Rapport d’activité 2012

Rapport d’activité 2012
Le LOCIE, UMR 5271 est le Laboratoire de l’INES représentant le CNRS et Université de Savoie dans
les domaines du bâtiment durable et des systèmes énergétiques associés. Le laboratoire met en œuvre
depuis 5 ans une stratégie qui lui permet de recentrer ses activités autour de son axe de recherche
central, Energie et bâtiment durable. L’ensemble des recherches du Laboratoire sont appliquées à un
même objet : le bâtiment de demain.
Le LOCIE en chiffres (1er juin 2012) :
ier
Le LOCIE était composé au 1 juin 2012 de 61 membres, dont 24 enseignants-chercheurs et
chercheurs (8 professeurs, 15 Maîtres de Conférences, 1 chargé de recherche CNRS) relevant
essentiellement des sections 60 et 62 du CNU, et de la section 10 du CNRS, 3 professeurs émérites, 1
chercheur bénévole, 26 doctorants, 1 post-doctorant, 6 personnels administratifs et techniques.
Le LOCIE a participé à 14 projets ANR dans le cadre des programmes, HABISOL (9 ANR), BLANC
international (1 ANR), STOCKE (1 ANR), SEED (2 ANR), VBD (1 ANR) ainsi qu’à 3 projets FUI. Il était
impliqué dans le programme énergie du CNRS et dans des programmes de recherche régionaux via les
ARC énergie et environnement. 6 contrats étaient en cours avec des industriels.
Le budget 2012 du LOCIE est de 790 k€. Les subventions d’état (CNRS et Université) apportent 16%
des ressources du laboratoire. Les projets ANR, les contrats industriels, et les projets FUI représentant
quant à eux respectivement 62 %, 5 % et 10 % des ressources. Les subventions de la Région et des
collectivités territoriales, de l’Ademe, ainsi que le Bonus qualité Recherche participent au budget du
Répartition
dépenses
laboratoire dans une moindre
mesuredes
(Figure
1) du LOCIE 2012
1%
2%
10%
4%
SUBVENTION ETAT
12%
5%
4%
BQR Université
ANR
Contrats industriels
Projets Région Rhône Alpes
FUI
62%
Dotation CNRS
Programme international CNRS
Figure 1 : Répartition des crédits de l’Unité
En 2012, 26 articles ont été publiés par la Laboratoire dans des revues internationales à comité de
lecture. 15 communications ont été réalisées dans des congrès internationaux avec actes. Le
laboratoire a aussi participé à 10 congrès nationaux ou internationaux sans actes. 6 thèses ont été
soutenues (Jeronimo VIDIGAL DUARTE, SPITZ Clara, Edem Kokouvi N'TSOUKPOE, Tong ZHANG,
Guillaume LEPAGE et Sébastien PINARD)
1
Ressources humaines
Suite à la démission de Lingai Luo en septembre 2011, le laboratoire a élu un nouveau directeur, Benoit
Stutz qui a été proposé aux tutelles. Ces dernières ont avalisé ce choix et ont visité le laboratoire fin mai
2012. Un nouveau conseil de laboratoire a été élu le 12 mars 2012 pour une durée de 4 ans. Un
nouveau comité scientifique constitué de 7 personnalités extérieures représentatives des activités du
laboratoire a été mis sur pied. Il est constitué de Francis Allard du LASIE de l’Universite de la Rochelle,
Jocelyn Bonjour du CETHIL de l’INSA de Lyon, Denis Breysse de l'I2M de l’Université de Bordeaux,
Alain Grasmick de l'IEM de l’Université de Montpellier, Julien Hans du CSTB à Grenoble, Jean-Pierre
Joly du CEA-INES à Chambéry, Philippe Marty du LEGI de l’Université de Grenoble.
Parmi les mouvements de personnels de 2012, on notera le départ de Lingai luo et Yilin Fan. Lingai Luo
ère
a postulé avec succès début 2012 au prestigieux concours de Directrice de recherche 1 classe du
CNRS. Elle a choisi de rejoindre le laboratoire LTN de Nantes pour y poursuivre ses activités de
recherche. Yilin Fan, chargé de recherche au LOCIE depuis 2009 a choisi de la suivre.
