Monitoring du démonstrateur béton de chanvre de Cahors

centrale d'acquisition de données pour Cahors ENERPAT

L’expertise de l’INSA de Toulouse pour le monitoring du bâtiment démonstrateur de Cahors, programme ENERPAT-SUDOE

Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) est rattaché à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse (INSA). Il intervient en formation et recherche aussi bien dans le domaine du génie civil que dans celui du Patrimoine. Son expertise en Génie Physique et plus particulièrement dans les phénomènes de transfert thermohygrique en fait un référent incontournable sur ce sujet primordial quand on aborde la rénovation du patrimoine d’une part, et la compatibilité des systèmes isolants dans ces ouvrages d’autre part.

Rencontre avec Marina Malagoni qui intervient au LMDC pour la partie MONITORING du bâtiment démonstrateur du centre ancien de la ville de Cahors

 

Interview de Marina Malagoni – Doctorante à l’INSA de Toulouse au sein du Laboratoire Matériaux et Durabilité des Construction, par BCB, le 14 09 2020

 

LE PROGRAMME D’ECO-RENOVATION ENERPAT DE CAHORS

Il intègre des solutions respectueuses des matériaux anciens et du fonctionnement global de l’ouvrage avec une isolation qui apporte des réponses en thermique et en gestion de l’humidité. Plusieurs phases se sont succédées :

  • Recherche et sélection d’isolants à faible impact environnemental, capables d’apporter un confort thermohygrique en toute saison
  • Validation de ces solutions au travers d’études menées par un laboratoire spécialisé, connaissant déjà les matériaux envisagés.
  • Rénovation des 2 bâtiments anciens, réunifiés pour n’en faire plus qu’un seul disposant d’une nouvelle configuration intérieure en phase avec nos modes de vie actuels

D’autres phases sont à venir :

  • Après l’installation en fin d’année des premiers locataires, commencera  le monitoring du bâtiment démonstrateur. Pour un suivi des performances en temps réel durant 3 ans, et analyses des résultats pour validation des solutions.
  • Analyse du confort thermohydrique des utilisateurs par application de questionnaires. L’intérêt de cette analyse est de construire des indicateurs de confort pouvant être mis en parallèle avec les mesures climatiques effectués.
  • Développement de filières, à l’échelle locale ou régionale, à court et moyen terme, concernant aussi bien les compétences professionnelles que les matériaux. L’objectif est de disposer de tous les moyens nécessaires à la réussite de ce type d’éco-rénovation dans les futurs programmes ou projets à l’échelle de la Communauté de Commune

 

 

LE CONTEXTE CONCERNANT L’INTERVENTION DU LMDC DE L’INSA DE TOULOUSE

Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) de l’INSA de Toulouse a été retenu pour les aspects recherche et développement relatifs aux matériaux d’isolation au sein du programme ENERPAT SUDOE de la Ville de Cahors.

Le choix des matériaux pour le bâtiment démonstrateur s’est fait au cours d’ateliers de co-création en présence de toutes les parties prenantes du projet. À partir de propositions du LMDC, une analyse a été menée suivant un ensemble de critères – techniques, économiques, scientifiques…- pour définir les matériaux les plus adaptés au projet d’éco-rénovation de Cahors.

Au final, le béton de chanvre a été retenu pour l’isolation intérieure des parois du bâtiment.

Ce bâtiment démonstrateur sera bientôt réceptionné. C’est dans ce cadre que nous évoquons avec Marina Malagoni les phases à suivre concernant l’intervention du LMDC.

 

 

INSTRUMENTATION DU BÂTIMENT DÉMONSTRATEUR DE CAHORS

 

BCB : Quel sera la configuration de l’instrumentation ?

Marina Malagoni : Prochainement on va mettre en place du matériel sur les niveaux 2 et 3. Une centrale d’acquisition Gantner sera placée au niv 2 dans la chambre et sera connectée en fait également pour faire des relevés sur la chambre du niv3. Les données seront relevées par connexion wifi.

Il y aura aussi au 3ème étage des capteurs autonomes de type Kimo®, qui vont être suspendus à la sous-face de la toiture. Et là il faudra faire des relevés de données sur place tous les 2 mois pour les valeurs de températures, d’humidité, de luminosité et CO2.

