L’étude comportementale du bâtiment

Pourquoi faire de la simulation dynamique ?

Nous l’avons vu dans cet article, la méthode réglementaire n’est pas de la conception. Être conforme ou respecter une réglementation ne permet pas de répondre à des questions précises, comme sur le comportement des pièces à la surchauffe.

La réalisation de calculs dynamiques alors prend tout son sens car elle apporte une vision détaillée des évolutions dans le temps. On peu presque tout faire avec !

Elle utilise trois composantes principales à savoir le climat, le bâti, les usages.

Cela passe évidemment par une modélisation très fine de ces trois éléments.

Les conclusions peuvent prendre différentes formes, et peuvent porter sur de nombreux éléments de la construction. En effet, avec cet outil, nous pouvons répondre à de nombreuse questions thermiques et énergétiques.

Dans un premier temps, les réponses pourrait concerner ces points :

  • Les vitrages
  • L’inertie
  • L’isolation mal conçue
  • Des problèmes d’hygrométrie intérieure
  • Des comportements inadaptés
  • Une installation technique mal positionnée
  • Un local avec trop de sollicitations

Par ailleurs, dans une nouvelle construction, il sera utile d’intervenir très en amont du projet (phase esquisse ou APS). On trouve son application également dans le cadre de projets existants, lors d’un audit énergétique ou pour déceler un problème de température ou d’hygrométrie dans un local.

Quels résultats

Ces études peuvent être menées aussi bien dans des nouvelles constructions que dans les bâtiments existants.

Il n’y a pas encore de mode d’emploi ou de manuel d’utilisation pertinent sur l’utilisation de ces outils. Néanmoins, ça pourrait bien venir avec le temps.

Nous nous basons en général sur la formation d’ingénieur que nous avons reçu.

Dans une simulation, on évalue pour un pas de temps déterminé, la température obtenue dans un local en fonction de des sollicitations et des conditions aux limites.

Les températures sont obtenues en couplant des équations de la thermique et des transferts de masse. On peut ainsi comparer différentes configurations, en déduire des conclusions et retenir une solution.

Cet outil ne sert qu’a valider des pistes de réflexion, rien d’autre. Voici le genre de résultat qu’il nous donne :

Simulation thermique résultat

Il n’y a pas de limites à cet outil, simplement la complexité de ce qu’on lui apporte comme valeur d’entrée. Du fait que ce sont de simple calcul, il n’y a aucune exigence non plus et aucune méthode d’apprentissage pertinente.

Ces calculs dynamiques présentent donc un gap par rapport aux différentes méthodes conventionnelles et standardisées.

Dans une simulation dynamique, vous changez un seul des paramètres aussi petit soit-il et bien souvent l’ensemble des résultats évoluent.

 

Poser le problème

La grande adaptabilité qu’offrent ces outils de simulation numérique nous permet d’étudier de nombreux paramètres de conception énergétique. Une des difficulté de ce genre d’étude est de poser correctement les conditions du problème.

La question de la surchauffe estivale est récurrente et pose de plus en plus de questions. Il est certain que rendre les bâtiments de plus en plus étanches à l’air et isolés ont une conséquence, la chaleur accumulée à l’intérieur est beaucoup plus difficile à évacuer.

De nombreux référentiels évoquent un nombre d’heures limite à ne pas dépasser. Par exemple : respecter une durée d’occupation des locaux ne dépassant pas une limite excessive (ex : 27°C).

Pour d’autres applications, dans des bâtiments existants, nous pouvons nous servir de la simulation pour caractériser un état initial en vue d’une amélioration et ainsi estimer des gains. Chaque composant peut donc être analysé de façon précise. Cela nous permet de répondre à la question de la performance.

Le confort thermique et staststique

Le métabolisme de chaque individu est propre à chacun. Comme pour la douleur, personne ne ressent la température de la même façon.

