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RÉSUMÉ
Notre société a pris peu à peu conscience de l'impact environnemental de nos activités. Cet impact est lié notamment à une consommation énergétique souvent trop excessive. Le secteur qui nous intéresse particulièrement, celui des bâtiments représente 25 % des émissions de gaz à effet de serre (GES), et 40 % de la consommation énergétique de la France. Des outils ont donc été créés afin de pouvoir concevoir des projets de construction efficaces et sobres en énergie. Ces logiciels de modélisation thermique sont différents des outils réglementaires et se nomment "outils de simulation thermique dynamique". De tels moyens sont également utilisés dans le cadre de garantie des résultats énergétiques, garanties prises sur des consommations réelles mesurées.
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Frédéric GAL : Responsable du développement durable - Bouygues Bâtiment Ile-de-France
INTRODUCTION
Les outils de modélisation thermique sont aujourd'hui devenus incontournable dans la conception de projets environnementaux.
En effet, nous sommes passés d'une ère où les parties environnementales des projets se justifiaient avec des pages de texte à une ère de la justification où les pages de calcul les ont remplacées.
La simulation thermique permet donc d'estimer des besoins énergétiques d'un projet (calorifiques et frigorifiques) en fonction de sa géométrie, de ses caractéristiques physiques (isolation, inertie, type de menuiserie…) et de sa localisation.
En fonction des outils, si la modélisation de la production énergétique est possible elle permet alors de passer des besoins énergétiques à la consommation. Il faut pour cela y intégrer en plus de la production, les rendements de régulation, distribution et émission.
La STD (Simulation thermique dynamique) permet donc d'agir à plusieurs niveaux d'avancement du projet, en esquisse pour valider une conception de projet comme en PRO pour calculer de manière assez précise des consommations énergétiques d'un projet.
La STD de part ses résultats concrets donne donc une évaluation chiffrée des options retenues. Elle apporte donc une réponse concrète à une évaluation qui restait intuitée.
L'outil de STD permet de modéliser les bâtiments et de mesurer l'impact de chaque paramètre de la construction sur le niveau de performance énergétique de bâti. Cet outil est devenu indispensable pour concevoir des bâtiments neufs ou les rénover en haute performance énergétique.
Les différentes étapes de la modélisation sont les suivantes :
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construction du modèle géométrique ;
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interaction avec l'environnement, fichier météo annuel ;
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données de matériaux pour l'ensemble des éléments du modèle géométrique, façade, toiture, sous-sol, éléments intérieurs, structure (prise en compte de l'inertie du bâtiment), etc. ;
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définition des équipements thermiques, chaud, froid, ventilation ;
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hypothèses d'usage, occupation, équipements, éclairage.
Les résultats que fournit une simulation thermique dynamique :
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évolution des températures heure par heure pour chaque zone du bâtiment sur l'année ;
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puissance de chauffage ou de froid nécessaire ;
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consommation annuelle des équipements et du bâtiment ;
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origine des apports énergétiques ;
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données météorologiques complètes.
À partir de ces résultats, la STD permet de mener différentes études de faisabilité technique en comparant entre elles, les solutions techniques à mettre en œuvre sur une construction (enveloppe, isolations, menuiseries, traitement des ponts thermiques, mise en œuvre d'énergies renouvelables, systèmes, fluides…).
La STD permet, en outre, de localiser précisément certaines déperditions énergétiques, de préconiser des solutions de travaux pour y remédier, de chiffrer des économies d'énergies et un retour sur investissement.
La simulation thermique dynamique est aujourd'hui un outil de conception précieux pour les constructions économes en énergie de demain.
le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes et expressions importants, des notations et symboles utilisés tout au long des divers chapitres.
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1. Différences entre calcul réglementaire et simulation thermique dynamique
La STD se distingue de la simulation dite « réglementaire » en plusieurs points.
La différence majeure entre les deux types de calcul est que la STD représente un environnement totalement ouvert et paramétrable, là où le calcul réglementaire imposera toutes les hypothèses à prendre pour la réalisation de la simulation.
Par exemple, les scénarii d'occupation des locaux, d'allumage des éclairages, les températures de chauffage (en journée, ou la nuit) etc., sont tous définis précisément dans la Règlementation thermique (RT), et l'on ne saurait changer ces hypothèses dans un logiciel de calcul réglementaire, où les scénarii type de la RT ont tous été intégrés.
Au contraire, en STD, tous ces paramètres seront réglables de manière à pouvoir estimer au mieux la consommation et les besoins réels du bâtiment étudié.
Car le propos n'est pas le même : étant donné qu'en calcul RT le but est de comparer les bâtiments entre eux, et surtout de les comparer avec la réglementation, on comprend que différents bâtiments soumis à une même réglementation doivent être simulés avec les même hypothèses. Ainsi, les besoins énergétiques calculés grâce à ce moteur de calcul RT peuvent être assez éloignés des besoins réels finaux du bâtiment.
Une autre différence majeure entre ces deux types de simulation tient dans leurs moteurs de calcul respectifs. Là où tous les logiciels de calcul réglementaire utilisent le moteur de la RT, les divers logiciels STD sur le marché sont libres de choisir leurs méthodes de calcul. Cela se traduit notamment, dans la plupart des cas, par des calculs plus complexes et donc plus longs lors des STD. Il est également nécessaire d'être vigilant sur les hypothèses d'entrées, bien plus nombreuses et beaucoup moins cadrées que dans le calcul RT.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - STEPHENSON (D.G.), MITALAS (G.P.) - Cooling load calculations by thermal response factor method - ASHRAE Transactions 75 (1) 246-271 (1969).
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(3) - BECCALI (G.), CELLURA (M.), LO BRANO (V.), ORIOLI (A.) - Is the transfer function method reliable in a European building context ? A theoretical analysis and a case study in the south of Italy - Applied Thermal Engineering 25 (2-3) 341-357 (2005).
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(4) - CIULLA (G.), LO BRANO (V.), ORIOLI (A.) - A criterion for the assessment of the reliability of ASHRAE conduction transfer function coefficients - Energy and Buildings 42 1426-1436 (2010).
-
(5) - COSTA (C.), JOUVENT (M.) - * - . – La garantie de performance énergétique (5 avril 2012).
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