Coupled heat and mass transfers in biosourced construction materials : experimental and theoretical investigation of local non-equilibrium

The growing interest in biosourced materials in the construction sector is confronted with difficulties in simulating their hygrothermal behavior. Insulating materials such as fiberboard concentrate all the difficulties because they are not very thermally conductive, very hygroscopic and very diffusive to water vapor. Consequently, in transient state, heat and mass coupling is exacerbated, and the phases of water are not in equilibrium locally.In order to highlight this second phenomenon, a new experimental device has been developed. It allows to subject a sample a few centimeters thick to a disturbance of relative humidity on its front face and then to simultaneously measure the evolution of relative humidity on its back face and its mass. In a situation of non-equilibrium, there is a phase shift between these two quantities that the classic coupled transfer formulation cannot predict. In order to obtain a correct prediction, a new formulation was used. It is based on the use of memory functions characterizing microscopic diffusion. In order to demonstrate the predictive capacity of the new formulation, these functions have been determined with gravimetric tests performed on very small samples using a magnetic suspension balance. In parallel, a rigorous analysis of the heat and mass coupling in these materials made it possible to highlight the impact of different macroscopic parameters on their characterization.The use of the new formulation fed by the identified memory functions and the various macroscopic parameters allows an excellent prediction of relative humidity and mass. This new formulation, experimentally validated, can now be used in energy simulation of the building.
L’intérêt croissant pour les matériaux biosourcés dans le domaine de la construction se heurte à des difficultés quant à la simulation de leur comportement hygrothermique. En particulier, les matériaux isolants tels que les panneaux de fibres concentrent toutes les difficultés car ils sont peu conducteurs thermiquement, très hygroscopiques et très diffusifs à la vapeur d’eau. Conséquemment, en régime transitoire le couplage chaleur masse est exacerbé et les phases de l’eau ne sont pas à l’équilibre localement.Afin de mettre en évidence ce second phénomène, un nouveau dispositif expérimental a été développé. Il permet de soumettre un échantillon de quelques centimètres d’épaisseur à une perturbation de l’humidité relative sur sa face avant puis de mesurer simultanément l’évolution de l’humidité relative sur sa face arrière et de sa masse. En situation de non-équilibre, il existe un déphasage entre ces deux grandeurs que la formulation de transferts couplés classique n’arrive pas à prédire. Afin d’obtenir une prédiction correcte, une nouvelle formulation a été utilisée. Celle-ci se base sur l’emploi de fonctions mémoires caractérisant la diffusion microscopique. De manière à démontrer la capacité prédictive de la nouvelle formulation, ces fonctions ont été déterminées avec des essais gravimétriques réalisés sur de très petits échantillons à l’aide d’une balance à suspension magnétique. En parallèle, une analyse rigoureuse du couplage chaleur masse dans ces matériaux a permis de souligner l’impact sur leur caractérisation de différents paramètres macroscopiques.L’utilisation de la nouvelle formulation alimentée par les fonctions mémoires et les différents paramètres macroscopiques permet une excellente prédiction de l’humidité relative et de la masse. Cette nouvelle formulation validée expérimentalement est désormais utilisable dans des logiciels de simulation énergétique du bâtiment.