Il existe une norme (EN 7730) portant sur l’ergonomie des ambiances thermiques, elle interprète le confort ressenti par des indices de sensation (PPD et PMV mis en lumière par les travaux de Ole Fanger dans les années 70). Ces indices sont déterminés expérimentalement sur un groupe important de personnes. On place des personnes dans un local possédant une ambiance particulières, ces personnes doivent indiquer leurs sensations. Six paramètres rentrent en compte dans ce bilan de confort :

  • l’activité de la personne
  • l’habillement
  • la température radiante
  • la température d’air
  • la vitesse relative de l’air
  • l’humidité
Statistique de confort

On caractérise ainsi pour une ambiance donnée le Predicted Mean Vote, la sensation thermique sur une échelle de niveau (tableau ci-dessus). L’équilibre est atteint lorsque la production de chaleur dans le corps est égale aux déperditions de chaleur vers l’ambiance.

Ainsi que le Predicted Percentage Dissatisfied, qui traduit l’insatisfaction d’un groupe de personnes susceptible à une différence de température (sensation de chaud ou de froid). Cette méthode est donc particulièrement intéressante pour optimiser l’énergie dépensée en hiver suivant le confort, on pourrait par exemple visualiser l’effet d’une grande paroi froide.

Il s’agit donc d’une analyse purement statistique du confort des occupants. Cela a notamment été mis en évidence pour caractériser et améliorer la performance des ambiances des bureaux dans les années 1970 (et surtout pour accroître le rendement des travailleurs). Cependant, comme toute statistiques, elles ne sont pas figées et peuvent bien sûr évoluer au cours du temps.

Application estivale

En été, pour évaluer si une ambiance thermique intérieure est acceptable (dans un bâtiment non climatisé), nous utilisons différentes représentations graphiques qui décrivent la température intérieure obtenue heure par heure dans le local en fonction de la température extérieure en moyenne glissante.

On définit par rapport au type de local une catégorie d’ambiance (I, II ou III), qui situe cette évolution en fonction d’un maximum pour le rafraîchissement. De la même manière qu’un diagramme de Brager, nous pouvons nous rendre compte du confort thermique. Une situation est jugé acceptable lorsque la discrétisation des températures qui sont situées à l’intérieur des zones. Sur le graphique ci-dessous, les usagers auront plus une sensation de fraîcheur.

Zone de confort estivale

Au plus près du besoin

La simulation dynamique résonne à l’inverse d’un calcul réglementaire. On part du problème à résoudre, en raisonnement énergie utile et on remonte la chaîne de l’énergie pour trouver la meilleure façon de résoudre ce problème.

L’évaluation des consommations énergétiques deviennent possible en couplant les algorithmes de la méthode TH-BCE en intégrant les systèmes techniques de génération utilisant de l’énergie.

Pour avoir un aspect global et pour plus de précision au niveau des consommations d’éclairage, nous passerons préalablement par le calcul de lumière naturelle.

Nous pouvons visualiser l’évolution des consommations en fonction des différentes conditions du modèle. Nous pouvons par exemple estimer si une réduction de température est efficace par rapport à la qualité de l’isolation du bâtiment et ainsi optimiser la puissance de chauffage.

Il est également possible d’estimer la consommation des locaux très spécifiques soumis à des règles d’hygiène ou de température spécifiques ou encore estimer les consommations électriques des systèmes informatiques.

De nombreux usages énergétiques ne sont jamais pris en compte dans la réglementation. Alors qu’ils peuvent être étudiés très finement au plus près du besoin. Ils participent bien à l’augmentation des consommations énergétiques globalisés rendant cette compréhension de l’énergie très compliqué.

Nous sommes aujourd’hui capables d’estimer très finement les températures obtenues dans les locaux en fonction des sollicitations qu’il reçoit. Autrement dit, la transition énergétique, n’a pas de lien avec les moyens mis en œuvre pour y arriver.

L’étude comportementale du bâtiment

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