Evènements marquants
Du 6 au 8 juin 2012, le LOCIE a organisé en partenariat avec le laboratoire CEA-LEB les
30ème
Rencontres Universitaires de Génie Civil. Elles ont permis de rapprocher des communautés
issues des associations AUGC (Association Universitaire de Génie Civil) et IBPSA (International
Building Performance Simulation Association). Ces rencontres ont été un lieu privilégié d’échange, et un
environnement pluridisciplinaire propice à l’émergence d’idées originales. Près de 300 personnes
étaient présentes et 247 articles ont été publiés dans les actes. A l’issue des journées, sur la base des
évaluations et des communications, neuf publications à caractère scientifique et technique ont été
sélectionnées pour ce numéro spécial de la revue EJECE. 27 doctorants venant de soutenir leur thèse
ont également concouru au prix « jeunes chercheurs – René Houpert». Il a consacré cette année
Anaëlle CASANOVA avec une présentation dont le titre est : « Développement et applications
structurelles d’un nouveau modèle de liaison acier-béton ».
Le laboratoire a également participé à l’organisation des « Journées Fiabilité des Matériaux et
Structures » qui se sont se déroulées du 4 au 6 juin 4 au 6 juin 2012 sur le campus de Savoie
Technolac et ont regroupé environ 70 participants.
Evolution structurelles du laboratoire
L’organigramme fonctionnel de l’Unité a été remanié par la nouvelle direction. Le directeur s’appuie sur
4 instances pour l’aider dans ses orientations (Figure 2). Aux trois organes existants (conseil du
laboratoire, assemblée générale et comité scientifique extérieure) s’est ajoutée une commission
scientifique interne. Ouverte à tous, elle est un lieu d’échanges et d’information. Tous les nouveaux
projets y sont présentés. Les orientations stratégiques y sont discutées. La commission se réunie tous
les premier jeudi du mois et précède le conseil du laboratoire, organe décisionnel de l’Unité.
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Figure 2 : Organigramme fonctionnel du LOCIE
Le directeur s’appuie sur une équipe de direction constituée de Yves Gonthier (Professeur), Monika
Woloszyn (Professeur) et Elisabeth Desbos (gestionnaire du laboratoire). Cette équipe se réunit toutes
les semaines pour traiter des affaires courantes. Un certain nombre de responsabilités sont déléguées
à des chargés de mission.
Un nouvel organigramme scientifique a été élaboré pour améliorer la visibilité extérieure de l’Unité et
renforcer son cœur de compétences. Le laboratoire fonctionne comme une équipe unique dont les
orientations qui se décline en 4 thèmes (Figure 3)
Organigramme scientifique du LOCIE
Cette nouvelle organisation a été présentée au comité scientifique du LOCIE à l’occasion d’une journée
d’analyse prospective. En décembre 2012. Les grandes orientations de l’Unité ont été débattues à cette
occasion, permettant de finaliser les choix stratégiques du laboratoire qui seront présentés à l’occasion
de l’évaluation à mi-parcours du laboratoire courant 2013.
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Relations avec les partenaires de l’INES
Partenariat avec le CEA
Le LOCIE a interagi avec trois laboratoires du CEA-INES en 2012 :

le Laboratoire des systèmes Thermiques (LETh) : 2 codirections de thèse (thèse de A. Gonda
sur l’évaporation basse pression et thèse de X Moch sur la Géothermie), 4 projets communs
dont 3 ANR (ANR Prossis 2 et ANR Essi sur le stockage intersaisonnier, ANR Reneausol sur
les Capteurs auto-stockeurs), 1 projet industriel (Contrat RYB).

le Laboratoire Energétique du Bâtiment (LEB) : 2 codirections thèses (thèse de J Goffard sur les
incertitudes, et thèse de Mickael Rabouille sur l’analyse multicritères pour la requalification du
bâti), Le 7 projets communs dont 6 projets ANR (ANR Batimètre sur la Mesure des
performances des bâtiments, ANR Siminthec sur la Simulation thermique du bâtiment, ANR
Hygrobat sur l’humidité dans le bâtiment, ANR BIPV sur les performances des capteurs
photovoltaïques intégrés au bâtiment, ANR Fiabilité sur la Fiabilité des prévisions des
performances énergétiques des bâtiments, ANR Replic sur la REnovation énergétique des
bâtiments Par L’Intérieur) et 1 projet FUI (FUI Parex.it sur l’isolation thermique des bâtiments)).

