Thèse Jumeau Numérique et Expérimental pour l'Analyse Couplée des Transferts Hygrothermiques et de la Qualité de l'Air Intérieur dans les Bâtiments Biosourcés H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne École doctorale : Sciences, Technologie, Santé Laboratoire de recherche : LTI - Laboratoire des Technologies Innovantes Direction de la thèse : Anh Dung TRAN LE ORCID 0000000332255481 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-30T23:59:59 Ce projet de thèse porte sur le développement une plateforme de co-simulation avancée, articulant expérimentation à l'échelle 1 et modélisation numérique, pour l'analyse couplée des transferts hygrothermiques et de la qualité de l'air intérieur (QAI) dans les bâtiments biosourcés. L'originalité de l'approche repose sur une analyse multi-échelle, allant de la paroi au bâtiment, intégrant les interactions complexes entre l'enveloppe, les propriétés intrinsèques des matériaux, les occupants et les systèmes de ventilation.
La méthodologie s'appuie sur le couplage des outils de référence Open Source EnergyPlus (pour les transferts hygrothermiques et la simulation thermique) et CONTAM (pour la qualité de l'air intérieur), permettant de simuler simultanément les phénomènes thermiques, aérauliques et de transport de masse.
Une attention particulière est portée aux phénomènes de sorption/désorption de l'humidité et des composés organiques volatils (COV), paramètres critiques pour comprendre et prédire le confort hygrique et la QAI. En combinant des modèles numériques et des dispositifs expérimentaux instrumentés, la plateforme garantit la validation rigoureuse des résultats et accroit la fiabilité des simulations prédictives.
L'application de cette approche novatrice permet de lever des verrous scientifiques majeurs identifiés dans la littérature, notamment l'évaluation de l'impact des matériaux biosourcés sur le confort hygrothermique, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique globale des bâtiments. Ce travail vise ainsi à fournir un outil d'aide à la décision robuste pour la conception de bâtiments durables, performants et résilients.
Face à l'urgence climatique et environnementale planétaire, la transition vers des pratiques de construction durable et décarbonée est devenue une priorité absolue des politiques publiques. Selon le rapport « Global Status Report for Buildings and Construction (Buildings-GSR), 2024/2025 » publié par l'UNEP et la GlobalABC, le secteur du bâtiment est responsable d'environ 32 % de la consommation énergétique mondiale et de 34 % des émissions de CO liées à l'énergie et aux matériaux de construction. Ces chiffres positionnent la rénovation et la construction biosourcée comme des leviers clé stratégiques majeurs au coeur des trajectoires de neutralité carbone.
Dans ce contexte de rupture technologique, les matériaux biosourcés s'imposent comme des alternatives crédibles aux solutions conventionnelles, grâce à leur faible énergie grise et leurs propriétés hygrothermiques remarquables. Les bétons végétaux (à base de chanvre, colza ou miscanthus) se distinguent par une structure poreuse complexe leur conférant une haute capacité de régulation de l'humidité ambiante et une aptitude à réguler les polluants intérieurs, notamment les composés organiques volatils (COV), améliorant ainsi significativement le confort et la Qualité de l'Air Intérieur (QAI).
Cette cotutelle repose sur une collaboration unique : elle associe l'expertise française en mesures de haute précision à la maîtrise libanaise en modélisation thermodynamique et optimisation des systèmes. Ensemble, les deux laboratoires vont créer un jumeau numérique et expérimental capable de garantir des bâtiments sains et économes en énergie, aussi bien sous le climat de la France que celui du Liban.
Cependant, l'analyse de la littérature scientifique révèle un verrou méthodologique critique : la majorité des études reste focalisées sur des matériaux étudiés isolément, sans intégrer la dynamique réelle incluant les systèmes de ventilation, l'occupation et la complexité des parois multicouches du bâtiment. Ces interactions complexes impactent significativement les performances globales de la paroi, en particulier sur la capacité tampon hygrique et les COV des bétons biosourcés qui la constituent. A ce jour, à notre connaissance, il n'existe aucune étude développant une plateforme intégrée de co-simulation, à la fois expérimentale (à l'échelle 1) et numérique, pour traiter de manière couplée les transferts hygrothermiques et la qualité de l'air intérieur (QAI). Cette synergie est rendue possible par la complémentarité des compétences des équipes de l'Université Libanaise et de l'Université de Picardie Jules Verne. Cette thèse permettra donc de combler ce verrou scientifique et technique.
