Rôle de la simulation énergétique dans le bâtiment

Rôle de la simulation énergétique dans le bâtiment

Dans cette section, nous donnons dans un premier temps une rapide description du cycle de vie du bâtiment, afin de situer la phase de conception, qui est celle que nous ciblons dans ce travail. Ensuite, nous décrivons les principales caractéristiques des outils de simulation visés. Enfin, nous décrivons l’enjeu dans lequel nous nous positionnons.

Le cycle de vie du bâtiment

Le cycle de vie d’un produit est l’ensemble des phases (figure 1) qui sont nécessaires à sa création et à son utilisation, depuis les phases très amonts (conceptualisation) jusqu’aux phases liées à sa fin de vie (destruction, recyclage) [16] [75].

➤ La phase de planification : cette phase intègre, en particulier, une étude de faisabilité. Elle permet à l’équipe d’analyser le projet en fonction des besoins du client, des normes et de la réglementation foncière.
➤ La phase de conception : elle se compose de trois étapes :
➤ La conception générale qui consiste à comparer plusieurs options de conception et à établir un premier schéma du bâtiment. Elle recouvre les activités suivantes :
● l’identification des exigences du client,
● l’aménagement du site envisagé,
● la planification et l’organisation de l’espace,
● la caractérisation préliminaire des systèmes structuraux, mécaniques et électriques,
● l’estimation du coût total du projet et des frais d’exploitations annuels.

➤ La conception détaillée qui, à ce stade, est plus approfondie. À la fin de cette phase, des plans enrichis sont générés, comprenant généralement la modélisation 3D de l’intérieur et l’extérieur du bâtiment et une proposition de systèmes d’éclairage et de CVC (Chauffage, Ventilation, Climatisation).
➤ L’analyse qui permet l’évaluation des performances (notamment énergétiques) du bâtiment à partir des éléments mécaniques, électriques et de CVC. Cette phase réalise une évaluation de l’impact à long terme du projet. Des modifications au niveau la conception ou du choix des différents systèmes peuvent alors être proposées.

➤ La phase de construction : cette phase recouvre les activités relatives à la construction effective du projet (le transport des matériaux et produits sur le site du projet, l’utilisation d’outils et d’équipements électriques lors de la construction du bâtiment, la fabrication sur place d’éléments).
➤ La phase d’exploitation : cette phase concerne l’utilisation et la maintenance du bâtiment. Les paramètres d’intérêt de cette phase sont en particulier la consommation d’énergie et d’eau et la production de déchets. La réparation ou le remplacement des composants du bâtiment et des systèmes (réhabilitation, évolution de l’usage) est également l’une des problématiques de cette phase.
➤ La phase de fin de vie : cette phase concerne la démolition (ou la rénovation profonde) du bâtiment, à l’issue de sa phase d’exploitation. Le transport des matériaux de construction et des déchets en est une activité importante. Les activités de recyclage et de réutilisation liées aux déchets de démolition peuvent également être prises en compte à ce niveau.

C’est pendant la phase de construction que se déroule l’extraction des matières premières pour fabriquer les produits de construction, jusqu’à la mise en œuvre et l’assemblage de ceux-ci pour la réalisation du bâtiment. Les impacts de cette phase sont principalement relatifs au type et à la provenance des matériaux utilisés. Par contre, c’est la phase d’exploitation qui impacte le plus l’environnement, avec une consommation énergétique importante due au chauffage, à la production d’eau chaude sanitaire, à l’éclairage et la ventilation. C’est au cours de la phase de conception (plus précisément durant l’étape de l’analyse) que l’on réalise une prédiction de la consommation énergétique du bâtiment et que l’on fixe un objectif d’efficacité énergétique à atteindre. Les outils logiciels de simulation de l’énergie sont un élément important de la phase de conception – ils sont utilisés de façon systématique par les concepteurs de bâtiments afin d’optimiser les choix de conception en fonction des objectifs de performances du projet. C’est donc sur cette partie du cycle de vie que nous nous focalisons dans le cadre de ce travail de thèse.

Outils pour la simulation énergétique du bâtiment

Les logiciels de simulation couvrent désormais de nombreux aspects, notamment la modélisation des structures, de l’éclairage ou encore de l’énergie. C’est ce dernier aspect qui nous intéresse ici. Les logiciels de simulation énergétique permettent de déterminer avec précision le comportement énergétique (la consommation en particulier) des bâtiments en fonction des caractéristiques envisagées pour assister les concepteurs dans leurs choix. Il existe de nombreux outils logiciels de simulation énergétique sur le marché : à titre d’exemple, le répertoire BEST [120] qui rassemble une partie de l’offre d’outils de simulation énergétique pour le bâtiment recense 112 outils (en janvier 2016).