le Laboratoire des technologies pour les modules photovoltaïques (LMPV). 1 codirection de
thèse dans le cadre d’un projet APS (thèse de P.B. Lechene sur le PV organique),
Les rencontres ont eu lieu au cours de l’été 2012 avec la direction du CEA tech. pour étudier les
possibilités de renforcement des liens entre le LOCIE et les équipes du CEA INES. La création d’une
« équipe mixte » basée sur des projets communs est à l’étude
Partenariat avec le CSTB
LOCIE a essentiellement interagi avec les centres de Grenoble et de Sofia Antipolis. 2 codirections de
thèse (thèse de Clément Belleudy sur la modélisation des transferts d’air et leur impact sur le
comportement hygrométrique des bâtiments et thèse de Mathieu Thorel sur l’optimisation des stratégies
de réhabilitation énergétiques des bâtiments.), 6 projets en communs dont 5 ANR (ANR Fiabilité sur la
(simulation thermique et énergétique des bâtiments, ANR Hygrobat sur la conception hygro-thermique
des bâtiments, ANR Renausol sur les capteurs autostockeurs pour l’ECS, ANR HUMIBATEX sur la
prédiction des désordres causés par l'humidité et les solutions techniques pour rénover le bâti existant,
ANR MOBAIR sur la maîtrise des transferts d’AIR et leur impact sur le comportement hygrothermique
des Maisons à Ossature Bois) 2 projets FUI (FUI Parex.it sur l’isolation thermique des bâtiments, FUI
Syspacte sur les pompes à chaleur thermoélectriques).
Relations internationales
Après avoir été hébergé 5 ans au LOCIE, le « laboratoire sans mur » LIA-LSE associant des
laboratoires français de l’INSIS – CNRS et des laboratoires Chinois dans les domaines de l’énergie et
du génie des procédés, a été transféré au GPEA sur Nantes. Le LOCIE continue à être un membre actif
de ce groupement.
Un projet d’échange international avec la Thaïlande « PHC Siam » a été signé pour 2 ans incluant l’IMS
Material Physics-PSU, (Songkla, Thailand), le MTEC (Bangkok, Thailand), le LGEF (Lyon, France) ainsi
que le LOCIE (Chambéry, France)
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Une collaboration a été initiée avec l’ETH de Zurich sur l’étude des transferts d’humidité dans les
matériaux. Un premier séjour d’une équipe du LOCIE a été réalisé en Suisse pour mettre en œuvre de l’
imagerie neutronique dans des échantillons de matériaux.
Faits marquants
Capteurs autostockeurs (thèse de Jeronimo VIDIGAL DUARTE)
La part de consommation d’énergie primaire d’eau chaude sanitaire (ECS) dans des bâtiments à
basse consommation (BBC) devient importante comparativement aux autres postes. Actuellement,
l’intégration des systèmes dans les nouveaux bâtiments ne présente pas de difficulté. En revanche, le
marché de la rénovation est mal exploité. Une des contraintes importante est le placement du ballon
de stockage. Dans le cas où le ballon doit être placé en dehors du bâtiment, les solutions existantes
ne sont pas satisfaisantes, que ce soit d’un point de vue thermique (fortes pertes), ou d’un point de
vue esthétique (réservoir visible à l’extérieur). Une solution innovante visant à intégrer le stockage au
capteur a été étudiée, afin de permettre une intégration complète du système au niveau de la toiture.
Le critère énergétique nous a conduit à proposer un nouveau concept de capteur auto-stockeur,
présentant un volume de stockage totalement isolé où l’apport de chaleur se produit en partie basse.