Implantation de la centrale d'acquisition et des capteurs, au niveau 2,par le LMDC de l'INSAT. Bâtiment / ©LMDC démonstrateur de Cahors

Implantation de la centrale d’acquisition et des capteurs, au niveau 2, par le LMDC de l’INSAT. Bâtiment démonstrateur de Cahors / ©LMDC

Implantation de la centrale d'acquisition et des capteurs, au niveau 3,par le LMDC de l'INSAT. Bâtiment / ©LMDC démonstrateur de Cahors

Implantation de la centrale d’acquisition et des capteurs, au niveau 3, par le LMDC de l’INSAT. Bâtiment démonstrateur de Cahors / ©LMDC

L’instrumentation pour recueillir les données de l’ambiance intérieure est très importante car la manière d’utiliser chaque appartement influe directement sur la qualité de vie. Quand on a des enfants qui bougent tout le temps par exemple, quand on est en présence de personnes qui restent fréquemment dans l’appartement ou qui sont très souvent dehors, les résultats sont directement impactés.

Pour l'acquisition de données concernant l'ambiance intérieure, utilisation de capteurs du type KIMO® : température, humidité, CO2 et LUX

Pour l’acquisition de données concernant l’ambiance intérieure, utilisation de capteurs du type KIMO® : température, humidité, CO2 et LUX

Pour la mesure de l'enveloppe du bâtiment, du doublage isolant béton de chanvre en surface et dans son épaisseur, la centrale Gantner est dédiée à l'acquisition des données : température, humidité et densité de flux thermique.

Pour la mesure de l’enveloppe du bâtiment, du doublage isolant béton de chanvre en surface et dans son épaisseur, la centrale Gantner est dédiée à l’acquisition des données : température, humidité, densité de flux thermique et température et humidité au centre de la pièce (température ambiante)..

 

BCB : Est-il nécessaire de connaitre le matériau béton de chanvre pour réussir les analyses à partir des résultats des relevés ?

MM : Il faut connaître le matériau bien sûr parce qu’en fonction des mélanges, en fonction des modes opératoires de mise en œuvre – projection mécanique, banchage, préfabrication…), les  propriétés mécaniques et physiques seront différentes. Afin d’avoir des repères tangibles, on a réalisé des essais en laboratoire pour connaitre les propriétés de ce matériau et on couplera ces connaissances avec l’analyse des résultats donnés par les capteurs qui seront mis en place, et on comparera.

On a réalisé également une simulation thermodynamique pour avoir un 3ème type d’analyse.

Du fait qu’on dispose de l’ensemble des propriétés du béton de chanvre, on a pu facilement insérer les valeurs dans un logiciel de simulation pour nous rendre compte du comportement du bâti, des parois etc. sur des aspects qui vont bien au-delà du seul R.

Donc connaitre le béton de chanvre est le préalable à toute expérimentation in-situ.

 

 

BÉTON DE CHANVRE : SA CARACTÉRISTIQUE ESSENTIELLE DE TAMPON HYGRIQUE

 

BCB : Comment allez-vous décrypter les relevés dont vous disposerez ?

MM : Un des grands objectifs de cette rénovation est la réduction des consommations énergétiques. Un autre concerne le confort des habitants. Par exemple on verra si on atteint 90 % de satisfaction dans le domaine thermique. Un tel niveau de résultat signifierait qu’on dispose d’une vraie qualité d’habiter.

Un autre point que nous allons suivre avec attention est celui de la durabilité des parois. Quand on pose un matériau isolant en intérieur afin de ne pas intervenir sur les façades historiques, on a souvent des problèmes de moisissures : lorsque la température extérieure diminue, l’air en contact avec la face intérieure de la paroi, qui présente une température plus basse, va condenser. On dispose alors d’une ambiance parfaite pour créer des champignons.

Si le béton de chanvre a été retenu pour isoler le bâtiment démonstrateur du centre ancien de Cahors, c’est justement pour éviter ce phénomène.

 

BCB : C’est la différence de température intérieure entre le mur ancien et l’isolant qui fait qu’il y a condensation et donc développement de moisissures puisque l’eau est enfermée et ne peut pas circuler…

MM : Effectivement pour toute activité humaine en intérieur : cuisine, douche, respiration, on libère beaucoup de vapeur d’eau. Par ailleurs, une fois qu’on isole un bâtiment, l’objectif est d’empêcher la chaleur de sortir pendant l’hiver.  En fonction du type de matériau isolant qu’on utilise, on bloque le transfert de la vapeur d’eau.

Et c’est là qu’on a un problème. On isole. Les températures à l’intérieur et à l’extérieure sont différentes. La température de surface de la paroi à l’intérieur du bâtiment est inférieure à la température de l’air intérieur. Et une fois que l’air entre en contact avec cette surface on a de la condensation.

Crédit image : Fiches Amélioration Thermique du Bâti Ancien (ATHEBA) - disponible sur : http://maisons-paysannes.org/

Crédit image : Fiches Amélioration Thermique du Bâti Ancien (ATHEBA) – disponible sur : http://maisons-paysannes.org/

Le même phénomène se produit dans les isolants multicouches, du fait de températures et de perméances différentes entre les couches.

