Outils d’aide à l’éco-conception des bâtiments Réunion plénière du réseau thématique « TIC & Environnement » (RT8) Jeudi 12 septembre 2013, Paris Outils d’aide à l’éco-conception des bâtiments Bruno PEUPORTIER MINES ParisTech – CES

éco-conception des bâtiments Prendre en compte les aspects environnementaux dans la conception et sur le cycle de vie d’un produit Préservation des ressources (énergie, eau, matériaux, sol), protection des écosystèmes, au niveau planétaire (climat, ozone), régional (forêts, rivières…), local (déchets ultimes, qualité de l’air…) Liens environnement-santé

La contribution du secteur du bâtiment 45% de la consommation d‘énergie en France consommation d‘eau : 165 litres/personne/jour, 25% du total net occupation des sols (5% artificialisé), atteintes aux paysages… utilisation de ressources naturelles (granulats, bois tropicaux…) : jusqu’à plus d’une tonne par m2 construit production de déchets : - construction et démolition : 48 millions de tonnes / an - ménagers : 28 millions de tonnes / an (1,2 kg/ha/jour) 40% des déchets radioactifs pollution de l’eau (eaux usées, éco-toxicité, nappes phréatiques : fondations), de l’air (importance de l’air intérieur), etc.

Apport des TIC en phase de conception Stratégie de prévention : coût moins élevé que la correction de défauts Importance des phases amont : urbanisme, architecture, ingénierie, gestion Simulation -> prévoir le comportement d’un bâtiment avant sa construction -> possibilité d’améliorer le projet Comparaison de variantes, optimisation Evaluation de nouvelles technologies

Analyse de cycle de vie Eviter le déplacement de pollution d’une étape à l’autre Longue durée de vie des bâtiments

EQUER : simulation du cycle de vie Calcul par pas de temps d’un an

Les frontières dépendent de l’objectif de l’étude Eviter les déplacements de pollution

Exemple : base Oekoinventare, Ecole Polytechnique de Zürich

Indicateurs, exemple : contribution au changement climatique Potentiel de réchauffement global propriétés optiques des gaz équivalent CO2, sur une durée,100 ans GWP100 = kg CO2 + 25 x kg CH4 + 300 x kg N2O + S GWPi x kg CFC ou HCFCi effet (potentiel) et non impact (réel)

EQUER, exemple de comparaison de variantes Multi-critères -> éviter le déplacement de pollution

Comparaison, réseau européen PRESCO Maison suisse FUTURA, 210 m2, ossature bois, Chauffage gaz, 80 ans

Comparaison d’outils ACV européens, PRESCO Écarts +- 10% sur le cycle de vie Cf. http://www.etn-presco.net/

Bâtiment HLM à Montreuil (93) 52 logements Construction : 1969, non isolé, simple vitrage Isolation, fenêtres, balcons vitrés Besoins de chauffage : 160 kWh/m2/an avant travaux -> 85 kWh/m2/an après

Résultats de l’analyse de cycle de vie, outil EQUER Building life cycle simulation tool Réduction de 50% des émissions de CO2

Extension de l’ACV à l’échelle du quartier Énergie >0 Basse énergie Cité Descartes

Simulation énergétique Progresser vers des bâtiments à énergie positive, améliorer le niveau de confort thermique analyse en dynamique (captage, stockage et distribution de l’énergie) -> simulation structuration en objets, ajout de nouveaux composants (PV, solaire thermique, éclairage…) simplicité d’utilisation, description d ’un projet et comparaison de variantes -> élaboration d’une interface avec un éditeur

Modélisation et algorithme C . dT /dt = A . T + E . U Y = J . T + G . U T = To - A-1 . E . U (To = partie dynamique -> petites constantes de temps dans le régime permanent) Réduction de modèle -> faible temps de calcul

Influence de la réduction modale Il faut au moins 3 constantes de temps, parfois davantage

Comparaison sur des maisons basse énergie Plate forme INCAS, INES (Chambéry) maisons « passives » Comparaison sur les besoins de chauffage et les puissances maximales, A. Brun et al.

Comparaison aux mesures Incertitudes sur de nombreux paramètres Problème lors des pics de température, idem Energy+

Interface utilisateurs, modeleur graphique ALCYONE Quelques journées de travail pour un projet Intérêt : comparaison de variantes Travail dès l’esquisse

Chaînage à un calcul d’éclairage (Paclight puis Radiance) Mailleur automatique Entrées radiance Choix des paramètres (nombre de rebonds…) Sorties radiance -> Besoins éclairage artificiel -> apports internes

Simulation aéraulique, modèle similaire à CONTAM Mesures sur une maison à énergie positive à Verrières (VELUX) Comparaison des débits et des températures calculés et mesurés

Bâtiments à énergie positive Maison ZEN 2 à Chambéry 70 m2 de modules PV PAC 6 kW Étude couplage PAC + PV via un stockage Régulation

Echangeurs air / sol (« puits canadiens ») Maison de retraite à Presles (95), 2004 Salle de 240 m2 8 tubes de 40 m de long à 1,6 m de profondeur 0,9 (hiver) à 1,5 (été) vol/h 150 -> 30 degrés jours d’inconfort (base 24°C)

Optimisation, algorithmes génétiques Réhabilitation d’un parc de bâtiments 2 Chromosomes : 1 mesures (gènes = isolation, vitrage, ventilation, équipement), 2 phases (5ans, 10 ans…) Population de départ, calcul performances (chauffage, coût, DH inconfort), croisements -> nouvelle population, sélection des meilleurs individus -> 100 générations, front de Pareto Actions sur les pointeurs de la structure objets puis lancement de chaque simulation

Régulation par programmation dynamique Équation de Bellman Exemple : effacement des pointes

Identification de modèles, diagnostic Comparaison modèle identifié par Matlab et profil initial

Conclusions Outils opérationnels, adaptés aux pratiques professionnelles (BET, Architectes…) Ex. COMFIE 2500 licences actives, formations Chaire ParisTech-VINCI Eco-conception des ensembles bâtis et des infrastructures En perspective : gestion des bâtiments, utilisation de la simulation sur le cloud pour du contrôle prédictif (prévisions météo), garantie de performance (incertitudes), échanges d’énergie entre bâtiments, liens avec le réseau (smart grid)

Merci de votre attention