Cas n°2 : Changement de localisation

Cette seconde étude prend en considération la modification des conditions aux limites externes : les données météorologiques. À la place du climat de Grenoble qui peut être considéré comme tempéré au niveau européen, deux autres scenarii climatiques sont étudiés au travers des villes de Madrid et de Stockholm. Respectivement méditerranéen et continental, les caractéristiques principales de ces deux climats sont donnés aux Figures 5.14, 5.15 et 5.16. Par ailleurs, toutes les conditions d’étude (i.e. paramétrage, contraintes, etc.) sont identiques à celles utilisées pour le climat de Grenoble et les bases de données (i.e. françaises) pour les calculs économique et environnemental sont également similaires quelle que soit la localisation.

Figure 5.14. Evolution des températures et de l’irradiation solaire normale annuelles pour les villes de Madrid, Grenoble et Stockholm

Figure 5.15. Fréquences cumulées concernant la température de l’air extérieur

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 -20 -10 0 10 20 30 40 Temps (h) T e m p é ra tu re ( °C ) Madrid Grenoble Stockholm 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 500 1000 1500 2000 Temps (h) Ir ra d ia ti o n s o la ir e n o rm a le c u m u lé e ( k Wh /m ²) Madrid Grenoble Stockholm

Figure 5.16. Fréquences cumulées d'irradiation solaire normale à une surface horizontale

La Figure 5.17 présente les résultats obtenus à l’issue de la procédure complète d’optimisation pour le climat de Madrid. Les solutions intégrant un réseau thermique se différencient clairement des solutions où les bâtiments produisent localement leur énergie, notamment du fait de leurs moins bonnes performances environnementales. Ces ensembles forment deux fronts convexes parmi lesquels 125 solutions sont présentes sur le front de Pareto final à savoir 100 solutions avec une production d’énergie locale et 25 avec une production d’énergie centralisée.

Les solutions technologiques composant les enveloppes sont relativement similaires pour la totalité des bâtiments du quartier. La brique est le seul matériau de structure présent dans les configurations et il est principalement associé à une isolation par l’extérieur, minérale ou naturelle. L’épaisseur de l’isolant est plutôt intermédiaire et le vitrage est très majoritairement triple. La typologie du climat méditerranéen implique un ensoleillement relativement important et des températures plutôt chaudes. Ainsi, ces configurations visent principalement à isoler les bâtiments du rayonnement solaire pour éviter les apports thermiques les étés chauds et dans un second temps, à les isoler suffisamment de l’extérieur pour optimiser les besoins en chauffage les hivers doux.

Dans le cas où la production d’énergie est centralisée à l’échelle du quartier, les systèmes de production sont diversifiés et les configurations intègrent des cogénérateurs ICE, des chaudières à condensation et des systèmes géothermiques aquifères avec pompe à chaleur centrale. Cependant, toutes les solutions conservées n’appartiennent pas au front de Pareto final et seuls les systèmes géothermiques y sont présents. Par ailleurs, la couverture des toitures par des panneaux photovoltaïques est de 40% pour toutes les solutions. Deux systèmes de ventilation sont retenus : le simple et le double flux avec une prépondérance pour

le second. Concernant la production d’ECS, seuls les systèmes solaires thermiques avec appoint électrique et les pompes à chaleur sont conservés.

Dans le cas où la production d’énergie est décentralisée à l’échelle du quartier, les systèmes de production présents sur le front de Pareto sont les convecteurs électriques et les chaudières à condensation dans une moindre mesure. La ventilation s’effectue à l’aide de systèmes simple ou double flux et l’ECS est produite grâce à des systèmes solaires thermiques avec appoint électrique ou avec des pompes à chaleur. Enfin, toutes les proportions de toitures couvertes par des panneaux photovoltaïques sont présentes sur le front de Pareto.

La conclusion principale issue de ces grandes tendances concerne encore la présence largement majoritaire des systèmes électriques qui s’explique notamment par le choix de l’énergie finale pour l’objectif et la contrainte concernant les consommations. Comme attendu, les consommations sont moins importantes que celles des résultats obtenus avec le climat de Grenoble, les sollicitations extérieures étant plus favorables.

