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Dans le cadre du programme de recherche Qualité des Environnements Intérieurs (QEI), axé sur la modélisation et la mesure, l'objectif est d'aborder de manière holistique les différents aspects du confort dans les espaces intérieurs. Ce projet englobe des éléments clés tels que la qualité de l'air intérieur (QAI), le confort visuel, le confort thermique et le confort acoustique. Au cœur de cette initiative se trouve MATHIS, un modèle de calcul nodal thermo-aéraulique dynamique incluant tous les transferts thermiques du bâtiment. Entretien avec Thierno Diallo, PhD., ingénieur recherche et expertise à la direction Santé-Confort, et Fabrice De Oliveira, PhD., ingénieur recherche et expertise à la direction Climatologie, Aérodynamique et Aéraulique pour les Ouvrages et les Transports.
Il intègre les caractéristiques physiques du bâtiment et des principaux systèmes de ventilation existants, et offre une base solide pour le développement d'outils de prévision de tous les déterminants de la QEI. Construits autour de ce cœur de calcul, ces outils prédictifs visent à améliorer la compréhension et la gestion du confort dans les environnements bâtis, en tenant compte de l'interaction complexe entre les différents paramètres.
Dans quel contexte MATHIS a-t-il été conçu ?
Fabrice De Oliveira : Il a été développé par le CSTB à un moment où la compréhension précise de l’aéraulique et des échanges thermiques dans les bâtiments était cruciale, notamment pour des applications comme la sécurité incendie. Dès 2010, François Demouge, PhD., ingénieur recherche et expertise au CSTB, et concepteur de MATHIS, est parti des problématiques de désenfumage lors de l’incendie d’un bâtiment pour s’orienter vers les enjeux de la ventilation. Fédérant de nombreux experts, le développement de MATHIS s'est ainsi inscrit dans une approche où différents outils et compétences ont été intégrés dans une plateforme modulaire permettant ainsi une synergie entre les diverses expertises du CSTB. En 2022, une réflexion a été menée pour améliorer la cohérence et l'efficacité globales de cette plateforme, en assurant une meilleure interaction entre les modules. Elle fonctionne en effet comme une « constellation » où chaque « étoile » représente un module ou une brique de connaissance, contribuant à la fois à la communauté scientifique et à l'expertise en ingénierie acoustique, du confort thermique, du confort visuel, de l’éclairage et de la QAI.
Les travaux menés par François Demouge et Xavier Faure, PhD., ingénieur recherche et expertise au CSTB, ont ensuite validé l'utilisation de MATHIS pour la conception de systèmes de ventilation naturelle. Il a également fait l’objet d’évaluations de ces performances, notamment celle du BESTest (Building Energy Simulation Test), pour l’évaluation des programmes de simulation thermique des bâtiments, à l’initiative de l’Agence Internationale de l’Énergie.
Dans un esprit d’ouverture et d'amélioration continue des connaissances, le code a été rendu accessible à la communauté scientifique et technique en format open source. Pour cette partie, une bibliothèque de fonctions interactives “PyMATHIS” a été développée pour faciliter les échanges avec le langage de programmation « Python » à chaque étape temporelle. Cette intégration permet une plus grande flexibilité et une meilleure accessibilité pour les utilisateurs, notamment ceux familiarisés avec « Python », en leur donnant la capacité de manipuler et d'analyser les données résultantes plus efficacement.
Comment MATHIS s’intègre-t-il dans le paysage de la QEI ?
Thierno Diallo : Sa conception lui confère une position centrale dans la prévision de la QEI. En effet, il permet de décrire l’aéraulique et les transferts thermiques (convection/rayonnement) au sein d'une pièce de manière robuste. Ceux-ci représentent des paramètres d'influence significatifs pour divers aspects de la QEI, tels que la QAI et le confort thermique. Le mouvement d'air dans les composants de ventilation peut également influencer le confort acoustique lié aux systèmes de ventilation et de climatisation. Actuellement, notre plateforme QEI intègre plusieurs aspects du confort, notamment via MATHIS-QAI, MATHIS-ACOU, MATHIS-NHTM (modèle neuro thermo physiologique) et MATHIS-PHANIE (modélisation éclairement et rayonnement). La plateforme capitalise la capacité d'expérimentation du CSTB, ce qui contribue grandement à la consolidation de ces outils, validés par diverses expériences à différentes échelles, du laboratoire à l'in situ.
Par ailleurs, la connexion avec la Base de données nationale des bâtiments (BDNB), développée par le CSTB, représente une réelle opportunité pour réaliser des prévisions à l'échelle du parc. Par exemple, nous avons pu étudier l'impact du changement climatique sur la qualité de l'air intérieur à l'échelle du parc de bâtiments en Île-de-France, dans le cadre du projet BATENQUE, en partenariat avec l’ADEME. Toujours dans cette même logique, une extension de MATHIS pour la micro-climatologie urbaine est en cours de développement avec le couplage aux outils OPENFOAM (code open source Computational Fluid Dynamic) et PHANIE (rayonnement extérieur).
Quelles sont les prochaines étapes pour établir une interopérabilité complète de MATHIS-QEI ?
Nous projetons d'étendre tous les aspects de QEI à l'échelle du parc, en plaçant l'humain au cœur de notre réflexion. Ceci suppose d'établir un lien entre la QEI et la santé des occupants dans les bâtiments, en tenant compte des comportements individuels et des composantes sociaux-économiques associées. Le développement de notre plateforme QEI s'harmonise avec le projet de prospective économique du CSTB, visant à quantifier les impacts économiques de toutes les dimensions du confort. Cette approche systémique et holistique, qui englobe les aspects physiques, socio-économiques et comportementaux, constitue la force de notre plateforme QEI. De plus, nous suivons de près l'évolution de l'intelligence artificielle afin de l'exploiter pour améliorer nos outils de prévision.