Concept initial du capteur auto-stockeur et prototype
L’étude expérimentale (PIV, stratification thermique) d’une cavité à haut rapport de forme a été
réalisée dans la cadre de la thèse de Jeronimo VIDIGAL DUARTE. La cavité étudiée possède les
dimensions suivantes : 1,3 m de hauteur, 0,3 m de largeur et 0,1 m d’épaisseur. La zone de chauffage
est située en partie basse de la paroi supérieure, sur une hauteur de 0,2 m. la cavité possède deux
parois latérales considérées comme quasi adiabatiques. Une d’entre elles, transparente, permet des
mesures de champs de vitesse par PIV. La deuxième sert de support pour les sondes de température
dans la cavité centrale. La cavité peut être inclinée selon différents angles (30°, 45° et 60°), et
-2
chauffée en partie basse avec différentes densités de flux (1800, 3600 et 5400 W.m ). L’expérience
se déroule dans des conditions transitoires. L’étude du développement des couches limites fait l’objet
de soins particuliers.
De manière globale, la cavité présente une zone d’écoulement 2D en partie basse et 3D en partie
haute. La taille de la zone 3D dépend du nombre de Rayleigh. Elle augmente au cours du temps. La
stratification obtenue au sein de la cavité est faible. Nous avons étudié l’impact d’une plaque de
stratification pour un angle de 45° et une puissance de 3600 W/m². La plaque sépare les écoulements
ascendant et descendant, permettant ainsi d’augmentation la zone 2D.
Piles à combustible microbiennes (thèse de Guillaume LEPAGE)
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Les piles à combustible microbiennes (PCM) se posent au carrefour des problématiques énergétiques
et environnementales, en permettent de transformer directement l’énergie chimique contenue dans
des composés organiques (biomasse contenue dans les eaux grises ou brunes issues de l’habitat) en
énergie électrique. Des micro-organismes formant un biofilm sur la surface d'une électrode agissent
comme catalyseur d'oxydation à l'origine de la production d'électrons. Exploitant ce principe d’électro
catalyse-bactérienne, les PCM produisent de l’énergie électrique à partir d'une grande variété de
composés organiques carbonés ou azotés. L'ordre de grandeur des PCM en termes de densité
-2
énergétique est le W.m . Dans le cadre d’un projet sur les PCM, le LOCIE tente de répondre aux
problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en
œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont
les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions
bio-électro-chimiques à chaque électrode ?
Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en
terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour
maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration
multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de répartir et de minimiser les résistances à
l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous avons conduit une démarche
fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via
l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir
tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode,
épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche
multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses
par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire
pertinente de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous
a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques.
Spectres d’impédance de l’anode (a) de la cathode (b) et de la pile (c) et modélisations
correspondantes par circuits électriques équivalents.
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Hydrodynamique et étude des transferts de matière gaz-liquide avec réaction
dans des microcanaux circulaires (thèse de Tong ZHANG)
Le développement des machines à absorption pour l’habitat de demain nécessite de concevoir de
nouvelles générations d’échangeurs compacts ou se développeront les transferts avec changement
de phase. Le LOCIE travaille à cette fin sur l’hydrodynamique et des caractéristiques des réactions
gaz-liquide dans des microréacteurs. Il développe ses connaissances fondamentales en mettant en
œuvre des microcanaux circulaires en verre placés horizontalement. Les essais mettent permettent
d’étudier l'influence du diamètre des canaux, de la viscosité du liquide et de leur tension superficielle
sur les régimes d’écoulement. Nous avons mis en évidence que les modèles disponibles dans la
littérature décrivant les transitions de régimes n’étaient pas totalement satisfaisant et en conséquence,
un nouveau modèle prenant en compte les effets de taille du canal, les propriétés physiques du
liquide a été proposé. Les pertes de charge engendrées par ces écoulements gaz-ont également été
étudiées. Nous avons constaté que la chute de pression est très dépendante du régime d'écoulement.
La prédiction de pression dans la troisième zone dans laquelle les forces d’inertie sont dominantes a
été faite à partir d’un modèle de Lockhart-Martinelli. Ce modèle qui prend en compte les flux de
chaque phase dépend d’un paramètre semi empirique. Nous avons proposé de le corréler avec les
nombres de Reynolds correspondant à chacune des deux phases en présence. Cette méthode
permet de bien rendre compte de nos mesures. Les caractéristiques hydrodynamiques en écoulement
de Taylor ont été aussi examinées. Une réaction chimique en écoulement de Taylor a été réalisée.
