Optimisation climatique des batiments par la simulation thermique dynamique

La simulation thermique dynamique avec Pleaides-Comfie 1. Définition La simulation thermique dynamique est un outil de simulation qui permet de modéliser et analyser précisément le comportement thermique d’un projet de bâtiment, dès les phases de conception (esquisse, avant-projet), en neuf ou en rénovation. Cet outil permet de calculer précisément les besoins énergétiques prévisionnels de chauffage, et de quantifier les conditions de confort estival. Une simulation thermique dynamique a pour principal objectif d’optimiser un projet de construction ou de rénovation, en tant qu’outil d’aide à la décision. En comparant des variantes architecturales ou constructives, il est possible d’évaluer l’impact de ces variantes sur le bilan énergétique et le confort thermique du bâtiment. Elle aide donc à définir des choix constructifs pertinents et économiques en phase de conception du bâtiment, et à évaluer ou ajuster une conception architecturale bioclimatique. Les choix architecturaux sont évalués en phase esquisse. Les choix constructifs et techniques sont évalués en phase avant-projet et projet. 2. Réalisation L’ensemble du bâtiment est modélisé à partir des plans de l’architecte : des zones thermiquement homogènes sont définies afin d’étudier finement en résolution horaire leur comportement thermique qui varie en fonction de leurs caractéristiques propres : orientation, ventilation, ouvertures vitrées, température de consigne de chauffage etc. Cette modélisation est réalisée dans le logiciel Pleiades-comfie, développé par le bureau d’études thermiques IZUBA énergies et l’école des mines de Paris. La simulation thermique dynamique se base sur des données climatiques locales au pas horaire, et des scénarios horaires d’occupation, de chauffage et de ventilation. De très nombreux paramètres influent sur les consommations énergétiques et le niveau de confort d’un bâtiment. Le logiciel Pleiades-comfie permet de modéliser et quantifier les paramètres suivants lors d’une simulation thermique dynamique d’un bâtiment : • les données météorologiques • l’orientation des façades et des baies • nature du sol environnant le batiment • les masques solaires extérieurs (arbres, relief, autres batiments) • les masques solaires propres au batiment • les principes constructifs des parois, avec les propriétés physiques des matériaux (isolation inertie thermique, coefficient d’absorpsion de chaleur), ainsi que les ponts thermiques • les ouvertures (matériaux des chassis, vitrages) • les protections solaires des ouvertures et leur gestion horaire (facteurs solaires) • les conditions de fonctionnement des systèmes énergétiques de chauffage et de ventilation, éventuellement de rafraichissement • les apports internes par les équipements : éclairage, cuisson, matériel informatique, équipements ménagers et électroniques • les apports internes par les occupants Tous ces paramètres varient en fonction des saisons et des heures et interagissent entre eux. 3. Les résultats et les objectifs Suite à la modélisation du bâtiment, le logiciel calcule le bilan énergétique prévisionnel de chaque zone, pour chaque heure, sur une année entière représentative. Ces calculs permettent d’estimer les apports solaires bruts, les besoins utiles de chaleur du bâtiment et les températures intérieures tout au long de l’année dans chacune des zones thermiques définies. les simulations thermiques dynamiques du bâtiment consistent à • comparer des solutions constructives différentes et optimiser les choix : en particulier définir les épaisseurs « utiles » de matériaux pour l’isolation et l’inertie • réduire les consommations d’énergie en hiver : maîtrise des déperditions, évaluation des apports solaires utiles récupérables, optimisation des surfaces vitrées ... • évaluer et améliorer le confort d’été : déterminer les températures intérieures et leur évolution au cours du temps (inertie du bâtiment), évaluer les effets des capacités thermiques des parois, des protections solaires et des modes de ventilation optimisés pour le rafraichissement naturel. Les informations que l’on peut obtenir à partir des calculs de simulation thermique dynamique en saison HIVER :
 connaitre sur une période, par ex. le mois de Janvier, les puissances de chauffage requises et leur fréquence (nb d’heures par classe de puissance requise)
 connaitre les besoins de puissance de chauffage à chaque heure, suivant les conditions météo (température extérieure et ensoleillement) . Ces informations permettent de dimensionner un appareil de chauffage, et surtout d’optimiser sa régulation : les heures de fonctionnement à pleine puissance, puissance réduite et arrêt, pour avoir une température intérieure régulière. En fin d’hiver quand les apports solaires commencent à etre importants et suffisent à chauffer le batiment dans la journée, le chauffage peut etre coupé quand le soleil se montre. En simulation dynamique on peut aussi calculer les températures intérieures atteintes pour une puissance de chauffage programmée.
  connaitre les dérives de temperature en cas de chauffage irrégulier dans le temps , par ex. avec un poele à buches qui ne fonctionnerait qu’en soirée : quelle sera la température du batiment le matin à 08 heures ?
  évaluer l’influence d’une ventilation double flux par rapport à une simple flux, en termes de dérive des températures quand le chauffage est arreté.
