1.6.1. Méthodes statiques et réglementations thermiques
À la suite du premier choc pétrolier de 1973, les premières réglementations thermiques appliqués aux bâtiments dans le monde, et notamment en France, sont créées (RT 1974). Le but est simple : réduire de 25% la consommation énergétique des bâtiments. L’évaluation des performance est basée sur le calcul des coefficients de transmission thermique K (maintenant U) en W.m-2.K-1 des parois et du coefficients des déperditions globales G en W.m-3.K-1. Avec cette approche statique, l’accent est essentiellement porté sur l’isolation thermique. Les apports solaires ne sont alors jusque-là pas pris en compte.
Après le second choc pétrolier de 1979, la réglementation thermique est renforcée (RT 1982 et 1988) pour réduire davantage les consommations énergétiques. Un nouveau coefficient B, pour les besoins de chauffages, et un nouveau coefficient C, pour les consommations prenant en compte le rendement des systèmes de chauffage, voient le jour. Les apports solaires sont cette fois-ci pris en compte dans le coefficient B de manière forfaitaire, selon l’orientation des parois et la zone climatique.
Dans les réglementations thermiques plus récentes de 2000, 2005 et 2012, les ambitions de réductions des consommations d’énergie sont croissantes. La prise en compte des apports solaires dans les calculs réglementaires est de plus en plus détaillée avec des zones climatiques plus précises, une prise en compte des masques extérieurs, des dispositifs de protection solaire, etc. Cependant il s’agit encore de modèles très simplifiés basés sur des coefficients forfaitaires ne tenant pas compte de la nature dynamique du problème.
1.6.2. Simulations Thermiques Dynamiques et méthodes nodales avec
EnergyPlus
Dans les années 1970, les premières méthodes de calcul thermique dynamiques sont développées basées pour la plupart sur des analogies thermiques-électriques. Les Simulations Thermiques Dynamiques (STD) permettent de prendre en compte les aspects dynamiques influent sur l’équilibre énergétique des bâtiments : variations des températures, du rayonnement solaire, l’inertie thermique, etc… La charge de calcul était beaucoup trop lourde à l’époque pour que ces méthodes soient utilisées lors des étapes de conception et elles sont devenues de plus en plus utilisées grâce aux progrès en informatique.
Au début des années 2001, sort EnergyPlus [Crawley 2001]. Il est le moteur de calcul référence dédié à la thermique du bâtiment. Dans ce moteur de calcul basés sur les analogies thermiques électriques, les apports solaires sont calculés en tenant compte des aspects dynamiques tel que la position du soleil et les conditions de ciel. Les apports solaires sont calculés heure par heure au sein du moteur de calcul avec une méthode de lancer de rayons. Chaque surface du modèle sont représentées par 4 points d’intérêt où 90 rayons sont lancés afin de calculer le rayonnement solaire provenant du ciel, du soleil, et de l’environnement urbain par réflexion. Certaines hypothèses simplificatrices importantes sont faites :
• une seule réflexion avec l’environnement extérieur est prise en compte,
• le rayonnement qui parvient à l’intérieur des bâtiments est réparti forfaitairement sur les différentes surfaces.
• le rayonnement reçu sur les parois intérieures et extérieures (planchers, façades, …) est considéré constant sur la totalité des surfaces, ce qui simplifie fortement la distribution spatiale du rayonnement et particulièrement celle du rayonnement direct du soleil. Méthodes nodales avec calcul radiatif précis
Des études ont été faites en combinant le moteur de calcul RADIANCE pour le calcul radiatif des apports solaires avec EnergyPlus [Fernandes 2015, Hoffmann 2016]. L’apport principal de RADIANCE dans ce type d’étude est la prise en compte précise de modèle de réflexion et de transmission de fenêtrage complexe comprenant des dispositifs d’ombrage avec des formes complexes et mobiles.
D’autres programmes de calcul thermique basés sur des méthodes nodales utilisent des méthodes de calcul du rayonnement solaire basé sur la méthode de la radiosité comme SOLENE-microclimat [Miguet 2000, Musy 2015] et Citysim [Robinson 2009]. Ces deux programmes principalement conçus pour des études thermiques d’environnement urbain tirent profit de la méthode de la radiosité notamment pour le calcul rapide des inter-réflexions diffuses par itération sur l’ensemble du modèle.