Le béton de chanvre, lui, est intéressant parce qu’il est à la fois isolant et perméant.  Il dispose d’une très grande porosité grâce à la chènevotte constituée d’un réseau de capillaires très dense et spécifique. L’association chènevotte + chaux génère un matériau qui fait office de tampon hygrique. Celui-ci permet :

1/de gérer les fluctuations d’humidité.

  • Quand l’humidité dans la pièce augmente, le béton de chanvre absorbe l’excédent.
  • Et quand l’humidité  diminue dans la pièce le béton de chanvre en restitue.

Pour au final assurer un équilibre hygrique dans une fourchette comprise entre 50 à 60 % d’HR.

2/ de disposer d’une température de surface de la paroi intérieure très proche de la température de l’air intérieur,. Donc pas de phénomène de condensation.

En conséquence, on évite la formation de toute manifestation pathologique liée à la condensation interstitielle et donc l’apparition de moisissures. L’ensemble garantit confort thermique, hygrique et qualité de l’air.

 

BCB : Donc cela signifie qu’il faut disposer d’une paroi globale très perméantes

MM : Oui, exactement il faut qu’on garde cette propriété originale. Les parois historiques en générale sont des parois très perspirantes. Une fois qu’on isole avec des matériaux modernes, laines minérales etc., on va surement avoir des problèmes de condensation interstitielle avec apparition de moisissures, donc dégradation de la santé des habitants…

 

BCB : Si le mur est perméant, il faut que les finitions le soit également ?

MM : C’est vrai, Isolant et finition doivent disposer des mêmes atouts pour que la solution globale soit perméante

 

BCB : Que dire de la « course » à la résistance thermique (R) la plus élevée possible ?

MM : Paradoxalement, plus un matériau dispose d’un pouvoir isolant important, plus il va baisser la température de la surface en contact avec un autre matériau ou avec l’air, plus il va augmenter la possibilité de créer de la condensation.

 

BCB : Donc être très isolant n’est pas un avantage dans le bâti patrimonial ?

MM : Exactement, il faut trouver un équilibre. Le béton de chanvre est parfait pour les bâtiments historiques parce qu’il offre un couplage idéal entre isolation de qualité (10 cm suffisent pour disposer de performances thermiques intéressantes) et perspirance. Il faut laisser sortir l’humidité. Si ce point-là n’est pas assuré, on génère de futurs problèmes.

 

 

LE MONITORING DU BÂTIMENT DÉMONSTRATEUR DE CAHORS

 

BCB : Le monitoring c’est le suivi des mesures sur site,  ou c’est toute la démarche, y compris l’analyse de l’INSA

MM : Quand on utilise le terme MONITORING, on considère la phase de suivi du comportement hygrothermique de l’enveloppe du bâtiment, incluant les conditions de fonctionnement extérieur, intérieur et les transferts hygrothermique et hygrothermique à l’intérieur de la paroi.

 

BCB : Quel est la répartition des rôles avec la Ville de Cahors ?

MM : L’INSA gère toutes les phases du monitoring : recherche des emplacements pour les capteurs, pose des capteurs, câblage, traitement des données, analyses. L’ensemble des résultats étant remis à la Ville de Cahors

 

BCB : Est-ce qu’une analyse sera faîte pour relever et comprendre les écarts entre les objectifs théoriques des performances et la réalité de fonctionnement du bâtiment ?

MM : Les phénomènes physiques au niveau des parois sont très complexes et difficiles à modéliser. Et on a toujours des écarts entre les valeurs simulées et les valeurs mesurées. Un des objectif important du projet est de réduire les incertitudes de calcul, réduire les écarts pour disposer de simulations les plus fiables possible.

Cela passe par l’amélioration de la méthodologie d’un chantier d’éco-rénovation dans lequel chacun et chaque élément influent sur le résultat de la performance thermohygrique : la MOA, la MOE, les entreprises, la connaissance du bâti existant, la maîtrise des matériaux et des techniques, les mesures même du monitoring

 

BCB : Les 3 villes mettent en place un monitoring sur leur bâtiment respectif. Est-ce qu’une analyse comparative des résultats sera possible, hiérarchisant de fait la valeur des solutions techniques mises en place dans les bâtiments ?

MM : Le but n’est pas de faire des comparaisons de cette manière-là. Parce que les contextes sont très différents : Les 3 sites présentent

  • des typologies architecturales qui leurs sont propres : avec des petites surfaces pour Cahors ; pour Victoria Gasteiz, c’est un peu plus grand, alors que pour Porto, on est sur de grands volumes.
  • des systèmes constructifs différents
  • des matériaux utilisés très différents aussi.
  • des solutions d’éco-rénovation distinctes : du béton de chanvre pour Cahors, du liège pour Victoria Gasteiz et des panneaux isolants constitués de matériaux recyclés pour Porto.

