Liste thèses soutenues

Lucie LEFORT

Titre anglais : Methodological developments for the validation of Urban Building Energy Models
Date de soutenance : 14/10/22
Directeurs de thèse : Eric PEIRANO, Bruno DUPLESSIS

Mots clés en français : Simulation énergétique urbaine,Validation,Enrichissement de données,Quartiers,Simulation numérique,
Mots clés en anglais : Urban-scale Building Energy Modeling,Validation,numerical simulation,

Résumé de la thèse en français
Suite au dernier rapport du GIEC, le besoin d'agir contre le changement climatique est devenu plus prégnant que jamais. Afin de réduire l'impact des activités humaines sur le climat, les villes sont des acteurs incontournables. Avec 55% de la population mondiale vivant dans des zones urbaines, les villes sont responsables de la majorité des consommations énergétiques mondiales mais représentent également un pouvoir politique important pour s'orienter vers une transition écologique. Ainsi, des villes comme Londres ou New-York ont fixé des objectifs environnementaux ambitieux, visant toutes deux à être neutres en carbone d'ici 2050. Pour atteindre ces objectifs, la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments est un levier important. Par exemple, en France, les bâtiments représentaient 45% des consommations nationales d'énergie finale en 2015. Afin d'aider les décideurs à choisir les meilleures mesures d'économie d'énergie pour les bâtiments à l'échelle urbaine, la communauté scientifique a développé des outils d'aide à la décision parmi lesquels figurent les outils de simulation énergétique urbaine (UBEM). Un UBEM est capable de calculer les consommations d'énergie pour chaque bâtiment d'un quartier ou d'une ville et permet ainsi aux décideurs d'avoir une compréhension claire des impacts de différentes mesures d'économie d'énergie telles que la rénovation de certains bâtiments ou la mise en place d'actions d'effacement des consommations. Cependant, pour s'assurer que les UBEM fournissent une aide réelle au processus de prise de décision, leur exactitude doit être vérifiée par un processus de validation approfondi. Même si de nombreux travaux de recherche ont permis d'élaborer des procédures de validation pour les modèles de simulation énergétique des bâtiments, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour prendre en compte les particularités des UBEM (modèles et processus d'enrichissement) dans le processus de validation. Les UBEM doivent également être évalués dans leurs conditions générales d'utilisation, et pas seulement sur des quartiers synthétiques, comme le proposent Saelens et al., ceci afin de vérifier leur performance dans le processus de décision réel. Des exemples de comparaison entre les mesures et les résultats d'UBEM peuvent être trouvés dans la littérature scientifique, mais ces exemples manquent souvent de reproductibilité, le jeu de données de validation étant rarement disponible. Les indicateurs utilisés pour évaluer les performances des UBEM peuvent également varier fortement d'une étude à l'autre, ce qui empêche les comparaisons inter-modèles. Une standardisation du processus de validation des UBEMs aiderait alors à comparer les différents UBEMs et conduirait sûrement à des améliorations dans les domaines de la modélisation énergétique des bâtiments à l'échelle urbaine. La principale question de recherche abordée dans cette thèse peut donc être décrite comme suit : Comment vérifier l'adéquation des UBEM au processus de décision pour lequel ils sont utilisés ? Cette question de recherche principale mène à plusieurs autres questions qui seront discutées dans ce manuscrit : - Quels sont les processus de décision dans lesquels les outils de simulation énergétique urbaine sont impliqués et quelle sortie de ces outils doit être évaluée dans chaque cas d'usage ? - Comment développer un cadre de validation complet et générique pour les outils de simulation énergétique urbaine ? Un processus de validation composé d'une étape d'évaluation et d'une étape de diagnostic a été développé et est présenté dans cette thèse. Une application de ce processus de validation est proposée sur des cas d'usages pour lesquels des données accessibles librement peuvent être utilisées pour composer un jeu de données de validation. L'étape d'évaluation et l'étape de diagnostic sont ensuite décrites en profondeur pour cet ensemble de cas d'usages de même que les outils statistiques sélectionnés pour évaluer et analyser les performances des UBEM. Le cadre d'évaluation proposé a été pensé pour être applicable à un large éventail d'UBEM et à un large éventail de cas d'usages, mais des travaux futurs devraient vérifier son applicabilité à un éventail plus large.

Résumé de la thèse en anglais
Following the last IPCC report, the urge to act against climate change has become more pregnant than ever. In order to reduce the impact of human activities on climate, cities stand at a crossroads. With 55% of the world population living in urban areas, cities are responsible for a majority of the world energy consumptions but represent also an important political power to shift toward an ecological transition. Thus, cities such as London or New-York have set ambitious environmental goals, both aiming to be carbon-neutral by 2050. To achieve such targets, reducing energy consumptions in buildings is an important leverage. For instance, in France, buildings accounted for 45% of the national final energy consumptions in 2015. In order to help decision makers choose the best energy saving measures for buildings at the urban scale, the scientific community developed decision-aiding tools among which lie the urban building energy models (UBEM). A UBEM is able to compute energy consumptions for each building of a district or a city and thus enables decision-makers to have a clear understanding of the impacts of different energy saving measures such as buildings refurbishment or flexibility. However, to ensure that UBEM provide a real aid in the decision-making process, their accuracy should be verified through a thorough validation process. Even though great efforts have been made to elaborate validation procedures for building energy models, further work is required to take into account UBEM particularities (models and enrichment processes) into the validation process. UBEM should also be assessed in their general conditions of use, and not only on synthetic districts, as proposed by Saelens et al., to verify how they perform in real life decision-making process. Examples of comparison between measurements and UBEM results can be found in the scientific literature, but such examples often lack reproducibility, the validation dataset being rarely available. Indicators used to assess UBEM performances can also vary greatly from a study to another, thus preventing inter-model comparisons. A standardization of the UBEM validation process would then help compare different UBEMs and surely lead to improvements in urban building energy modelling fields. The main research question tackled in this thesis can be described as follows: How to verify the adequacy of UBEM to the decision process they are used for? This main research question leads to several other questions that will be discussed in this thesis dissertation: - What are the decision processes UBEM are involved in and which UBEM output should be assessed in each use case ? - How to develop a comprehensive and generic validation framework for UBEM? A validation framework composed of an assessment stage and a diagnostic stage has been developed and is presented in this dissertation. An application of this assessment framework is proposed on use cases for which open data can be used to compose a validation dataset. The assessment stage and the diagnostic stage are then described in depth for this set of use cases along with the statistical tools selected to assess and analyse the UBEM performances. The proposed assessment framework has been thought to be applicable to a large range of UBEM and to a large range of use cases, but future works should verify its applicability on a broader range.

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