KUZNIK Frédéric

Groupe Stockage (permanent)

Thème "Énergétique du bâtiment et des systèmes solaires"

Physique du bâtiment pour des villes résilientes au climat et bas-carbone

 

Aperçu général

Mon programme de recherche est entièrement structuré autour des deux piliers de la réponse au changement climatique définis par le GIEC : l’adaptation des bâtiments et des villes au changement climatique déjà engagé (Groupe de travail II du GIEC), et l’atténuation des émissions de CO₂ du secteur du bâtiment afin de limiter le réchauffement futur (Groupe de travail III du GIEC). Le choix des bâtiments urbains comme domaine d’application est délibéré : les villes concentrent aujourd’hui 45 % de la population mondiale, deux tiers de la croissance démographique d’ici 2050 se produiront en zone urbaine (Perspectives mondiales de l’urbanisation des Nations Unies), et les émissions opérationnelles et grises des bâtiments représentent ensemble près de 40 % des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie.

Du côté de l’adaptation, le contexte pertinent est la combinaison de l’intensification des vagues de chaleur, de l’îlot de chaleur urbain et de la densification urbaine en cours, qui menacent ensemble le confort thermique, la santé publique et la résilience du parc bâti existant. Les objectifs sont de caractériser quantitativement ce stress combiné et d’évaluer les solutions de rafraîchissement vertes et grises — surfaces à fort albédo, rafraîchissement passif, végétalisation urbaine, conception bioclimatique — capables d’apporter un rafraîchissement significatif sans verrouiller davantage d’émissions. Du côté de l’atténuation, l’objectif est de réduire drastiquement le carbone opérationnel et gris des bâtiments par la conception bioclimatique et passive, la rénovation zéro-énergie / zéro-carbone du parc existant, les matériaux bas-carbone et l’intégration des énergies renouvelables au stockage thermique à plusieurs échelles. Adaptation et atténuation sont étroitement couplées : un bâtiment mal adapté entraîne une demande de rafraîchissement mécanique et des émissions ; un système décarboné de manière agressive qui ignore l’adaptation ne fournira pas le confort attendu sous les climats futurs.

Mon programme de recherche aborde explicitement ce couplage selon quatre axes complémentaires: (1) Énergie dans les bâtiments — chauffage, rafraîchissement, prédiction de la demande énergétique et intelligence artificielle ; (2) Stockage de l’énergie — batteries thermochimiques, matériaux à changement de phase et intégration des énergies renouvelables ; (3) Microclimat × Bâtiments — îlot de chaleur urbain, changement climatique et adaptation des bâtiments ; et (4) Transferts de chaleur et de masse, confort et stress thermique. Les quatre axes partagent un socle méthodologique commun — modélisation numérique haute fidélité (CFD, méthode de Boltzmann sur réseau, modèles zonaux / d’ordre réduit), expériences rigoureuses à grande échelle ou en laboratoire, et techniques de plus en plus orientées données — appliqué de manière cohérente depuis l’échelle du matériau jusqu’aux échelles du quartier et de la ville.

1. Énergie dans les bâtiments — chauffage, rafraîchissement, prédiction de la demande énergétique et intelligence artificielle

Un axe de recherche porte sur les performances thermiques et énergétiques des enveloppes de bâtiments et des systèmes CVC sous conditions réelles d’exploitation. Des expériences en pleine échelle et des modèles numériques validés ont caractérisé les panneaux muraux à MCP^{[11,12,17,20,55,66]}, les racks multi-couches de stockage latent pour bâtiments^[22], les façades double-peau ventilées^[13,25], les murs Trombe^[39] et les phénomènes de condensation pilotés par l’humidité sur les vitrages^[79]. Ces contributions fournissent des recommandations de conception pour la rénovation énergétique et confirment des gains mesurables en énergie et en confort aux échelles de la pièce et du bâtiment^{[6,8,12,20,72]}.

Du côté actif, des études ont porté sur les échangeurs de chaleur MCP/air pour la ventilation et l’effacement de pointe électrique^[36,42,52], le dimensionnement du stockage inter-saisonnier pour maisons à basse consommation^[37], et les modèles d’ordre réduit en représentation d’état des échangeurs géothermiques verticaux et horizontaux — y compris les configurations en série / parallèle pertinentes pour la conception de pompes à chaleur géothermiques^[16,43,113]. Les systèmes solaires pour bâtiments ont également été étudiés, incluant le stockage de chaleur latente couplé à des collecteurs cylindro-paraboliques pour l’eau chaude sanitaire de grands bâtiments^[84], les séchoirs à bois solaires hybrides PVT^[90,91] et les capteurs solaires à tubes sous vide testés en conditions réelles en Afrique de l’Ouest^[120].