 

BCB : On peut ajouter les conditions climatiques à cette liste.

MM : Oui les températures et leurs amplitudes ne sont pas comparables, idem pour les taux d’humidités.

Ne pas oublier que les habitants sont aussi différents, avec des modes de vies distincts.

 

BCB : Donc multiplicité plutôt que compétition.

MM : Les programmes en cours sont adaptés aux contextes : politique, énergétique, technique, filière professionnelle et filière matériaux. Compte tenu de l’ensemble de ces variables, le but à Cahors, Victoria Gasteiz et Porto est de valider l’éco-rénovation – les solutions et modes opératoires – en tant que démarche pour restaurer les centres anciens avec des solutions locales voir régionales.

 

BCB : Quelle communication sera faite en cours ou à l’issue du monitoring ?

MM : Il y a  d’abord les échanges entre les différents laboratoires du programme ENERPAT, entre l’INSA de Toulouse et le Grand Cahors. En parallèle nous envisageons la publication d’articles scientifiques en relation avec les thèses développées et les stages mis en place.

 

BCB : Cela laisse augurer qu’au niveau européen, il y aura moyen de concevoir l’éco-rénovation énergétique du patrimoine en intégrant des solutions en phase avec la culture et l’économie de chaque région pour privilégier les filières courtes.

MM : Pour le programme SUDOE qui nous concerne, le fait de fonctionner ainsi sur 3 villes en parallèle a permis de multiplier les pistes de travail, d’échanger sur les méthodologies pour rendre possible l’éco-rénovation.

 

« Et pour le centre ancien sur lequel nous intervenons, Cahors, c’est une belle idée que d’utiliser un matériau comme le béton de chanvre dont une des caractéristiques est d’émettre moins de CO2 que bien d’autres matériau ! »

 

On est sur un programme qui expérimente, jusque dans la phase monitoring. Cette expérimentation bénéficie d’un financement européen, indispensable, parce que les coûts de telles opérations sont importants.

 

« Le but est de concrétiser des pistes pour que l’Europe commence à pratiquer la démarche de l’éco-rénovation à l’échelle des centres anciens ».

 

 

 

FICHE CHANTIER RÉNOVATION BÉTON DE CHANVRE DU BÂTIMENT DÉMONSTRATEUR DE CAHORS

  • Lieu : angle des rues Saint James et du Petit Mot – Cahors
  • Date de début du chantier : 2018
  • Date de livraison : fin 2020

 

Les acteurs du projet Monitoring

  • MOA : Communauté d’Agglomération du Grand Cahors
  • Programme expérimental monitoring et analyses : Laboratoire des Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) de l’INSA de Toulouse.
  • Fourniture de la centrale de récupération de données :

 

 

Le projet d’éco-rénovation du bâtiment démonstrateur de Cahors

Il consiste en la réunification de 2 bâtiments accolés pour disposer de surfaces plancher en phase avec notre manière d’habiter actuelle. Isolation complète avec des solutions bio-sourcées

Suppression du mur mitoyen permettant la fusion des deux immeubles

Suppression du mur mitoyen permettant la fusion des deux immeubles / photo©Ville de Cahors

La réfection totale de la toiture (reconstruction de la charpente en chêne)

La réfection totale de la toiture (reconstruction de la charpente en chêne) / photo©Ville de Cahors

 

 

Applications

1. Isolation biosourcée Béton de Chanvre Tradical® en application Doublage Intérieur

  • Produits : chaux Tradical® Thermo + chènevotte Chanvribat®
    • Le couple chaux chanvre Tradical® Thermo + Chanvribat® est validé par Construire en chanvre et conforme aux exigences performantielles des Règles Professionnelles d’exécution des ouvrages en béton de chanvre
    • Tradical® Thermo est une chaux de classe FL A 3.5 selon la norme européenne des chaux de construction NF EN 459
    • Chanvribat® est un chanvre labellisé Granulat Chanvre Construction
    • Ce couple chaux chanvre bénéficie d’une résistance au feu EI 240, la meilleure possible et qui confère au Béton de Chanvre Tradical® un véritable rôle de sécurité incendie
  • Épaisseur de l’application : Sur 12 cm d’épaisseur

 

2. Finition intérieure : enduit traditionnel à la chaux

  • Produit : chaux Tradical® Bâtir + sable local
    • Tradical® Bâtir est une chaux de classe FL A 3.5 selon la norme européenne des chaux de construction NF EN 459

 

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