefficient d’échange diffusif dans le sol au voisinage des tubes (dopage du sol).
Modélisation des échangeurs géothermiques
La réponse du sol sollicité par les corbeilles géothermiques est simulée à l’aide d’un code CFD. La géométrie
des corbeilles est modélisée par une superposition de tores dont les températures évoluent en fonction de la
profondeur, du débit imposé et des conditions aux limites (température du sol et température d’entrée du
fluide). Les simulations numériques ont permettent d’étudier l’impact de la géométrie des corbeilles sur la
performance du système. Ils permettent également d’étudier la problématique du dimensionnement des
champs de corbeille, les performances des systèmes, leurs couplage à l’habitat.
Pompe à chaleur thermoélectrique
Dans le contexte actuel d’amélioration de l’efficacité énergétique des logements, il est nécessaire de
repenser les installations de chauffage. Le LOCIE a développé un générateur de chaleur et de
rafraîchissement innovant (GCRI). Ce générateur repose sur l’utilisation de modules thermoélectriques
assurant le rôle de pompe à chaleur au moyen d’une alimentation électrique.
La thèse de Benjamin David a porté sur l’amélioration de l’efficacité énergétique du système complet
incluant un émetteur basse température (coefficient de performance global). Ce travail repose sur différents
modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Ces modèles ont permis de définir une
configuration optimisée du système et de mettre en place une méthode de gestion optimale pour répondre à
des besoins variables de puissance et de températures. Les échangeurs multifonctionnels mis en jeu dans le
système ont été dimensionnés et étudiés expérimentalement en vue de maximiser les performances du

générateur. Après couplage au bâtiment, une nette amélioration des performances du système est atteinte
par rapport à une configuration classique de pompe à chaleur thermoélectrique.
Etude expérimental et modélisation des pompes à chaleur thermoélectriques au LOCIE
Récupération de micro-énergie : applications aux bâtiments
Le LOCIE mène des études sur la récupération de micro-énergies renouvelables au moyen des matériaux
piézoélectriques, pyroélectriques et thermoélectriques. Ces étude portent sur l'optimisation de trois aspects
de la récupération de micro-énergie : (i) le couplage entre le générateur et l'environnement, (ii) l'efficacité de
conversion d'énergie par le choix adéquat de matériaux et (iii) l'extraction de l'énergie électrique. Des études
expérimentales et théoriques ont été menées en premier lieu dans des conditions de laboratoire pour une
meilleure compréhension des phénomènes de récupération de micro-énergie, puis dans des conditions
réelles pour vérifier les performances effectives des dispositifs réalisés. Concernant l'effet thermoélectrique,
une nouvelle méthode de récupération de micro-énergie ambiante et solaire a été étudiée. Cette méthode
utilise les générateurs thermoélectriques et les effets des chaleurs sensibles et latentes des matériaux à
changement de phase pour produire des micro-énergies aussi bien de jour que de nuit. Une puissance
maximale de 1 Wm-2 avec un matériau thermoélectrique (Bi2Te3) a été obtenue. Concernant l'effet
pyroélectrique, l'effet des variations des vitesses du vent au cours du temps est exploité. Une variation
temporelle maximale de la température de 16 C/mn est disponible, ce qui a conduit à une puissance
moyenne récupérée de 0.6 mWm-2. Concernant l'effet piézo-électrique, une structure mécanique de type
harmonica a été développée ainsi qu'une estimation des efforts d'interaction fluide-structure. Le prototype
développé fonctionne à partir des vitesses du vent de 2 ms-1 et génère une production d'énergie électrique
de 8.9 mWm-2. A titre d'illustration, une application typique a été présenté (refroidissement de panneau
photovoltaïque). Elle montre une augmentation de la production d'électricité autour de 10%. L'application
met en évidence l'utilisation des micro-énergies renouvelables au service de la production de macro-énergie.