4.3 Modélisation du bâtiment existant
4.6.2 Evaluation du compromis entre l’efficacité énergétique, les impacts
8000 16859 19 38,05 Surcoût d’entretien (€) 1056 4223 0 0
4.6.2 Evaluation du compromis entre l’efficacité énergétique, les impacts économiques et les impacts environnementaux
Les résultats sont présentés dans cette partie sous la forme des fronts de solutions non dominées décrivant la surface de compromis permettant l’aide à la décision multicritère. La Figure 4-12 présente une projection 2D entre les besoins de chauffage et les autres critères.
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Figure 4-12 : Fronts de Pareto entre les besoins de chauffage, le taux d’inconfort d’été, les impacts économiques et environnementaux pour La Rochelle.
Trois points optimaux ont été identifiés qui représentent un compromis entre les 14 critères étudiés. Nous retenons les solutions les plus proches du point idéal.
Les résultats montrent que les besoins de chauffage sont réduits d’environ 83,7% par rapport au cas de référence. Les besoins de chauffage sont égaux à 15 kWh/m².an. Le taux d’inconfort est aussi réduit à 20%, valeur inférieure à celle de référence.
Dans ce cas, le bâtiment considéré respecte les exigences réglementaires, et aussi celles des Labels MINERGIE-P et PASSIVHAUS. Les solutions techniques optimales sont alors :
- 20 cm de laine de roche pour l’isolation des murs extérieurs, - Tripe vitrage à faible émissivité pour les fenêtrés orientées Est, - Double vitrage pour les fenêtres orientées Ouest,
- Ventilation double flux avec un rendement de récupération de 0,9,
- Surventilation nocturne en été avec un taux de renouvellement d’air de 5 volumes par heure.
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Le coût d’investissement engendré par la mise en œuvre de ces solutions est de 195916,46 euros. Ce qui se traduit par un ratio de 204 euros par m². Le temps de retour sur investissement est d’environ 18 ans. Le coût global sur le cycle de vie du bâtiment est 363586,48 euros.
Pour les solutions optimales, l’impact environnemental global est également réduit de façon importante. Le tableau 4-7 présente les résultats obtenus.
Tableau 4-7 : Impacts environnementaux du bâtiment obtenus pour les solutions optimales.
Critères environnementaux Valeur
Epuisement des ressources (Kg Sb eq.) 337,946304
Changement climatique (Kg CO2 eq.) 47866,2228
Pollution de l’air (m3 ) 7311373,76 Pollution de l’eau (m3 ) 33227,47357 Energie primaire (MJ) 940891,0752 Energie procédé (MJ) 3598886,496
Consommation d’eau totale (L) 617355,0596
4.7 Conclusion
Ce chapitre a été consacré à la recherche de solutions optimales pour l’aide à la décision lors de la réhabilitation d’un bâtiment existant situé à La Rochelle. Le but est de réduire les besoins de chauffage, tout en gardant le confort thermique d’été à un coût réduit et un impact environnemental limité.
Notre étude montre d’une part que le niveau de précision des modèles polynomiaux développés obtenu est très bon ; d’autre part, l’analyse de sensibilité réalisée via ces modèles a permis de négliger certains paramètres qui n’ont pas une influence significative sur les performances énergétiques.
Les résultats obtenus montrent que la réhabilitation à basse consommation énergétique est très faisable avec des solutions techniques simples. L’application de l’optimisation multicritère sur le bâtiment existant a permis de satisfaire la limite définie par les labels européens PASSIVHAUS et Minergie+ qui est de 15 kWh/m².an en terme de besoins de chauffage. Les besoins de chauffage ont été réduits de 84,4%.
Nous avons montré sur cet exemple d’une opération de réhabilitation d’un bâtiment existant, que la méthode développée dans le chapitre 2 permet d’identifier, de manière rapide, des solutions optimales énergétiquement efficace et minimisant les impacts économiques et environnementaux sur le cycle de vie du bâtiment.
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Conclusion générale et perspectives
Ce travail avait pour objectif principal le développent d’une nouvelle méthode rapide et efficace pour l’aide à la décision multicritère lors de la conception des bâtiments neufs ou la réhabilitation des bâtiments existants énergétiquement efficaces. En se basant sur des simulations numériques à l’aide de l’outil TRNSYS et la méthode des plans d’expériences, on a abouti avec succès au développement des modèles polynomiaux permettant la prédiction des performances énergétiques et du confort thermique adaptatif d’été. À partir de ces modèles, l’analyse de sensibilité a permis d’identifier les paramètres les plus influents sur les critères prédéfinis. Ceci nous a permis de réaliser une étude paramétrique et d’effectuer une recherche des solutions optimales dans une dimension multicritère et cela sur le cycle de vie du bâtiment avec moins de paramètres mais avec une précision acceptable, et surtout un temps de calcul drastiquement réduit. Cette méthode peut ainsi être un outil d’aide à la décision très efficace pour les concepteurs et les décideurs dans le domaine de la construction des bâtiments.
