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Vers des outils simplifiés pour concevoir des bâtiments à basse consommation d’énergie

La conception d’un bâtiment à basse consommation d’énergie est une démarche relativement complexe. Pour optimiser la conception d’un ouvrage, toutes les possibilités doivent en principe être envisagées à chaque poste clé. De l’enveloppe aux vitrages en passant par l’isolation, l’étanchéité, les systèmes de production d’énergie, les usages spécifiques ou l’orientation, il s’agit de trouver la meilleure solution, celle qui consommera le moins, celle qui aura le moins d’impact sur l’environnement, qui coûtera le moins cher… Pour y parvenir, il est généralement nécessaire d’effectuer des milliers de simulations numériques en utilisant des logiciels tels que la bibliothèque SIMBAD, TRNSYS… Reste ensuite à analyser les résultats pour en dégager la configuration optimale, ce qui prend du temps. Désormais, grâce à la méthodologie innovante de conception mise au point par Fadi Chlela, ingénieur à la division Energie du pôle Performance Energétique des Bâtiments, finies les milliers de simulations : des équations mathématiques simples suffiront pour évaluer les performances énergétiques d’un bâtiment. Mieux : ces équations permettront d’obtenir des résultats de manières instantanées, tout en gardant un bon niveau de précision par rapport à la simulation numérique.

10 millions de simulations réduites à 200, une gageure !

Pour élaborer cette nouvelle méthodologie, Fadi Chlela s’est appuyé sur la méthode des plans d’expériences qui jusque là est peu connue dans la thermique du bâtiment (alors qu’elle l’est dans l’industrie). "C’est une méthode qui permet de simplifier les études paramétriques, explique-t-il. J’ai ainsi remplacé les outils de simulation numérique standards par un ensemble d’équations simples sous forme de fonctions polynômiales qui tiennent compte des différents paramètres nécessaires au calcul de la performance énergétique. Cela m’a permis de ramener les simulations effectuées à un nombre limité. Autrement dit, pour concevoir un bâtiment donné sous l’angle de la basse consommation énergétique, ces équations remplacent la simulation numérique pour indiquer toutes les solutions optimales possibles."

Par exemple, dans le cadre de l’immeuble de bureaux Beethoven, son cas d’étude, Fadi Chlela explique qu’avec SIMBAD, il a considéré dix postes ou paramètres clés du bâtiment (isolation thermique, orientation, type de vitrage, pourcentage de vitrage, niveau d’étanchéité à l’air, performances des systèmes de productions d’énergie, puissance installée de l’éclairage artificiel, protections solaires, surventilation nocturne…) en y intégrant cinq solutions possibles pour chacun d’entre eux, soit un total de 513 combinaisons, soit environ 10 millions de configurations possibles de paramètres, ce qui est considérable ! "Alors qu’avec ma méthodologie, je détermine des équations mathématiques (à partir de 200 simulations numériques réalisées avec SIMBAD) qui vont me permettre de chercher la solution optimale, parmi les dix millions de solutions possibles. Le gain est énorme !"

Cette méthodologie, qui réduit le temps nécessaire pour trouver et sélectionner les solutions optimales poste par poste, est destinée aux acteurs de la construction (architectes, bureaux d’études, maîtres d’ouvrage). Son application concrète est le développement d’outils d’aide à la décision qui, à partir des équations mathématiques obtenues, évalueront de manière instantanée les performances énergétiques du bâtiment à concevoir. "Les recherches se poursuivent pour développer des équations mathématiques valides pour des typologies de bâtiments (logements, maisons individuelles, hôpitaux, bureaux…). En parallèle, nous allons travailler sur des équations pour le coût, ajoute Fadi Chlela. Ainsi en couplant les deux types d’équations, les professionnels disposeront d’un outil efficace d’aide à la décision, car il leur procurera à la fois le coût et la consommation d’énergie de chacune des solutions envisagées ».

Réduction des consommations d’énergie du bâtiment Beethoven à l’aide de la méthodologie de conception de bâtiments à basse consommation d’énergie