Chapitre 2 Méthodologie d’aide à la décision pour la conception énergétique de bâtiments durables
2.1. Principes et logique de la méthodologie
La conception d’un bâtiment est une tâche complexe. D’un côté, tout bâtiment doit être conçu pour répondre aux exigences définies par la maîtrise d’ouvrage dans le cahier de charges du projet, sous la forme d’une pluralité de fonctions à satisfaire ainsi que de contraintes à respecter pour ce bâtiment pendant toute sa durée de vie. D’un autre côté, le bâtiment représente un système composé par une multiplicité d’éléments, y compris d’autres systèmes, dont les interactions sont à prendre en compte puisqu’elles détermineront le comportement dynamique du bâtiment pendant la phase d’exploitation. Cette complexité intrinsèque à la conception d’un bâtiment est naturellement encore plus importante dans le cas d’un projet de construction visant une haute performance énergétique.
Pour répondre à cette condition de complexité, une méthodologie d’aide à la prise de décisions pour la conception énergétique de bâtiments durables est proposée dans ce travail. Cette méthodologie est destinée à être utilisée, sous la forme d’un outil d’aide à la décision, par la maîtrise d’œuvre d’un projet de construction, y compris l’architecte et les bureaux d’études concernés par la performance énergétique. La méthodologie développée dans ce travail est construite sur deux principes de base :
L’évaluation de la performance énergétique du bâtiment à travers le concept de la durabilité. L’adaptation à la progression du niveau de précision de l’information disponible dans les
premières phases de conception.
L’objectif de cette méthodologie est ainsi de donner au concepteur une vision globale de l’impact de ses choix de conception, pour ainsi le guider dans la prise de décisions dans la sélection et le
dimensionnement des éléments du bâtiment ayant une influence déterminante sur sa performance énergétique. Ceci est fait par une évaluation multicritère des alternatives de conception par l’application du concept de la durabilité au bâtiment et en s’appuyant sur une approche de type cycle de vie. La méthodologie suit une logique de progression dans la prise des décisions de conception dans les premières phases de projet, lesquelles déterminent de manière séquentielle le niveau de détail dans la définition du bâtiment au long du processus de construction.
Une vision globale de la méthodologie proposée dans ce travail est montrée dans la figure 2.1. Les modules composant cette méthodologie sont entourés en rouge et sont donnés comme :
1) La sélection d’une base d’indicateurs de performance couvrant tous les aspects des impacts des décisions concernant la conception énergétique.
2) La construction d’une méthode d’évaluation des indicateurs de performance adaptée au niveau de précision de la connaissance du bâtiment dans les premières phases de conception.
3) La définition d’une logique de progression des décisions de conception dans les premières phases de conception, ainsi que le choix d’une configuration de bâtiment de base.
4) La construction d’une base de connaissance d’éléments du bâtiment pour faciliter la déclaration de l’information par le concepteur.
Figure 2.1. Vision globale de la méthodologie d’évaluation de la performance énergétique proposée.
En ce qui concerne l’identification des critères de performance, chacune des trois dimensions de la durabilité est liée à un aspect de la performance du bâtiment :
La dimension écologique est donnée à travers la dégradation de l'environnement.
La dimension sociale est représentée par le confort et la préservation de la santé des occupants.
Des indicateurs de performance caractérisant ces critères ont été sélectionnés pour évaluer les alternatives de conception suivant une approche quantitative de type performancielle. Une approche orientée « performances » permet d’analyser de manière globale la qualité de conception d’un bâtiment, dans son ensemble et sur l’ensemble de son cycle de vie. Cette approche se distingue notamment d’une culture orientée « moyens », fondée sur l’exigence de la mise en œuvre de dispositions considérées comme de bonnes pratiques de conception. Ce changement de paradigme a été constaté dans l’étude de l’état de l’art de ce travail à partir des plus récentes initiatives de normalisation internationale. Plus particulièrement en France, l’évolution de la démarche Haute Qualité Environnementale (HQE) vers le projet de certification HQE Performance est un clair exemple d’un changement de mentalité dans l’évaluation de la performance des bâtiments.
Il est important de mentionner que l’évaluation des critères environnementaux et économiques n’a pas comme objectif d’être exhaustive, comme c’est le cas des certifications environnementales ou les analyses de coûts pour le chiffrage des projets. Par contre, cette méthodologie vise à donner au concepteur des éléments de décision par la comparaison des alternatives de conception en fonction de leur performance énergétique. Cette approche comparative permet de limiter le périmètre d’analyse aux éléments du bâtiment les plus influents sur la performance énergétique.