  analyser le bilan énergétique du batiment : les déperditions thermiques sont quantifiées, ainsi que les apports solaires bruts, les apports internes, et les apports solaires nets utilisables. En fonction de ces données calculées, on obtient le besoin de chauffage « net » du batiment. La consommation de chauffage sera alors approchée en définissant un rendement pour l’installation de chauffage, qui tient compte de toutes les pertes thermiques liées à l’ensemble des équipements intervenant dans le chauffage, et éventuellement d’une sur-utilisation du chauffage. Cette notion de sur-utilisation du chauffage (la temp int dépasse alors les 20°C) est importante car elle dépend d’un grand nombre de facteurs, sur lesquels il est possible de contrôler plus ou moins la situation. Un principe de base est qu’il ne sert à rien de continuer à chauffer si les apports internes et solaires suffisent à atteindre une température int confortable. Evident à réaliser avec un poele bois, moins évident avec un plancher chauffant ... On peut aussi accepter une temp int égale à 16°C si la maison est inoccupée dans la journée, une temp int nocturne de 17 °C au lieu de 19°C par exemple... Les facteurs qui peuvent créer une sur-utilisation du chauffage sont nombreux : inertie des emetteurs de chauffage, apports solaires et effet serre, type de programmation et de régulation du chauffage, horaires d’occupation du batiment, besoin de confort des occupants suivant leurs activités ... Les paramètres que l’on peut faire varier dans les calculs de simulation thermique dynamique en saison hiver, pour optimiser le bâtiment et ses équipements :
  La surface des ouvertures par orientation, le coefficient d’isolation surfacique, et le facteur solaire des baies auront une influence importante à la fois sur les déperditions thermiques et les apports solaires bruts.
  Les effets des masques solaires - L’effet du mode de ventilation - Les effets de variantes constructives : isolation des parois, inertie des parois intérieures et extérieures. En résumé, pour la saison hiver, la simulation thermique dynamique sert principalement à optimiser le bilan énergétique du bâtiment, c’est-à-dire réduire au maximum les besoins nets et la consommation de chauffage. Les 2 axes de travail principaux sont les suivants : - Pour optimiser l’enveloppe, on se concentre sur les déperditions, le ratio apports solaires nets / déperditions, et le ratio besoin de chauffage net / déperditions. - Pour optimiser l’efficacité du système de chauffage, c’est-à-dire le rendement et la programmation- régulation, on se concentre sur les puissances requises, et leur distribution statistique dans le temps en fonction de la meteo. Enfin l’analyse horaire des températures intérieures permet d’évaluer le confort thermique en cas de chauffage intermittent. Les informations que l’on peut obtenir à partir des calculs de simulation thermique dynamique en saison ETE : Pour la saison été, la simulation thermique dynamique sert principalement à étudier les conditions de confort en saison chaude. Les paramètres observés sont principalement la température intérieure, et les apports solaires bruts dans les différentes zones thermiques. Les températures et les apports solaires sont observables heure par heure, sur une période de temps à définir. Les temp min, moyenne et max sur la période sont enregistrées sur chaque simulation, ainsi que le total des apports solaires bruts. Les autres paramètres observables sont le nombre d’heures d’inconfort (quand la tem int est > 28°C), et la répartition statistique des températures au cours de la période de simulation, pour chaque zone. La période de temps choisie pour la simulation peut etre une succession de journées de forte chaleur, ou un mois complet, par ex Juillet, pour observer l’évolution des températures à la fois lors des périodes de fortes chaleur et lors des épisodes moins chauds, après les passages d’orages par exemple. Au-delà des valeurs absolues des températures int et ext, on observe aussi l’évolution de ces températures intérieures dans le temps, c’est-à-dire l’inertie du batiment. Le batiment s’échauffe-t-il vite ou lentement, se refroidit-il vite ou lentement ? Forte inertie thermique n’est pas synonyme de bon confort en été, sauf pour les églises. L’inertie est une propriété du batiment qui peut aider, mais en aucun cas suffisante pour obtenir un bon confort dété. En fait au niveau des parois, c’est plutôt la combinaison inertie / isolation qu’il faut optimiser. Ensuite plusieurs autres paramètres doivent etre étudiés attentivement, en particulier le contrôle des apports solaires, la ventilation et les apports internes. Les paramètres que l’on peut faire varier dans les calculs de simulation thermique dynamique en saison été, pour définir à quelles conditions on obtient un bon confort d’été pour le bâtiment si il n’est pas refroidi activement (ou bien à quelles conditions on minimise les consommations énergétiques des équipements de refroidissement ou de climatisation) : A ce stade il faut bien comprendre que de même qu’en hiver, on travaille sur les critères du bioclimatisme, c’est-à-dire sur les méthodes passives, pour éviter que les parois et l’air intérieur du bâtiment ne s’echauffent trop. C’est-à-dire que l’on travaille à la source des sollicitations énergétiques, et non pas à atténuer les effets de ces sollicitations comme c’est le cas par un dispositif « actif » de climatisation par exemple. Comment un bâtiment peut-il se protéger « passivement » des sources de chaleur ?
  Il convient en premier lieu de définir et optimiser les fermetures et protections solaires des baies pour réduire autant que possible le rayonnement solaire transmis dans le bâtiment par ses ouvertures vitrées. Ce rayonnement est une source d’énergie très importante en été.
  Ensuite la qualité de la ventilation nocturne ou diurne quand il fait frais est un élément déterminant pour refroidir naturellement le bâtiment.
  L’isolation des parois et des ouvertures doit être importante pour réduire la transmission de chaleur de l’extérieur à l’intérieur du bâtiment (la surface des ouvertures est déterminante à cet égard).
  L’inertie des parois permet de stabiliser les températures intérieures. Les parois intérieures, dont les cloisons, et les matériaux situés du coté intérieur des murs auront de préférence une forte densité et une grande chaleur massique.
  L’environnement est déterminant : un plancher bas sur terre-plein ou sur cave, est un avantage, de même que les masques solaires produits par les arbres ou les bâtiments voisins. La végétation apporte de l’humidité et de l’ombre.
  Les couleurs des parements extérieurs, les parois ventilées ... - Les apports internes doivent être réduits au maximum. Tous ces paramètres ont leur importance et une simulation permet de quantifier l’impact des paramètres qui sont dans les mains du concepteur et du maitre d’ouvrage, en particulier les protections solaires, les solutions de ventilation, et les matériaux des parois.