Figure 5.17. Optimisation pour le climat de Madrid (énergie finale)

La Figure 5.18 présente les résultats obtenus à l’issue de la procédure complète d’optimisation pour le climat de Stockholm. Les deux nuages de solutions sont à nouveau visible et 128 solutions sont présentes sur le front de Pareto final, dont 28 sont basées sur une production énergétique centralisée.

Les enveloppes des bâtiments sont uniquement constituées de brique pour le matériau de structure. Pour l’ensemble du quartier, l’isolation est forte, intérieure ou extérieure et d’une provenance synthétique ou minérale. Le vitrage triple est le seul qui est retenu car bien que le

rayonnement solaire soit bénéfique pour le bilan thermique des bâtiments en Suède, la minimisation des pertes par conduction est encore plus importante. La recherche d’une isolation maximale par rapport aux conditions extérieures est donc l’objectif principal pour les bâtiments implantés dans ce type de climat.

Pour les configurations avec une production d’énergie centralisée à l’échelle du quartier, les systèmes de production géothermique aquifère avec pompe à chaleur centrale sont quasiment les seuls représentés. La ventilation est effectuée en majorité par des systèmes double flux et pour quelques cas des pompes à chaleur alors que la production d’ECS est réalisée uniquement à l’aide de pompes à chaleur. Pour la couverture des toitures par des panneaux photovoltaïques, toutes les possibilités paramétriques sont représentées et ce paramètre est à l’origine des 4 regroupements de solutions dans l’espace de recherche. Peu de solutions retenues par l’algorithme génétique se trouvent sur le front de Pareto avec la production d’énergie centralisée. Un plus grand espace de recherche, notamment en retenant plus de solutions à l’étape 4.2.1 et en ajoutant des possibilités paramétriques pour la couverture photovoltaïque des toitures, permettrait d’avoir une répartition plus homogène dans l’espace des performances.

Dans le cas où la production d’énergie est décentralisée, l’ensemble des solutions forme une nappe convexe homogène. Les convecteurs électriques, les pompes à chaleur et les chaudières à condensation sont les systèmes encore représentés. La ventilation est principalement opérée par des systèmes double flux, bien qu’il y ait également quelques pompes à chaleur. Par ailleurs, les pompes à chaleur sont quasiment le seul système permettant la production d’ECS. A l’exception de ces grandes lignes directrices, il y a tout de même une grande diversité des solutions obtenues.

Pour ce type de climat, l’utilisation d’un réseau de chaleur se justifie clairement car il permet de minimiser les consommations et le coût global du projet simultanément. C’est une vraie alternative qui ne se cantonne pas uniquement à la recherche de performances énergétiques dans ce cas de figure. En comparaison avec le climat de Grenoble, les résultats sont logiquement moins performants lorsque le quartier est situé à Stockholm.

Les 3 fronts de Pareto définitifs provenant des études du quartier avec les climats de Madrid, Grenoble et Stockholm sont rassemblés à la Figure 5.19 ce qui permet de présenter l’évolution du front de Pareto en fonction des 3 climats étudiés.

Figure 5.18. Optimisation pour le climat de Stockholm (énergie finale)

Figure 5.19. Fronts de Pareto obtenus pour les 3 climats (énergie finale)

Finalement, les performances sont meilleures dans les climats chauds où les configurations avec une production locale d’énergie sont privilégiées. La mise en place d’un réseau thermique devient une alternative intéressante à mesure que le climat se refroidit, en

grande partie parce qu’il délivre plus d’énergie aux bâtiments ce qui permet d’accroître son efficacité. En effet, il est possible d’avoir de meilleures performances énergétiques et même économiques avec une production d’énergie centralisée dans le cas d’un climat froid. Cependant la mise en place d’un réseau impacte négativement et de façon importante le potentiel de réchauffement climatique total à cause de conséquences négatives dues à son implantation. Une plus grande diversité de solutions peut être appliquée pour la conception énergétique du quartier dans un climat froid. Ces conclusions sont dépendantes des conditions d’étude, de plus l’influence de la modification de l’indicateur énergétique sur les résultats doit également être analysée.