Aux échelles du quartier et de la ville, une série de travaux a développé des modèles de demande énergétique rapides et précis, d’ordre réduit et technologiquement explicites — incluant la modélisation des demandes de chauffage et de rafraîchissement des bâtiments urbains à l’échelle de la ville^[70], le calcul rapide des charges de chauffage/rafraîchissement de réseaux de chaleur fondé sur des modèles en représentation d’état^[76], la plateforme MoDEM pour la modélisation modulaire des énergies à l’échelle du quartier^[96], et des modèles de prédiction centrés sur l’occupant calibrés sur des campus universitaires^[99]. Plus récemment, les recherches ont été étendues vers l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique, avec la simulation par réseau de neurones de réacteurs de stockage thermochimique par sorption^[93] et une revue exhaustive des techniques d’apprentissage automatique et profond pour la prédiction de la consommation électrique des bâtiments^[111]. Cette axe a été développé plus avant par des travaux dédiés à la prévision de la charge résidentielle, où la fonction de perte soft Dynamic Time Warping (soft-DTW) a été comparée aux pertes MSE et MAE conventionnelles pour la prédiction par réseau de neurones du lendemain à l’échelle du bâtiment individuel, avec une évaluation inédite fondée sur la matrice de confusion et des métriques dédiées d’erreur de position et de charge des pics qui démontrent la supériorité de soft-DTW — seul ou combiné à MSE, MAE ou un indice de distorsion temporelle — pour la prédiction des pics dans la prévision à court terme de la charge^[105].

2. Stockage de l’énergie — batteries thermochimiques, matériaux à changement de phase et intégration des énergies renouvelables

Le stockage de l’énergie pour les bâtiments est l’un des axes centraux de recherche, abordé selon deux familles technologiques complémentaires : le stockage latent (MCP) et le stockage thermochimique / par sorption.

Sur les matériaux à changement de phase (MCP), les contributions couvrent l’ensemble de la chaîne, depuis la caractérisation des matériaux — interprétation des essais calorimétriques^[40,48], modélisation de la surfusion et de l’enthalpie^[48,66] et quantification des artefacts de convection naturelle dans les mesures DSC^[67] — jusqu’aux essais expérimentaux sur panneaux muraux, blocs de verre et murs en pleine échelle^{[11,12,15,20,24,65,72]}, en passant par des modèles numériques dédiés incluant des types TRNSYS^[17], des formulations LBM-MRT en enthalpie^[33,41,50] et des outils de conception fondés sur des métamodèles^[52,55]. Les applications couvrent les échangeurs MCP/air[36,42,52], les panneaux solaires à MCP intégrés[34], les MCP biosourcés et microencapsulés intégrés dans le placoplâtre, les briques creuses et le béton mousse^{[103,106,110,119]}, ainsi que plusieurs revues de l’état de l’art^[19,89,117] qui consolident pour la communauté deux décennies de progrès.

Sur le stockage thermochimique et par sorption (parfois appelé « batteries thermochimiques »), les travaux couvrent le développement et la caractérisation des matériaux — composites MgSO₄–zéolithe^[23], zéolithe 13X^[59,74,80], matériaux à base d’ettringite / méta-ettringite^[75,85–87] et hydrates de sels (MgSO₄·6H₂O, heptahydrate de chlorure de lanthane)^{[51,68,82,95]} — ainsi que des méthodologies de mesure de conductivité thermique^[56], la conception et l’optimisation de réacteurs^[64,87] et des études d’intégration (couplage à des systèmes de cogénération^[62], stockage bimodal sensible / par sorption pour tours aéroréfrigérantes^[114]). Les analyses au niveau système incluent les limites théoriques d’efficacité du stockage par chimisorption dans les bâtiments^[81], des analyses de sensibilité de modèles de stockage par zéolithe^[80] et une revue largement citée — un « bilan de réalité » — sur la maturité du stockage thermochimique long terme pour le résidentiel^[88]. Trois articles de synthèse consolident le domaine : le stockage par chimisorption dans les bâtiments^[57], les développements récents du stockage thermique par physisorption^[73] et le stockage de l’énergie solaire thermique^[69].

L’intégration des énergies renouvelables constitue un fil conducteur récurrent : systèmes solaires à concentrateurs cylindro-paraboliques couplés à des MCP^[84], séchoirs solaires assistés par sorption^[92], séchoirs à bois entraînés par PVT^[90,91], chauffe-eau solaires à tubes sous vide^[120] et conception de stockage par zéolithe à haute densité de puissance pour usage en cogénération solaire^[59]. Un substitut rapide à base de réseau de neurones pour les réacteurs de sorption^[93] permet des simulations à l’échelle annuelle qui seraient autrement inatteignable à faible coût de calcul, soutenant l’intégration de ces technologies dans les systèmes énergétiques de bâtiment et de quartier.