Dans un premier temps, un état de l’art des différents paramètres et les solutions techniques liées à la conception et la réhabilitation de l’enveloppe des bâtiments a mis en évidence les pistes sur lesquelles la réduction de la consommation énergétique peut être menée de manière efficace. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons réalisé une étude bibliographique sur les différentes méthodes d’optimisation existantes dans la littérature avec des analyses critiques permettant de déceler les avantages et les inconvenants de chacune d’elles. Cette analyse nous a révélé les contraintes majeures de telles méthodes, qui sont principalement le temps de calcul élevé ainsi que la difficulté de converger vers des optimums globaux du problème étudié. Ces contraintes empêchent une grande partie de concepteurs d’utiliser de telles approches dans le domaine de l’ingénierie. C’est pour cette raison que des solutions intuitives et qui ne sont pas optimales, vis-à-vis des critères prédéfinis, peuvent être malheureusement exécutées dans la phase de construction ou de réhabilitation des bâtiments. Afin de remédier à cette problématique, nous avons proposé une nouvelle méthode basée sur la méthode des plans d’expérience. Nous avons montré avec un cas d’étude simple l’efficacité de cette méthode. La précision des résultats obtenus est satisfaisante avec un temps de calcul très raisonnable.
La méthode développée a été ensuite appliquée pour un cas d’étude plus complexe (17 paramètres) dans le cadre de la conception des bâtiments neufs énergétiquement efficaces au Maroc. Pour évaluer la précision des résultats obtenus, quatre types de polynômes ont été étudiés à savoir le modèle linéaire, le modèle quadratique, le modèle quadratique avec interaction et le modèle quadratique complet. Ce dernier est le plus précis pour la prédiction des besoins de chauffage, des besoins de refroidissement, des besoins d’énergie finale et du confort thermique adaptatif d’été. Le nombre des simulations dans ce cas est 271. L’analyse de sensibilité réalisée nous a permis d’identifier les paramètres les plus influents sur ces critères pour chacune des six zones climatiques du Maroc. La détermination des surfaces de compromis entre les performances énergétiques et les impacts économiques nous a montré que dans les climats les plus froids
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comme le cas de la ville d’Ifrane, des solutions techniques performantes telles que le double vitrage à faible émissivité et une isolation importante de l’ordre de 14 cm doivent être mises en œuvre. Par ailleurs, des solutions techniques simples telles que le simple vitrage, une épaisseur d’isolation de 2 cm pour les murs et 6 cm pour la toiture peuvent contribuer à des bâtiments à très faibles besoins énergétiques dans le cas de la zone d’Agadir.
Au chapitre quatre, la même démarche a été ensuite appliquée au cas de la réhabilitation d’un bâtiment existant à La Rochelle. Une fois de plus, les modèles polynomiaux permettant la prédiction des besoins de chauffage et du taux d’inconfort, nous ont fourni des résultats très satisfaisants. Une base de données économique et environnementale a été utilisée afin d’effectuer une étude d’optimisation multicritères. Les résultats nous montrent qu’il est possible de réaliser une réhabilitation durable à un coût raisonnable pour rendre le bâtiment considéré à basse consommation énergétique. Les besoins de chauffage ainsi obtenus sont de l’ordre de 15 kWh/m².an, limite donnée par les labels Minergie-P et Passivhaus.
La méthode développée dans ce travail s’est avérée très avantageuse par rapport à celles qui existent dans la littérature, que ce soit pour la conception des bâtiments neufs ou la réhabilitation de ceux qui sont déjà construits. En outre, à l’aide de cette méthode, la recherche des solutions satisfaisant des exigences ou des contraintes spécifiques est réalisable aisément. Nous avons conclu aussi que des bâtiments à très basse consommation énergétique peuvent être obtenus à des coûts acceptables et avec un faible impact sur l’environnement.
Les paramètres du bâtiment choisis dans cette étude ne concernent que l’enveloppe et la ventilation mécanique. Dans cette étude nous avons considéré que les matériaux utilisés pour la conception des bâtiments neufs et pour la réhabilitation de l’existant correspondent aux cas réels de la construction. Cependant, l’utilisation d’autres types de matériaux est une piste intéressante pour la suite de ces travaux. Les matériaux à changement de phase par exemple peuvent être bénéfiques dans le cas du climat marocain pour améliorer l’inertie des parois extérieures. Il sera aussi primordial de développer une approche plus globale en introduisant des systèmes de production d’énergie. Pour rester sur une approche durable, l’intégration des énergies renouvelables, telles que les panneaux solaires thermiques ou photovoltaïques, les puits climatiques, l’éolien interurbain, sera donc nécessaire et même la conception des bâtiments à énergie positive peut être envisagée.
Malgré les résultats encourageants que nous avons obtenus, la méthode que nous avons développée doit être utilisée avec précaution. Un test de validation des modèles polynomiaux par des échantillons aléatoires de simulation s’avère obligatoire pour pouvoir garantir la précision et la fiabilité des résultats. Par ailleurs, même si le temps de calcul en utilisant ces modèles est fortement réduit, de l’ordre de 300 configurations par seconde, lorsqu’on dépasse 10 000 000 de configurations, le temps de calcul devient élevé et il peut atteindre 9 heures.
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L’application de cette méthode peut s’étendre à d’autres typologies de bâtiments et climats que ce soit pour le secteur résidentiel ou tertiaire. D’autres aspects peuvent aussi être étudiés tels que le confort visuel, acoustique, la qualité de l’air, la sécurité incendie, etc. Les exigences d’un label environnemental (BREAM, HQE, LEED…) peuvent être aussi évaluées.
Une nouvelle génération d’outils d’aide à la décision peut ainsi être développée. Il suffit d’avoir un plan d’expérience de type D-optimal avec un modèle quadratique complet et une base de données qui associe chaque paramètre de conception aux critères souhaités. Ce type d’outil peut être intégré ou couplé à des logiciels de simulation thermique dynamique ou de calcul réglementaire. Une interface conviviale pour les utilisateurs rendrait cette application très utile pour les concepteurs et les décideurs des projets de construction du bâtiment pour une aide à la décision rapide et multi-objectif.
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