Soutenance mémoire
La prise de conscience de l’épuisement des ressources énergétiques, l’augmentation des prix des énergies fossiles et le changement climatique ont provoqué un intérêt pour la maitrise des consommations énergétiques en général et celles liées à l’énergie dans le bâtiment en particulier. Le secteur du bâtiment consomme environ 40% de l’énergie mondiale, et compte pour environ 1/3 des émissions des gaz à effet de serre dans le monde . Les bâtiments des secteurs résidentiels et tertiaires consomment environ 60% de l’électricité mondiale.
Dans les pays en voie de développement, le taux d’urbanisation jusqu’à là, faible augmente rapidement et les besoins en nouveaux bâtiments sont élevés. Selon l’ONU-HABITAT, le taux de croissance des villes passera de 47% en 2011 à 65% à l’horizon 2050 (HABITAT, 2014) dans ces régions. Sur le plan énergétique ces pays en général et particulièrement ceux de l’Afrique, sont caractérisés par un taux d’accès à l’énergie faible et font face à un déficit de production. Ce déficit est accentué par le contexte énergétique mondial. Les espaces urbains présentent deux aspects quand il s’agit de la consommation énergétique. Dans certaines franges de la société, les revenus sont assez élevés, et les habitudes de consommation d’énergie sont similaires à celles des pays industrialisés. Pour les autres franges, qui constituent une grande part de la population, les modes de consommation sont similaires à ceux des zones rurales (consommation d’énergie de source traditionnelle) .
Dans le domaine du bâtiment, cela se manifeste par une forte consommation énergétique dans les bâtiments publics et dans le résidentiel des classes privilégiés ou à des ambiances en inconfort thermique au niveau des classes moins nanties. Pour cette dernière classe, les bâtiments sont évolution libre c’est à dire sans systèmes énergétique et représentent une grande part du fait du contexte économique. Ce constat est accentué dans les régions où sévit le climat tropical humide et sec et l’absence de spécifications et règlementations sur le secteur du bâtiment qui leur soient propres (Iwaro and Mwasha, 2010; Janda and Busch, 1994). Les réponses apportées consistent le plus souvent en l’augmentation des capacités de production. Les mesures sur la limitation de la consommation sont peu développées. A ce contexte d’urbanisation rapide, on peut noter l’incapacité des technologies locales à répondre aux nouveaux besoins socio-culturels, qui a conduit à l’adoption des technologies des pays développés sans une prise en compte systématique du contexte énergétique et climatique. Ces contextes urbain et énergétique représentent des opportunités pour la démarche écologique et l’efficacité énergétique tant dans la conception que dans la rénovation. Construire durablement entraînera un environnement plus sain et plus productif. L’adaptation des constructions au contexte climatique dans les climats chauds est une nécessité si l’on veut améliorer les conditions de vie dans l’habitat et diminuer les risques qui pèsent sur l’état de santé et la productivité des occupants du fait de l’inconfort thermique dans les bâtiments et ceux évolution libre en particuliers. Cette adaptation passe par une meilleure connaissance des performances énergétiques de l’enveloppe du bâtiment et de ses composants. Cela nécessite le recours aux modèles numériques et aux outils de simulation qui constituent des moyens raisonnables, en termes de délai et de coût, pour analyser et comprendre le comportement des bâtiments et en améliorer les performances énergétiques que ce soit en phase de conception ou de vie.
Le contexte énergétique et efficacité énergétique
La part de l’Afrique dans la population urbaine mondiale va quasiment doubler entre 2010 (11,3%) et 2050 (20,2%) selon les prévisions de l’ONU (HABITAT, 2014). Les grands établissements humains en Afrique sub-saharienne sont actuellement confrontés à la nécessité d’accroître leur production d’énergie pour accélérer le développement et améliorer le niveau de vie de leurs populations, dans un contexte de changement climatique et de flambée des coûts des énergies fossiles. Avec 14% de la population mondiale, l’Afrique ne consomme que 3,2% de l’énergie utilisée dans le monde . La capacité installée de la plupart des pays de l’Afrique sub saharienne se situe entre 10 MW à 2000 MW à l’exception de l’Afrique du Sud avec plus de 40000 MW, le Nigeria avec plus de 5000 MW. En outre, seuls 14 des 53 pays africains (les cinq pays de l’Afrique du Nord et les huit pays de l’Afrique sub saharienne) ont une capacité installée supérieure à 1000MW.
Habitat, énergie et climat : évolution en Afrique
Regard sur l’habitat traditionnel
Toute analyse sur le rôle joué par l’énergie dans l’architecture est confrontée au manque de travaux dans la littérature en général et en particulier ceux qui s’intéressent au contexte des pays de l’Afrique sub-saharienne (Coch, 1998). Parfois, des déterminants culturels dominent et éclipsent les besoins de s’adapter au climat. Costa (1989) a observé que les bâtiments traditionnels au Nigeria ont été influencés par des facteurs socioculturels. Dans l’architecture vernaculaire, le climat est tout simplement un facteur de plus parmi tant d’autres (socio-culturel, économique, de défense ou religieux, ou impliquant la disponibilité du matériau, des ressources techniques et constructives, etc.) qui entre en ligne de compte dans l’architecture (Coch, 1998).