3. Microclimat × Bâtiments — îlot de chaleur urbain, changement climatique et adaptation des bâtiments

La physique du bâtiment a été progressivement couplée à la science du microclimat urbain afin d’aborder la question de l’interaction entre les villes, le changement climatique et le parc bâti. La méthode de Boltzmann sur réseau, développée initialement pour l’aéraulique intérieure, a été transposée à l’aéraulique urbaine de configurations urbaines complexes^[46], et une fonction de paroi RANS-RSM adaptée a été dérivée pour la convection externe sur les bâtiments^[63]. Des typologies génériques de morphologie urbaine ont été proposées afin de rendre tractables les études aérauliques à micro-échelle^[71], et l’influence du microclimat local sur la simulation des performances de bâtiment a été quantifiée dans une étude en deux parties^[77,78].

Plus récemment, un cadre cohérent zonal / de couplage à l’échelle de l’îlot et du canyon urbain a été développé : un nouveau modèle zonal d’aéraulique pour le microclimat à l’échelle de l’îlot^[108], son extension à l’évaluation du stress thermique couplée à des modèles de bâtiment^[107], l’évaluation des schémas de quadrature directionnelle pour le transfert radiatif urbain^[100], un benchmark académique pour qualifier les outils de simulation du microclimat^[109] et le modèle climatique urbain zonal MATHIS avec approche par réseau de rues^[115]. Couplé aux travaux sur la demande énergétique à l’échelle du quartier^[70,96,99], cet ensemble fournit un continuum allant du climat urbain à la demande énergétique du bâtiment.

L’adaptation des bâtiments aux climats en évolution est abordée par des stratégies de façades ventilées^[13,25], des enveloppes à MCP évaluées en climats chauds / méditerranéens et algériens^[72,103] et des systèmes à énergies renouvelables en contextes ouest-africains^[120], complétant le travail de modélisation par des études de terrain sur la manière dont la conception des enveloppes et des systèmes doit évoluer avec le climat.

4. Transferts de chaleur et de masse, confort et stress thermique

Le socle méthodologique de cet axe de recherche est l’étude détaillée des transferts de chaleur et de masse dans les fluides et les solides, combinant expériences et méthodes numériques haute fidélité. Des expériences en pleine échelle et en laboratoire ont caractérisé l’écoulement et le transfert de chaleur dans des pièces ventilées mécaniquement^{[1–3,7,9,27,83]}, les jeux de données produits servant de référence pour les modèles de turbulence (k-ε realizable, k-ω SST, RNG, RSM, simulation aux grandes échelles)^{[3,7,9,38,63]}. Une ligne de longue durée sur la méthode de Boltzmann sur réseau a produit des schémas LBM thermiques à double population^[4,5], des modèles hybrides LBM–différences finies et de compressibilité artificielle « link-wise »^{[41,44,45,49,54,58,60]}, des formulations axisymétriques^[53], des implémentations multi-GPU et Xeon-Phi dans le cadre du projet TheLMA^{[14,18,21,26,28–31,35,61]}, ainsi que des simulations aux grandes échelles récentes d’écoulements en pièce à une résolution sans précédent^[104].

Les phénomènes couplés de transferts de chaleur et de masse dans les bâtiments incluent la convection naturelle dans des cavités et à proximité de murs à MCP^{[24,33,38,65]}, la fusion combinée à la convection et au rayonnement^[33,41,50], la condensation d’humidité sur les vitrages^[79] et la simulation 3D haute résolution de bâtiments appliquée à des pièces solaires passives équipées de MCP^[98]. Une extension interdisciplinaire concerne l’extension de la LBM à l’écoulement magnéto-hydrodynamique du sang dans des artères sténosées et anévrismales^[97,102,116], illustrant la transférabilité aux transports biomédicaux des méthodes développées pour le bâtiment.

Sur le confort thermique et le stress thermique, les travaux couvrent l’évaluation combinée CFD–expérimentale du confort avec plafonds rafraîchissants^[10], l’optimisation de la qualité de l’environnement intérieur avec des unités de ventilation par pièce^[101] et une extension récente vers la modélisation centrée sur l’humain : un modèle thermophysiologique individualisable évaluant les contraintes thermique, hydrique et cardiovasculaire^[112], et une étude de terrain sur la vulnérabilité perçue à la chaleur chez les femmes âgées dans un contexte de vagues de chaleur plus fréquentes^[118]. Combinées à la modélisation du stress thermique à l’échelle de l’îlot^[107], ces contributions positionnent l’activité récente à l’interface entre la physique du bâtiment, le climat urbain et l’adaptation en santé publique.

Positionnement de la recherche

À travers les quatre thématiques, les travaux combinent systématiquement innovation méthodologique (schémas numériques, calcul sur GPU, modèles substituts et d’apprentissage automatique, couplage multi-échelle) et ancrage expérimental (essai en pleine échelle, calorimétrie, prototypes de réacteurs, mesures de terrain). Six articles de synthèse largement cités^{[19,57,73,88,89,111,117]} ont contribué à structurer leurs champs respectifs.

 

 

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