Modélisation thermique et aéraulique des bâtiments

Contexte

Le secteur du bâtiment représente près de 45% de la consommation totale d’énergie en France, et de

60% de la consommation d’électricité. Il est donc au cœur des politiques publiques liées à la transition énergétique, ce qui induit une transformation en profondeur de l’ensemble des métiers : de la fabrication de produits de construction à la conception, la réalisation, la gestion et la réhabilitation des ouvrages. Il est ainsi envisagé de progresser vers des bâtiments neufs à énergie positive d’ici 2020, et de réduire par 4 les émissions de gaz à effet de serre d’ici 2050, ce qui impose de rénover une grande partie du parc existant. Mais les bâtiments sont des systèmes complexes, et l’étude d’innovations techniques ou architecturales nécessite de bien comprendre leur fonctionnement.

Une plate forme de simulation thermo-aéraulique adaptée au bâti

Différents phénomènes physiques influencent le bilan énergétique des bâtiments : échanges thermiques, mouvements d’air, captage, stockage et distribution de l’énergie solaire, production d’électricité, de chaleur et de froid. Le logiciel COMFIE a été développé pour simuler et anticiper le comportement des bâtiments. Le modèle d’enveloppe évalue les besoins de chauffage et de rafraîchissement, ainsi que le niveau de confort thermique selon une approche multizones. L’intégration d’un modèle de réseau permet la prise en compte des mouvements d’air. Un chaînage avec un calcul d’éclairage basé sur le suivi de rayons a été réalisé. Des modules complémentaires concernent les systèmes solaires thermiques et photovoltaïques, les pompes à chaleur, les échangeurs air-sol, la micro-cogénération et les matériaux à changement de phase.

Parmi les activités de validation, les travaux de comparaison inter-logiciels effectués sur les maisons passives de l’Institut National d’Energie Solaire montrent que COMFIE est très proche des références internationales, TRNSYS et Energy Plus, en ce qui concerne les besoins de chauffage et l’évaluation des températures en été.

Intercomparaison logicielle en phase de conception des maisons passives de l’INES (A. Brun et al., 2009)

La technique de réduction de modèle utilisée facilite l’utilisation de cet outil, en particulier pour l’aide à la conception ou l’optimisation de la gestion des bâtiments. Ainsi, des analyses de sensibilité (méthode de Morris, indices de Sobol) et des techniques basées sur les algorithmes génétiques ont pu être mises en œuvre. La propagation d’incertitudes est également étudiée dans le cadre de travaux sur la garantie de performance énergétique.

Aide à la conception

Une collaboration avec un éditeur de logiciels, IZUBA Energies, a permis de développer une interface conviviale, PLEIADES adaptée aux besoins des utilisateurs. Cette interface a été complétée par un modeleur graphique, ALCYONE. Cet ensemble logiciel est utilisé par un grand nombre d’architectes et de bureaux d’études thermiques, ainsi que pour la formation.

Interface utilisateurs de COMFIE : modeleur graphique ALCYONE développé par IZUBA Energies

A titre d’exemple, l’outil a été utilisé lors de la conception des premières maisons passives en France (Formerie, Oise, 2007). Mais il permet également d’étudier des opérations de réhabilitation, ce qui a été expérimenté à Montreuil (93) dans le quartier de La Noue (projet européen REGEN LINK).

Etude d’innovations technologiques

La plateforme logicielle, en particulier sa programmation orientée objets, facilite l’ajout de composants logiciels, ce qui permet d’étudier des innovations en partenariat avec des industriels, par exemple :

  • murs solaires à isolation transparente ;
  • pompe à chaleur couplée à des modules photovoltaïques ;
  • système de rafraîchissement par ventilation naturelle ;
  • échangeur air-sol.

 

Maison ZEN2 à énergie positive - CYTHELIA, Montagnole
Système développé dans le projet PAC AIR PV - CYTHELIA, Montagnole
Banc d’essais pour la caractérisation de fenêtres de toit
Maison Air et Lumière - VELUX - Model Home 2020

La ventilation naturelle comme source de rafraichissement des bâtiments

La ventilation naturelle utilise les ouvertures comme source d'air frais en mi saison et en été de jour ou de nuit. Le CES élabore et valide expérimentalement des modèles multi-physiques de systèmes d'ouvertures vitrées pour évaluer leur impact sur la performance d’un bâtiment en termes de consommations, confort thermique d'été, visuel et acoustique. Il définit des choix de conception et de gestion de ces systèmes, sur la base d’une approche multicritères. Dans ce cadre des volets laissant passer l'air et assurant une certaine protection acoustique ont été imaginés et testés (voir projet OVISOLVE)

 

Pour favoriser la ventilation naturelle, ressource exploitable même dans des zones tropicales où le vent est souvent abondant près des côtes, des règles d'aménagement urbain sont rechercjhées dans le projet VNAT_DOM.