Regard sur l’habitat contemporain
Au cours de la période du 19ième siècle, les Africains sont entrés en contact avec les styles et les matériaux de construction du monde occidental (Kisanga, 1990). L’administration coloniale avait des besoins en bâtiments pour les administrations et le résidentiel et a trouvé un style d’habitat et d’architecture non adapté à son style de vie. On a assisté à l’introduction de nouvelles technologies de constructions venant des métropoles. Pour l’ensemble des pays en développement dans le monde, la valeur totale des importations de matériaux de construction a augmenté, de 85% entre 1975 et 1985. En Afrique sub-saharienne ces importations ont augmenté de 36% (on Human Settlements, 1993).
L’impact des technologies de constructions importées a changé l’aspect des logements africains, ou du moins, les aspirations de logement, de deux façons (Moriarty, 1979) : d’une part dans le choix des matériaux de construction et, d’autre part, dans la forme et la structure de l’habitat. Cela a eu pour conséquence une modification du comportement des occupants dans les bâtiments.
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Table des matières
Introduction générale
1 Conception de bâtiments passifs en climat tropical
1.1 Énergie, habitat et climat en Afrique sub-saharienne
1.1.1 Le contexte énergétique et efficacité énergétique
1.1.2 Habitat, énergie et climat : évolution en Afrique
1.1.2.1 Regard sur l’habitat traditionnel
1.1.2.2 Regard sur l’habitat contemporain
1.1.2.2.1 Les matériaux de construction
1.1.2.2.2 Concernant la forme des bâtiments
1.1.2.2.3 L’occupation de l’habitat
1.1.2.3 Le secteur du bâtiment au Burkina Faso
1.2 Les interactions entre le bâtiment et son environnement
1.2.1 Le climat du Burkina Faso
1.2.2 Soleil et bâtiment
1.2.3 Les échanges thermiques dans le bâtiment
1.2.4 Caractérisation du confort thermique
1.2.4.1 Les standards et normes de confort thermique
1.2.4.1.1 L’approche analytique
1.2.4.1.2 Approche adaptative
1.2.4.2 Les diagrammes bioclimatiques
1.2.4.2.1 Le diagramme d’Olgyay
1.2.4.2.2 Le diagramme de GIVONI
1.2.5 La conception bioclimatique
1.3 Le refroidissement passif de l’habitat
1.3.1 Techniques de protections solaires
1.3.2 Les techniques de dissipation de la chaleur et la ventilation naturelle
1.3.2.1 La ventilation naturelle
1.3.2.2 Le refroidissement Radiatif
1.4 Conclusion
2 Une approche innovante de la simulation des performances énergétiques du bâtiment
2.1 Introduction
2.2 La simulation des performances énergétiques du bâtiment
2.2.1 Modélisation et simulation du bâtiment
2.2.2 Évolution des outils simulation énergétique du bâtiment
2.2.3 La simulation : outil d’aide à la conception
2.2.4 La simulation : étude du comportement des bâtiments existants
2.2.5 Freins à l’utilisation de la simulation dans le bâtiment
2.2.5.1 Freins dus aux outils
2.2.5.2 Freins utilisateurs
2.2.5.3 Freins à l’utilisation de simulation calibrés
2.3 Description des outils et nouvelles approches de simulation thermique du bâtiment
2.3.1 Les enjeux de l’interopérabilité
2.3.1.1 Approche de modélisation et simulation hétérogène dans le bâtiment
2.3.1.2 L’interopérabilité des données des modèles
2.3.1.3 L’interopérabilité des processus des modèles ou cosimulation mono-moteur
2.3.1.4 L’interopérabilité des processus ou co-simulation multimoteur
2.3.1.5 Le Functional Mock-up Interface (FMI)
2.3.2 Les outils les plus utilisés au niveau international
2.3.3 Les besoins d’optimisation
2.3.3.1 Présentation des algorithmes utilisés
2.3.3.2 Description des algorithmes GPS et PSO
2.3.3.3 Choix du logiciel d’optimisation
2.4 Conclusion
3 Confrontation des résultats de simulation à l’étude expérimentale d’un bâtiment situé en Afrique sub-saharienne
3.1 Validation des résultats issus de la simulation de modèles détaillés du bâtiment
3.1.1 Les incertitudes dans le modèle
3.1.2 Les méthodologies de calibration des modèles détaillés du bâtiment
3.1.3 Les critères de validation
3.2 Descriptif de l’expérimentation
3.2.1 Le bâtiment expérimental
3.2.2 Monitoring du bâtiment
3.2.3 Sollicitations climatiques
3.3 Simulation du comportement thermique du bâtiment
3.3.1 Les hypothèses de modélisation
3.3.1.1 L’enveloppe du bâtiment
3.3.1.2 La ventilation et l’infiltration
3.3.1.3 Modèle numérique et initialisation
3.3.2 Confrontation entre simulation et expérimentation
3.4 Calibration du modèle détaillé du bâtiment
3.4.1 Analyse de sensibilité
3.4.1.1 Identification des paramètres et description de la méthodologie
3.4.1.2 Résultats de l’analyse de sensibilité
3.4.2 Optimisation des paramètres du modèle
3.4.2.1 Description
3.4.2.2 Résultat de l’optimisation des paramètres
3.4.2.3 Validation
3.5 Application du modèle calibré à l’étude des transferts thermiques dans le bâtiment
3.6 Conclusion
Conclusion générale
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