L'oxydation du 2-hydrogéne-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) pour former du peroxyde
d’hydrogène a été expérimentalement étudiée dans un microcanal circulaire. Les cinétiques de
conversion du peroxyde d’hydrogène sont environ deux fois plus rapides que celles obtenues dans les
réacteurs gaz liquide utilisés habituellement, montrant la pertinence de ce type de réacteur pour
intensifier les transferts avec changement de phase.
Régimes d’écoulement dans les micro-canaux
Impact du diamètre des tubes sur les régimes
d’écoulement
Etudes de parois ventilées multifonctionnelles (Sébastien PINARD)
Le secteur tertiaire représente une source potentielle d'économie incontournable pour parvenir à
réduire la dépendance énergétique de la France. Le taux de renouvellement du parc immobilier
Français étant relativement faible, un effort doit être porté sur l'existant. Dans ces travaux, nous avons
étudié un procédé innovant de rénovation par l'intérieur, dont l'élément principal est une paroi ventilée
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multifonctionnelle, assurant l'isolation, l'émission de chaleur basse température ainsi que la finition des
surfaces murales. Les premiers travaux sur cette paroi ventilée ont été menés sur un prototype
dimensionné à l'aide d'un modèle numérique simplifié. Deux séries d'expériences menées dans une
cellule climatique PASSYS nous ont permis de quantifier les flux de chaleur à travers le système. Le
bon fonctionnement de la paroi ventilée repose sur les mécanismes de convection naturelle dans un
canal vertical. Les résultats issus du prototype ont montré la présence de phénomènes complexes
intervenant au sein de l'écoulement. Nous avons donc choisi d'étudier plus en détails les phénomènes
thermoconvectifs dans un système du type source chaude/cheminée avant de poursuivre l'étude sur
le système global.
Une étude théorique et une expérience ont ainsi été menées sur un cas académique du problème. A
l'issue des résultats expérimentaux, nous avons observé plusieurs régimes d'écoulements, dépendant
du rapport de forme du canal et du nombre de Richardson en sortie. Un modèle analytique de la paroi
ventilée comprenant l'ensemble des variables géométriques influentes a été développé. Ce modèle a
été implémenté dans l'environnement de simulation TRNSYS, dans la perspective d'effectuer des
simulations annuelles à l'échelle du bâtiment.
Comparaison prototype / modèle analytique
Etude expérimentale (PIV) : différents régimes observés
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Développement de la plateforme structure du LOCIE
Le LOCIE développe depuis plusieurs années une plateforme d’essais pour l’étude de la structure des
bâtiments. Elle est composée d’un portique de charge permettant de solliciter des éléments de structure
de type poteaux-poutre, voiles bétons ou éléments de murs dont les dimensions peuvent atteindre 3 m².
Ce moyen d’essais a subi des mises à jour importantes en 2012 grâce à l’appui de l’Université, de la
fédération VOR et des différents projets de recherche du laboratoire. Il est doté à ce jour de deux vérins
(un électrique et un hydraulique) permettant de solliciter les éléments de structure en statique, en efforts
et en déplacement. La sollicitation mécanique peut atteindre 300 kN. Les structures peuvent être aussi
sollicitée de manière dynamique au moyen d’un marteau ou d’une masse d’impact (sollicitations de type
Dirac) L’instrumentation dédiée à la plateforme comprend des capteurs de déplacements LVDT, des
capteurs d’efforts et des accéléromètres. Les déformations de la structure peuvent être également
mesurées à l’aide d’une caméra très haute définition. Le comportement d’un élément de structure en
béton armé en H a été analysé au cours de l’année 2012 en vue de pouvoir mieux comprendre et
modéliser le comportement des liaisons.
Portique de charge du LOCIE
Courbe effort déplacement pour les différents
cycles de chargement jusqu’à la rupture (60kN
Perspectives
La vague de renouvèlement des personnels du LOCIE qui a permis au laboratoire de réorienter ses
actions de recherche prendra fin en 2013. 3 postes d’enseignants chercheurs seront alors mis au
concours pour une entrée en fonction au mois de septembre. L’intégration de ces nouvelles forces vives
permettra de renforcer les activités du Laboratoire sur le système bâtiment et l’intensification des
transferts. L’intégration du LOCIE au Bâtiment Helios prévue courant 2013 constituera également un
levier important pour l’Unité en permettant de renforcer ses liens avec les laboratoires du CEA INES.
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