Pour atteindre ces objectifs, une méthodologie hybride alliant expérimentation et modélisation numérique multi-échelle sera développée. L'objectif est d'approfondir la compréhension des mécanismes de transfert (chaleur, humidité, COV) dans les matériaux et à l'interface paroi-ambiance afin d'identifier les paramètres clés nécessaires à la mise au point de modèles numériques prédictifs. Enfin, cette démarche s'inscrit dans une perspective de résilience climatique, offrant ainsi une portée internationale aux résultats obtenus pour les deux pays partenaires.
L'approche adoptée dans cette thèse repose sur une démarche scientifique combinant études expérimentales et modélisation numérique. Le projet est structuré en quatre Work Packages (WP) :
WP1. Etat de l'art et fondements théoriques
o Tâche 1.1 : Réalisation d'une revue bibliographique approfondie et critique sur la construction durable, les matériaux biosourcés et les phénomènes couplés de transfert de chaleur et de masse. Cette étude couvrira l'état de l'art des modèles numériques (EnergyPlus, CONTAM), les méthodes de mesure, ainsi que les modes constructifs, afin de poser des bases solides théoriques solides pour ce travail de thèse.
o Tâche 1.2 : Synthèse des connaissances, rédaction d'un article de revue et élaboration du premier chapitre du manuscrit de thèse.
WP2. Plateforme expérimentale à l'échelle 1
o Tâche 2.1 : Sélection de la formulation des matériaux étudiés (béton de chanvre, béton de miscanthus et enduits adaptés) sur la base des conclusions du WP1. Une phase d'optimisation des formulations pourra être envisagée si nécessaire.
o Tâche 2.2 : Conception et mise en oeuvre de parois multicouches à l'échelle 1.
o Tâche 2.3 : Instrumentation et intégration des systèmes de ventilation dynamique ainsi que des équipements de simulation de l'occupation (sources de chaleur et d'humidité) au sein de la plateforme expérimentale disponible au LTI.
o Tâche 2.4 : Analyse des protocoles de mise en oeuvre et rédaction de la partie 1 du chapitre 2 de la thèse.


WP3. Étude expérimentale du comportement hygrothermique et de la QAI
o Tâche 3.1 : Monitoring expérimental du comportement hygrothermique et chimique à l'échelle de la paroi, sous différentes conditions climatiques contrôlées (température et humidité relative).
o Tâche 3.2 : Suivi expérimental de la température, de l'humidité relative et de la cinétique de concentration des polluants (QAI) au sein de la plateforme expérimentale, afin d'évaluer la performance globale du système sous différentes sollicitations.
o Tâche 3.3 : Analyse approfondie des résultats expérimentaux obtenus.
o Tâche 3.4 : valorisation des résultats par la rédaction d'articles scientifiques et du chapitre 3 de la thèse.
WP4. Co-simulation, validation et optimisation
o Tâche 4.1 : Développement d'une co-simulation entre les logiciels EnergyPlus et CONTAM.
o Tâche 4.2 : Validation du modèle à l'échelle de la paroi et au niveau du local.
o Tâche 4.3 : Optimisation de la performance hygrothermique et chimique des parois multicouches exposées à différentes conditions climatiques en France et au Liban.
o Tâche 4.4 : Élaboration de recommandations pour l'utilisation des matériaux biosourcés dans la construction selon le mode constructif et le type de climat.
o Tâche 4.5 : Recommandations pratiques et optimisation des modèles numériques prédictifs pour l'évaluation du confort, de la QAI et de l'efficacité énergétique.
o Tâche 4.6 : Rédaction des articles scientifiques et du chapitre 4, ainsi que finalisation de la thèse en vue de la soutenance au sein de l'UPJV en France