L'objectif principal est de donner des recommandations aux urbanistes et maitres d’œuvre permettant de concevoir des quartiers en zone tropicale qui maximisent le potentiel de ventilation naturelle dans les bâtiments pour assurer le confort thermique des habitants. L’étude s’articule autour d’une première application à la Réunion.

Le projet s'inscrit dans le cadre du développement d’une offre méthodologique et technologique pour concevoir, construire, réhabiliter et adapter aux nouvelles exigences énergétiques et environnementales mais aussi d’usage, le patrimoine existant et gérer plus efficacement les différentes composantes des systèmes urbains. En particulier, il s'agit de revisiter les liens entre formes urbaines, organisation du tissu urbain et impacts sur l’environnement.

Les retombées principales sont

  • Une diminution des appels de puissance électrique, des consommations d'énergie avec leur pollution induite et leur contribution à l'émission de gaz à effet de serre.
  • Une amélioration du confort thermique des logements.
  • Une réduction du bruit occasionné par les unités extérieures de climatiseurs du fait de leur diminution.
  • Une diminution de l’effet d’îlot de chaleur urbain aggravé par la chaleur rejetée par les multiples unités extérieures de climatiseurs.

Des avancées sont particulièrement attendues dans la compréhension et la représentation des phénomènes intervenant aux échelles du tissu urbain et intérieur du bâtiment. Le projet consiste à s'intéresser dans un premier temps à l'échelle du tissu urbain.

Etude de stratégies de gestion

La réduction de modèles diminue la durée des simulations, ce qui permet de mettre en œuvre des méthodes d’optimisation. La programmation dynamique a ainsi été appliquée dans le but de réduire les pointes de demande liées au chauffage électrique, et d’améliorer le confort en période de canicule.

Exemple de stratégie de gestion élaborée par programmation dynamique pour la réduction des pointes

 

Des travaux sont menés en collaboration avec le Centre d’Automatique et des Systèmes en ce qui concerne la gestion en temps réel.

 

Exemples de projets

PAC AIR PV

 

Dans l’objectif de concevoir des bâtiments à énergie positive à moindre coût, le couplage entre pompe à chaleur et modules photovoltaïques a été étudié dans le cadre du projet ANR PAC AIR PV. Ce couplage permet d’améliorer le rendement des modules en les rafraîchissant, et d’améliorer le coefficient de performance de la pompe à chaleur en augmentant la température de la source froide. Le concept a été mis en œuvre dans un bâtiment de démonstration, la maison ZEN 2.

Fiabilité

La simulation thermique dynamique est de plus en plus utilisée dans l’aide à la décision, et la performance élevée des nouveaux bâtiments nécessite des outils de plus en plus précis. Le projet ANR Fiabilité a pour objet de mieux cerner la pertinence des modèles, à la fois par des analyses théoriques et des comparaisons expérimentales.

Garantie de performance énergétique

Le projet Garantie de performance énergétique mis en place par la Fondation Bâtiment Energie vise à élaborer un dispositif permettant d’évaluer avant travaux le niveau de performance atteignable, puis d’analyser les écarts entre cette évaluation et la performance réelle constatée après travaux. La méthodologie étudiée intègre des analyses de sensibilité et la propagation d’incertitudes.

PRECCISION

La simulation thermique a permis d'étudier des stratégies de gestion optimisées basées sur la commande prédictive. L'optimisation a été menée par programmation dynamique, puis des lois de commande heuristique ont été déduites.

 

OVI SOLVE


Ce projer financé par l'ANR dans le cadre du programme "Villes et Bâtuments durables" vise à élaborer et valider expérimentalement des modèles multi-physiques de systèmes d'ouvertures vitrées pour évaluer leur impact sur la performance d’un bâtiment en termes de consommations, confort thermique d'été, visuel et acoustique.

A-ZEB L'objectif de ce projet européen est de concevoir des bâtiments zéro énergie à moindre coût. Il s'agit en particulier de mettre en oeuvre des techniques d'optimisation multi-critères.
VNAT_DOM Ce projet est financé par l'ADEME.

L'objectif principal est de donner des recommandations aux urbanistes permettant de concevoir des quartiers en zone tropicale (application première à la Réunion) qui maximisent le potentiel de ventilation naturelle. Il s'agira donc en final de vulgariser les résultats d'études approfondies en simulation d'écoulements validées par des essais en soufflerie sous la forme d'indications qualitatives (typologie de tissu) et quantitatives (rapport largeur de rue/hauteur/largeur de bâtiments).

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