En outre, la méthodologie d’aide à la décision ici proposée est adaptée à la progression de la connaissance du bâtiment dans les premières phases de conception : la phase d’Esquisse (ESQ), la phase d’Avant-Projet Sommaire (APS) et la phase d’Avant-Projet Détaillé (APD). L’information disponible à chaque phase de projet, donnée par le niveau de détail de la définition du bâtiment, est directement liée à la prise de décisions effectuée dans les étapes précédentes, et elle évolue tout au long du processus de conception : du général au spécifique.
Cette progression de l’information a été intégrée dans la méthodologie de deux manières différentes :
D’un côté, les indicateurs de performance ainsi que leurs méthodes de calcul ont été sélectionnés pour être compatibles avec les niveaux d’information limités qui caractérisent les premières phases de conception.
D’un autre côté, une logique de progression des décisions de conception pour une définition échelonnée du bâtiment a été définie en fonction du déroulement du projet de construction.
Cette logique de progression représente un modèle de répartition séquentielle des décisions à prendre dans chaque phase de conception. Sa construction part du constat que la progression du niveau de détail dans la définition d’un bâtiment est donné par l’avancement des décisions de conception. La logique de progression a été formalisée à partir des pratiques actuelles dans le secteur de la construction et adaptée aux exigences croissantes en matière de performance énergétique. Suivant cette approche, le concepteur peut explorer l’espace de décision de manière séquentielle, en adaptant ses études paramétriques aux possibilités de choix disponibles dans chaque phase de conception.
Les conclusions de ce travail sont axées sur la conception énergétique des bâtiments de bureaux dans un contexte français. L’intérêt du choix des bâtiments de bureaux comme cas d’étude est multiple :
D’une part, la taille et le budget des projets de construction pour les bâtiments avec cet usage sont généralement importants (OPCOC, 2014). Ceci donne la possibilité de considérer des solutions énergétiques performantes, surtout en ce qui concerne les principes constructifs et les solutions techniques.
D’une autre part, des études montrent qu’une haute qualité de l'environnement intérieur est liée à une amélioration considérable de la productivité des employés ainsi que de leur santé et bien-être (World Green Building Council, 2013).
Par conséquence, les bâtiments de bureaux représentent une opportunité de grand potentiel pour le développement des projets de construction à haute qualité environnementale et performance énergétique, ce qui se traduit par une forte volonté pour la certification des projets (McGraw-Hill Construction, 2013).
Un outil d’aide à la décision a été développé comme une première application de la méthodologie ici proposée, en reprenant tous les principes de base de celle-ci. L’objectif de sa mise en œuvre est de valider la logique de la méthodologie ainsi que d’étudier son intérêt : ce qu’elle peut apporter au concepteur comme éléments d’aide à la décision. Cet outil permettra aussi d’identifier les difficultés et les limites de son application comme un guide dans l’analyse de la performance énergétique et dans la prise de décisions dans la conception d’un bâtiment.
L’outil d’aide à la décision proposé ici est décomposé en trois parties :
Une méthode complète pour le calcul des indicateurs sélectionnés pour caractériser la performance énergétique des alternatives de conception.
Une base de données regroupant tous les paramètres d’entrée nécessaires pour alimenter la méthode de calcul des indicateurs, y compris les caractéristiques techniques, économiques et environnementales des composants du bâtiment et des sources énergétiques.
Un guide support pour la structuration de la prise de décisions en fonction de la phase de projet concerné.
Avant d’entrer dans le détail, il est important de mentionner que à cause de la complexité intrinsèque de l’analyse complète de la performance d’un bâtiment, les conclusions du présent travail sont le résultat d’une réflexion réalisée en parallèle et même de manière itérative entre tous les aspects de la méthodologie : la sélection des indicateurs de performance, le choix des méthodes de calcul pour leur évaluation, l’identification des bases de données pour alimenter les modèles, la définition des éléments du bâtiment composant le périmètre d’analyse, ainsi que la définition des décisions de conception et leur répartition dans le processus de conception. Le fait de présenter tous ces aspects d’une façon plus ou moins séquentielle dans ce rapport entraînera parfois des références à des concepts ou des arguments qui n’ont pas encore été présentés précédemment. Dans ces cas, le lecteur sera dirigé promptement vers la section concernée pour plus d’information.