Vers une nouvelle méthodologie de conception des bâtiments, basée sur leurs performances bioclimatiques

Toward a new method of buidling design, based on bioclimatic performances

• Auteur / Autrice : Lou Chesné
• Direction : Jean-Jacques Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energetique
• Date : Soutenance le 18/10/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jan Carmeliet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Roux, Jan Carmeliet, Christian Inard, Marjorie Musy, Gilles Rusaouën, Thierry Duforestel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Inard, Marjorie Musy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan thermique (thermique)

Habitations -- Conception et construction

Architecture et climat

Constructions

Mots clés libres

Bâtiment

Conception des bâtiments

Enveloppe de bâtiment

Conception bioclimatique

Performance bioclimatique

Ressource énergétique

Confort thermique

Building

External envelope

Building design

Bioclimatic design

Bioclimatic performance

Energy ressources

Thermal comfort

Résumé

Les règles et usages actuels de conception des bâtiments sont essentiellement basés sur la minimisation des déperditions thermiques, ce qui se traduit par la prédominance de l’isolation thermique comme solution d’enveloppe. Or cette logique n'est pas nécessairement la plus pertinente car des ressources énergétiques existent dans l'environnement, et leur apport mériterait d'être pris en considération. Certaines technologies bioclimatiques, et surtout solaires, existent déjà mais leur utilisation n'est pas du tout généralisée à cause d'un manque de repère sur leurs performances. Pour considérer la démarche bioclimatique, il est nécessaire de pouvoir évaluer à la fois la "qualité énergétique" de l'environnement, et l'aptitude des bâtiments à exploiter cet environnement. La méthodologie présentée dans cette thèse est basée sur le calcul d'indicateurs de performance bioclimatique issus de simulations numériques de bâtiments dans diverses conditions climatiques. La simulation permet de supprimer facilement une ressource pour pouvoir obtenir les besoins d'un bâtiment non impacté par la ressource. Ces besoins peuvent alors être comparés à chaque instant au potentiel de la ressource afin de déterminer un potentiel utile, valorisable par le bâtiment. Il est également possible de comparer les besoins du bâtiment dans la simulation sans et avec la ressource et d'en déduire la quantité d'énergie provenant de la ressource réellement utilisée par le bâtiment pour couvrir ses besoins. Un jeu d'indicateurs est ainsi défini pour toutes les ressources et tous les besoins d'un bâtiment, et adapté plus particulièrement aux besoins de confort thermique (chauffage et rafraîchissement) et à trois ressources de l'environnement (le soleil, la voûte céleste et l'air extérieur). Un cas d'étude est alors choisi pour appliquer cette méthode et les résultats sont analysés à l'échelle du bâtiment tout entier ainsi qu'à l'échelle de chaque paroi. Une première analyse globale, sur toute l'année, permet de fixer des points de repères sur l'état des ressources et l'exploitation qui en est faite par les bâtiments. Dans un second temps, les résultats instantanés sont analysés de manière dynamique, et montrent que ces nouveaux indicateurs permettent de bien caractériser le comportement d'un bâtiment dans son environnement. Enfin, les indicateurs sont utilisés dans une approche de conception des bâtiments, et plusieurs pistes sont explorées. Une étude paramétrique est tout d'abord menée et permet d'observer l'influence du niveau d'isolation sur les indicateurs de potentiel et de performance. Puis ces indicateurs sont utilisés pour évaluer la performance bioclimatique de solutions d'enveloppe solaires. Dans un troisième temps, une optimisation de l'enveloppe est menée selon deux critères : un critère classique de minimisation du besoin, mais également un critère bioclimatique de maximisation de l'exploitation du potentiel solaire.

With the current issues concerning the potential savings in the building sector, reducing building energy consumption is a key point. Up to now, efforts have been focused on insulation to separate the inner ambiance from the fluctuation of the outside air temperature. However, insulating a building from its environment deprives it from the renewable free energy sources which exchange with the envelope, either they are heating or cooling sources. Using the building envelope to exploit these resources is the very principle of the bioclimatic architecture. But bioclimatic systems have never been evaluated regarding the amount of available energy they could use, partly because the energy exchanges between the resources and the building have never been really qualified regarding to the building needs, neither quantified in terms of available energy capacity to meet these needs. The aim of this thesis is thus to propose a method to assess both: - the capacity of the environmental resources to cover the building needs, - the ability of the building to exploit the available energy resources. The method is mainly based on energy simulation and the basic data is a comparison of the behaviour of a building with and without a given environmental resource. The building energy needs without the resource can be compared to the resource potential and this comparison give the useful potential of the resource. Moreover, by comparing the building energy needs in the simulation with and without resource, we can get the amount of energy actually used by the building. From these two quantities, the useful and the exploited potential, a set of indicators can be defined and adapted to thermal comfort (heating and cooling needs) and three resources (sun, sky and air). The indicators are then applied to a study case and the results are analysed not only at the scale of the building, but also at the scale of each part of the envelope. A first analysis of the global results over the year is performed to get a first understanding of the state of the resources and the building performances. In a second step, the values are analysed at each time step, to characterize the behaviour of the building towards the environment. Finally, the indicators can be used to design buildings, in several ways. We performed a parametric analysis of the insulation level over the potential and performance indicators. Then, we used them to assess the bioclimatic performances of existing solar technologies. In a final step, the indicators have been used as criteria to optimize the building envelope parameters. Thus, the envelope parameters are optimized according to the minimization of the energy need, but also according to the maximization of the exploited potential.