Climat et Energie en Milieu Urbain

Description

L’équipe CEMU est née de la restructuration de la thématique « Efficience Energétique » suite à l’arrivée de Laurent Royon sur un poste de Professeur de l’université Paris Diderot (PR2 section 62) en Septembre 2016 et du rattachement dernièrement de deux Maitres de Conférences (Martin Hendel et Xiaofeng Guo, ESIEE, section 62).

L’activité principale du groupe porte sur le développement de procédés et matériaux innovants pour lutter contre les effets du changement climatique et la pénurie en eau. De manière naturelle et sans aucun apport d’énergie, il est tout à fait possible de limiter l’impact d’une vague de chaleur, de créer du rafraichissement et produire de l’eau potable, de gérer le stockage et la demande en énergie thermique en exploitant judicieusement et ce de manière optimale, les processus physiques impliquant un changement de phase (évaporation, condensation, fusion, solidification).
Les travaux de l’équipe, qui visent autant une recherche à caractère purement fondamentale que des applications se prêtant à des collaborations industrielles, reposent pour la plupart d’entre eux sur des approches issues du biomimétisme ou du métabolisme urbain. L’interdisciplinarité présente au laboratoire prend ici tout son sens, pour concrétiser le développement de ces projets qui s’appuie sur les compétences de chimistes, biologistes, géographes ainsi que celles des chercheurs en sciences humaines du laboratoire.

 Matériaux biomimétiques pour la récupération de la vapeur d’eau atmosphérique par froid radiatif
Cette recherche porte sur le développement de surfaces et de dispositifs permettant de condenser de la vapeur d’eau atmosphérique de manière passive par échange radiatif avec le ciel (infra-rouge) en vue de pouvoir proposer une ressource en eau non-conventionnelle, indispensable actuellement dans certaines régions du globe.
Ce procédé d’échange radiatif n’est pas nouveau mais néanmoins malgré de nombreuses études et prototypes, les rendements de ces systèmes restent faibles (~0,3 litre/jour/m2) et sont loin d’atteindre le rendement idéal (~1 litre/jour/m2). Un des principaux verrous est la collecte des gouttes qui restent fréquemment accrochées à la surface à cause des forces de tensions superficielles.
Les aspects fondamentaux de la condensation de vapeur d’eau sont étudiés dans une chambre de condensation artificielle sur des substrats composés de structures (pics, plot, rainures …), qui s’inspirent des carapaces de certains animaux exploitant la collecte de rosée pour vivre. Nos investigations expérimentales sur les surfaces rainurées montrent notamment que :

• la texturation de la surface facilite la coalescence des gouttes et leur décrochement par rapport aux gouttes sur substrat lisse (effets de bords fig. à gauche). Plus les rainures sont serrées, plus la collecte débute rapidement (fig. à droite). Pour des largeurs de créneau supérieures à 300μm, l’effet de texturation n’a plus d’effet.
• un ruissèlement plus précoce lorsque la surface devient hydrophile, par greffage de polymère. Un ruissellement en film est même observé sur les surfaces texturées de faibles paramètres géométriques (<100 μm).
En parallèle, des simulations numériques 3D de dynamique des fluides (CFD) couplées à des modules de rayonnement ont été entreprises pour évaluer le refroidissement de différentes formes de condenseurs. Des structures coniques avec des plis conduisent à obtenir des températures de surface légèrement plus basses par rapport à des structures à complétement lisses. Les singularités présentes sur ce type de structure génèrent par ailleurs des pentes plus accentuées à l’intérieur du cône, conduisant à un dévalement plus précoce des gouttes de rosée.
Effet de bords sur une plaque plane Croissance de gouttelettes sur une surface rainurée
A partir de données météorologiques de plusieurs stations disposées en Afrique sub-saharienne, l’équipe, en collaboration avec les géographes du laboratoire, a établi une cartographie des lieux propices à la manifestation du phénomène de rosée en Afrique de l’Ouest.
Une étude de l’acceptation sociale de condenseurs d’eau de rosée et leur implantation est en cours (mission R. Houesse, thèse), qui s’appuiera notamment sur des enquêtes auprès des populations du Benin.

