Des nouveaux besoins en simulation du bâtiment

Comme tout système physique, le cycle de vie du système bâtiment se compose en quatre phases: la phase de conception, la phase de mise en place (fabrication, construction, installation, rénovation…), la phase d’exploitation et d’utilisation pour arriver à la phase finale de fin de vie (destruction, recyclage,…).

La simulation, capable de donner un comportement approché des systèmes complexes à partir de scénarios et configurations bien définis, peut intervenir dans plusieurs phases de cycle de vie dont principalement la phase de conception et la phase d’exploitation.

- Conception : elle représente un outil d’aide à la décision permettant de choisir,

parmi plusieurs, une solution optimale de conception répondant au cahier des charges (la réglementation thermique en particulier). Elle intervient à plusieurs niveaux de conception :

o architecturale : il s’agit de choisir l’orientation du bâtiment, de la position

et des dimensions des fenêtres et des portes, choix des matériaux utilisés,… de manière à satisfaire au critère de la RT relatif à l’efficacité énergétique du bâtiment (Bbio).

o des systèmes énergétiques : sélection et dimensionnement des systèmes

énergétiques performants pour répondre aux exigences de la consommation énergétique du bâtiment (Cep) de la RT.

o des systèmes et algorithmes de contrôle commande : le design des

algorithmes de contrôle commande pour permettre une gestion efficace des flux énergétique dans le bâtiment et une utilisation optimale de ces équipements permettant de garantir le confort des occupants dont le confort d’été (TIC).

- Exploitation : à cette étape, la simulation peut être utilisée pour :

o la prédiction en « temps réel » du comportement du système vis-à-vis de sa

commande pour mettre en œuvre des stratégies de pilotage optimal anticipatif et réactif [HA 2007] [MISS 2012].

o la vérification, la validation et l’amélioration des choix de la phase de

conception: il s’agit de valider les choix architecturaux, vérifier l’adaptation et le bon fonctionnement des systèmes installés ainsi que des algorithmes de contrôle commande en vue de les améliorer et de mieux les adapter au bâtiment réel.

Dans l’étude du bâtiment PREDIS que nous menons dans cette thèse, nous nous positionnons dans ce dernier cas. Nous avons développé divers modèles, afin d’aboutir à la simulation du système global, dont certains étaient initialement dédiés à la phase de conception comme le modèle de l’enveloppe COMFIE. Mais, le bâtiment PREDIS étant déjà conçu par un bureau d’étude et livré avec ses systèmes énergétiques et son système de gestion, on se propose plutôt ici d’exploiter les modèles pour, par exemple :

- améliorer les algorithmes de contrôle commande et ainsi maîtriser les consommations énergétiques.

- tester de nouveaux équipements tels que l’installation « virtuelle » d’une pompe à

chaleur (thèse Hoang Anh DANG).

- étudier la sensibilité (thèse Mathilde GRANDJACQUES) de notre systèmes

vis-à-vis de ses diverses sollicitations externes (météo) et internes (occupants, équipements).

- étudier un placement optimal de capteurs permettant d’identifier au mieux un

modèle réduit (thèse Audrey LE MOUNIER) à des fins de pilotage optimal.

- etc.

La simulation virtuelle s’avère ainsi une étape indispensable dans la mesure où l’étude expérimentale d’un système de bâtiment se trouve confronté à [FRIT 2004] :

- Une expérimentation coûteuse en terme de temps, de mise en place et d’argent. La

comparaison des performances des matériaux et des techniques de construction par exemple nécessite la construction de plusieurs projets ce qui entraîne des dépenses importantes.

- Des constantes de temps physiques très grandes nécessitant parfois des années

d’expérience pour pouvoir observer des changements et obtenir des résultats, comme l’inertie du bâtiment, les conditions climatiques estivales et hivernales.

- L’inaccessibilité des variables du système réel par les mesures (e.g. champ de

températures, flux thermique au travers une paroi, champ de vitesse d’air, température ressentie, …).

- L’impossibilité de modifier dynamiquement le système : le prototypage virtuel

vient remplacer le prototypage réel, peut réaliste dans le domaine du bâtiment. En effet, la simulation permet la création successive de prototypes virtuels dans lesquels varient les paramètres de fabrication (dimensions, matériaux,…) de manière à aboutir à la configuration optimale.

II.3.2. Les nouveaux besoins de simulation du bâtiment

Dans le paragraphe I.2 et I.3, on a montré l’importance de la partie électrique dans le secteur du bâtiment. Ce domaine ne doit donc plus être négligé dans la simulation et doit être modélisé de manière détaillée prenant en compte tous ses phénomènes pour mieux les étudier. Une modélisation simplifiée, représentant le comportement global des équipements électriques ne permet par exemple pas de gérer un pilotage de charge.

Dans le paragraphe II.2.2, nous avons mis l’accent sur l’importance des charges internes (usagers, appareils…) dans un contexte de BBC où l’isolation thermique est devenue très performante. Elles sont devenues plus influentes sur la gestion énergétique du bâtiment et doivent être prises en compte dès la phase de conception vu qu’elles permettent de :

- Réduire la facture énergétique en participant au chauffage d’hiver

- Augmenter la facture énergétique en impactant le confort d’été

La configuration d’un système de gestion énergétique adapté à un bâtiment permettant, comme vu dans le paragraphe II.2.3, de diminuer les consommations énergétiques

et d’améliorer le confort, nécessite une modélisation du système global tenant compte de tous ses acteurs pour une simulation performante. Or, les bâtiments actuels font cohabiter plusieurs acteurs issus de plusieurs domaines très différents nécessitant la collaboration entre plusieurs spécialités. En outre, ces parties interagissent ensemble de manière plus ou moins forte (Figure 17).

Il est donc indispensable de réaliser une simulation complète du bâtiment qui doit représenter les différents acteurs en prenant en compte des particularités de chaque

domaine ainsi que des interactions qui les relient.

Figure 17. Les domaines interagissant dans le système bâtiment [SIMINTHEC 2009]

La réalisation de cette simulation complète du système « Bâtiment », nécessite la modélisation préalable ou l’exploitation des modèles existants de ses différents sous-systèmes issus de différents domaines d’ingénierie. La simulation globale du système PREDIS par exemple, objectif final de cette thèse, requière la prise en compte de plusieurs composants et acteurs dans la modélisation comme : l’enveloppe thermique, les équipements thermiques et électriques, les habitants…

La simulation du système s’avère ainsi une tâche délicate, confrontée à plusieurs problèmes au niveau des modèles (III.2) et/ou des outils de simulations (III.3) et qui requière des efforts considérables pour sa mise en place. Dans la suite de ce chapitre on va détailler les problématiques relatives à la modélisation et la simulation du système de bâtiment (III) et étudier les solutions existantes pour faciliter cette tâche (IV). En perspective, nous proposons une solution se basant sur un standard de composants logiciels multi facettes (V).