Les outils logiciels de simulation énergétique ont un impact réel sur la réduction de la consommation énergétique des bâtiments, en permettant de :
➤ déterminer les besoins énergétiques et dimensionner les systèmes de CVC (Chauffage – Ventilation – Climatisation),
➤ analyser la consommation d’énergie,
➤ calculer le coût de l’énergie utilisée.

Nous allons nous intéresser plus particulièrement aux outils de simulation thermique dynamique (STD). La STD porte sur le calcul de l’évolution de l’état thermique d’un système dans le temps (par opposition à un calcul statique où l’on ne s’intéressera pas à l’évolution temporelle des grandeurs). Ce type de simulation est très utilisé dans le bâtiment afin d’évaluer les consommations futures d’énergie en prenant en considération plusieurs paramètres tels que l’enveloppe du bâtiment, les caractéristiques des systèmes de CVC, les scénarios d’usage et les paramètres extérieurs. Parmi les outils de STD les plus répandus, on peut citer au niveau international EnergyPlus et TRNSYS, et au niveau national Pleiades-Comfie et COMETH (ce dernier outil étant le moteur de simulation officiel de la réglementation thermique française). Dans la suite, nous décrivons rapidement ces outils, dont nous estimons qu’ils sont les plus représentatifs, à partir des informations fournies par la base de données des outils de simulation de l’US Dept. Of Energy [97].

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Contexte et objectifs de la thèse
Rôle de la simulation énergétique dans le bâtiment
Le cycle de vie du bâtiment
Outils pour la simulation énergétique du bâtiment
Notre enjeu : faciliter et fiabiliser l’utilisation des outils de simulation énergétique pendant la conception
Building Information Model (BIM)
Caractéristiques générales du BIM
Vers un cycle de vie collaboratif basé sur le BIM
Motivations
Problématique
Objectifs de la thèse
Contributions de la thèse
Chapitre 2 Building Information Model pour l’interopérabilité en conception
Etat de l’art sur les formats et standards du BIM
Les formats et standards ouverts dans le BIM
Les formats propriétaires
Synthèse sur les modèles et formats de données et analyse des limites
Approches d’extension et d’enrichissement du BIM IFC
Les mécanismes d’extension du modèle IFC
Mise à jour du méta-modèle du standard IFC
Extensions à l’aide des mécanismes natifs de l’IFC
Enrichissement sémantique du standard IFC
Enrichissement à l’aide de l’IFD (International Framework for Dictionaries)
Enrichissement sémantique de l’IFC à l’aide d’ontologies
Synthèse et définition de nos orientations de recherche
Outils pour la spécification des processus de transmission et de transformation de l’information de conception
Information Delivery Manual (IDM)
Model View Definition (MVD)
Conclusion
Chapitre 3 Environnement méthodologique pour l’interopérabilité du BIM : application à la simulation énergétique
BIM pour la simulation énergétique : état de l’art et limites
Connecter le BIM et la simulation énergétique du bâtiment : une question complexe
IFC et gbXML, des formats d’échanges pour la simulation
Utilisation du BIM pour la simulation : état de l’art
Discussion et orientation
Application de la méthodologie IDM et construction d’un MVD pour la simulation énergétique
Applications de l’IDM dans la conception numérique du bâtiment
Application de l’IDM à la modélisation de la connexion IFC-COMETH
Définition du processus
Etablissement de la Process map
Définition des « Exchange Requirement »
Etablissement du tableau des Exchanges Requirements
Mapping vers l’IFC, Etablissement de la MVD
Conclusion
Chapitre 4 Le Building Simulation Model : une approche inspirée par l’ingénierie dirigée par les modèles
Un modèle neutre, en accord avec les principes de l’ingénierie dirigée par les modèles
La nécessité d’un modèle neutre
L’interopérabilité dans l’ingénierie dirigée par les modèles
Model-Driven Architecture (MDA)
Le Building Simulation Model comme modèle neutre en conception numérique
Points communs entre le BSM et le PIM
Le Building simulation Model
Indépendance et généricité
Architecture du BSM
Le BSM, un modèle extensible
Conclusion

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