 

 Technique de rafraichissement et revêtements innovants pour l’adaptation au changement climatique en milieu urbain
En milieu urbain, la formation des îlots de chaleur (ICU), qui s’est accentuée ces dernières années en raison du changement climatique, a conduit à développer différentes stratégies pour diminuer leur effet, comme par exemple la végétalisation intra-muros ou l’arrosage de la chaussée (thèse Cifre Ville de Paris Martin Hendel 2012-2015) et mener des réflexions sur le choix des matériaux à préconiser en milieu urbain.
Pour limiter les surchauffes urbaines en période caniculaire, l’équipe a proposé d’exploiter l’évaporation d’une fine couche d’eau (non potable) répandue à une fréquence bien spécifique suivant la nature du revêtement. Les expériences menées in situ rue du Louvres à Paris ont permis de montrer que le refroidissement induit en surface par l’évaporation permet d’une part d’améliorer le confort thermique local pour le piéton (diminution de 1,5°C) et d’autre part de limiter l’accumulation de chaleur dans le revêtement. Ce travail se poursuit avec les géomaticiens du laboratoire afin de proposer une cartographie identifiant les rues parisiennes les plus pertinentes à rafraîchir par arrosage urbain lors d’évènements caniculaires tenant de critères multiples (orientations, présence de terrasses …).
En parallèle, des études thermo-climatiques sur divers revêtements urbains (classiques et innovants) sont en cours afin d’établir, en fonction des conditions climatiques, une classification des revêtements les plus appropriés pour limiter les ICU (Thèse Cifre Ville de Paris Sophie Parison Janv.2017-2020). Partenaires: industriels : Ville de Paris, Colas, Eurovia

 

 Stockage et gestion de l’énergie thermique par utilisation de matériaux à changement de phase application aux véhicules électriques
Ce travail, financé par le FUI 15 (projet Vegeto) porte sur la gestion d’énergie thermique d’un véhicule électrique. Il s’agit de développer un système permettant d’une part de stabiliser en température la batterie lithium lors de sa charge et d’autre part de mettre en oeuvre un réservoir de chaleur qui serait dédié exclusivement au chauffage de l’habitacle. Ce système annexe appelé batterie thermique, constitué d’un lit de particules millimétriques de MCP, évite de puiser de l’énergie de la batterie électrique et d’assurer une autonomie complète en période hivernale.
La recherche porte sur la quantité et la qualité de l’énergie optimale à stocker à travers l’analyse de la température du fluide caloporteur à la sortie du stock et de la fraction d’énergie latente disponible stockée. Le stock est régénéré lors de l’arrêt du véhicule pendant la phase de recharge de la batterie électrique du véhicule (Post-doc A. Barhani). Un prototype permet de simuler expérimentalement les phases de stockage/déstockage pour différentes conditions d’utilisation.

Partenaires industriels : Valeo, Winco MCI, SAFT, Date
Financement : FUI 15, projet VEGETO Véhicule Electrique Gestion Energétique et Thermique Optimisée, 150k€, 2014 – 2017

 Intensitification des échanges par acoustic streaming dans les micro/milli-canaux
Dans les échangeurs/mélangeurs à micro/milli-canaux, en raison de confinement géométrique, la turbulence induite par l'inertie ne se produit pas et l'écoulement laminaire domine l'hydrodynamique du système et par conséquent conditionne les échanges thermiques. Afin d’intensifier les transferts de chaleur et de masse, nous proposons une technique active en générant des écoulements secondaires dans le fluide pour modifier l'écoulement principal, via un phénomène appelé acoustic streaming. Ce dernier génère des tourbillons, dits de Rayleigh, qui permettent de briser la laminarité des écoulements en générant un champ de vitesse à composante transverse non négligeable favorisant ainsi les transferts thermiques et massiques.
Un banc d’essais a été réalisé pour mesurer les performances de l’échangeur/mélangeur avec et sans transducteur piézoélectrique ultrasonore (fréquences 37,2 et 44,4 kHz) pour des nombres de Reynolds variant de 1 à 16. La présence de générateur piézométrique sur la paroi permet d’intensifier les échanges de près de 30%. Ce travail va se poursuivre dans le cadre de mini-échangeur de chaleur présentant des singularités qui joueront ainsi le rôle de promoteur d’ondes acoustiques (thèse CSC, C. Zhang, 2017-2020)

Actualités de l'équipe

Coordinateur

Laurent Royon (PR)

Membres

Martin Hendel (MCF)

Xiaofeng Guo (MCF)

Frédéric Filaine (ASI)

Remy Herbaut (Post-doctorant)

Ghid Karam (Doctorante)

Maxime Chaumont (Doctorant)

Sophie Parison (Doctorante)

Chuanyu Zhang (Doctorant)

Abdmouleh Mouna (stagiaire)