1.6.3. L’approche éléments-finis
Une des méthodes, récemment développées pour les contextes urbains, utilise la méthode des éléments-finis pour résoudre le problème thermique complet avec une considération spatiale fine. La méthode par éléments-finis requiert un maillage volumique de la scène urbaine où le rayonnement solaire est calculé sur les carreaux exposés au rayonnement ; ils constituent la peau du modèle.
[Aguerre 2019] réalise une comparaison entre une séquence de thermographies prise dans une rue du centre-ville de Bayonne et les thermographies simulés par cette méthode avec Cast3m [El Ganaoui 2005]. Pour la partie radiative, la méthode de radiosité est utilisée pour le calcul des apports solaire sur la peau du maillage ainsi que pour le calcul des échanges en ondes longues.
Le modèle de calcul montre des résultats probants (Figure 1.20), reproduisant le même ordre de grandeur et l’apparence générale des résultats mesurés. De plus, les résultats permettent d’évaluer l’équilibre du flux de chaleur en divers points utiles de la géométrie, et l’impact associé à la modification des paramètres de la scène.
Avec un modèle 3D plus fin de la rue et la correction des thermographies simulées en prenant en considération l’aspect brillant des réflexions, des rendus encore plus proches des thermographies réelles sont obtenues (Figure 1.21) [Aguerre 2020]. L’avantage de la méthode pour une prise en compte spatiale précise du problème thermique ressort clairement.
Figure 1.20 : Photographie, thermographie, et thermographie simulée par la méthode des éléments finis
d’une rue de Bayonne [Aguerre 2019].
Figure 1.21 : Photographie, thermographie, et thermographie simulée avec modèle 3D déaillé par la
1.7. Conclusions
Les concepts essentiels pour le calcul du rayonnement solaire dans les bâtiments ont été présentés dans ce chapitre : la définition des grandeurs théoriques, les propriétés optiques des matériaux qui constituent l’environnement bâti, les différents modèles de ciel, les méthodes de calcul numériques du calcul du rayonnement, et les applications dans le domaine de l’architecture en éclairage naturel et en thermique.
Parmi les modèles de ciel existants, le modèle « All-weather » de Richard Perez se distingue des autres par sa faculté à pouvoir modéliser n’importe quelle condition de ciel à partir de peu de données d’entrées disponibles pour de nombreux endroits sur terre. Le modèle d’efficacité lumineuse proposé par le même auteur offre la possibilité d’appliquer ce modèle de ciel pour des études thermiques et d’éclairage naturel.
Concernant la modélisation des propriétés optiques des éléments de l’environnement bâti, il existe un écart de complexité net entre les modèles utilisés dans le domaine de l’infographie en comparaison de ceux utilisés dans le domaine de la thermique du bâtiment. Le domaine de l’infographie a produit une multitude de B DF complexes permettant de reproduire fidèlement les effets produits par presque tous les types de matériaux. En parallèle, les méthodes de calcul dépendantes du point de vue permettant d’incorporer ces modèles complexes se sont développées et sont devenus incontournables dans ce domaine. La communauté de l’éclairage a tiré profit de ces avancées principalement pour pouvoir étudier des dispositifs de fenêtrage complexe.
De l’autre côté, les modèles de réflexion et de transmission utilisés habituellement en thermique du bâtiment sont beaucoup plus simples. Une importance plus grande est portée sur l’aspect quantitatif que sur l’aspect directionnel des réflexions et des transmissions. Considérer la réflexion spéculaire et la dépendance angulaire des réflectances et transmittances représente déjà un niveau de précision dont la plupart des méthodes de calcul ne tiennent pas compte.
Au vu de ce chapitre, la définition des surfaces selon leur réflectance et transmittance diffuses ainsi que par leur réflectance spéculaire et transmittance directe avec dépendance angulaire permet de modéliser la majorité des éléments qui constituent les environnements bâtis. Ces quatre modes extrêmes de réflexion et de transmission doivent suffire à atteindre une précision suffisante pour les applications architecturales d’éclairage naturel et de thermiques étudiées dans cette thèse. En partant de cette hypothèse, la méthode de radiosité couplée au concept des facteurs de vue étendus se présente comme une solution intéressante pour considérer efficacement ces quatre modes de réflexion et de transmission.