Développement d’une méthodologie d’évaluation cohérente et intégrée de l’impact des choix de conception sur la qualité de l’air intérieur et les performances énergétiques et environnementales des bâtiments résidentiels

Development of a methodology for a consistent and integrated evaluation of the health, energy and environmental performance of residential building design solutions

• Auteur / Autrice : Alice Micolier
• Direction : Frédéric Bos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Perry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bos, Nicolas Perry, Bruno Peuportier, Enrico Benetto, Guido W. Sonnemann, Franck Taillandier, Olivier Jolliet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Peuportier, Enrico Benetto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air ambiant intérieur

Constructions

Air -- Qualité

Mots clés libres

Qualité de l'air intérieur

Analyse de cycle de vie

Modélisation agent

Conception de bâtiment

Performance énergétique

Building Information Modeling

Indoor air quality

Life cycle assessment

Agent-Based modeling

Building design

Energy performance

Building Information Modeling

Résumé

A l'heure où le secteur de la construction connaît une profonde transformation portée par des préoccupations énergétiques et environnementales, les solutions de conception proposées pour répondre à ces objectifs ne doivent pas compromettre la qualité de l’air intérieur (QAI). Malgré les risques majeurs de santé publique liés à celle-ci, des outils manquent aux acteurs de la conception pour juger de la performance des solutions de conception proposées en terme de QAI. Cette thèse vise à répondre à cet enjeu en proposant une méthodologie d’évaluation cohérente et intégrée des performances sanitaires, énergétiques et environnementales des solutions de conception. L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) a été identifiée comme pertinente pour intégrer dans un cadre méthodologique normé l’évaluation de la QAI à celle de la performance énergétique et environnementale à travers des métriques d’impacts communes.Afin de considérer au mieux les impacts générés par la pollution de l’air intérieur et les consommations énergétiques en phase opérationnelle du bâtiment, nous avons développé un modèle numérique couplant les transferts de chaleur et de masse dans l’enveloppe du bâtiment. Ce modèle permet d’évaluer l’émission des polluants depuis les matériaux de construction (inventaire) jusqu’à leur devenir dans les environnements intérieurs (transport) en fonction de la température. L’intégration de ce modèle à la méthodologie d’ACV nous a permis de quantifier l’impact de différents matériaux de construction sur l’environnement intérieur et extérieur du bâtiment et de les mettre en regard avec les impacts générés lors de leur production et fin de vie respective. Les résultats obtenus nous ont montré la sensibilité de ce modèle aux paramètres comportementaux.L’occupant a un rôle majeur dans la problématique de la QAI et sa prise en compte est un élément clé afin de quantifier l’exposition des occupants aux polluants intérieurs avec moins d’incertitudes. Nous avons développé un modèle agent simulant le comportement humain au sein des bâtiments résidentiels à l’aide d’une architecture cognitive avancée intégrant à la fois le comportement délibératif et social des occupants. Le couplage du modèle de transport des polluants et du modèle-agent de comportement humain nous a permis d’explorer au travers d’un cas d’étude dans quelle mesure l’exposition à la pollution intérieur est sensible au mode de vie des occupants et le comportement des occupants influe sur le devenir des polluants dans les environnements intérieurs. Ceci constitue une étape préliminaire pour estimer un intervalle de confiance des résultats de simulations, ouvrant ainsi la voie à un processus de garantie de performance en terme de QAI.

The construction sector is undergoing a profound transformation driven by energy and environmental concerns. The design solutions proposed to meet these objectives must not compromise indoor air quality (IAQ). Despite the major public health risks associated with this issue, design actors lack tools to assess the performance of the design solutions in terms of IAQ. This thesis aims to address this challenge by proposing a consistent and integrated methodology for evaluating the health, energy and environmental performance of building design solutions. Life Cycle Assessment (LCA) has been identified as a relevant methodology for integrating into a standardised methodological framework the evaluation of the building performance in terms of IAQ, energy and environment through common impact metrics.In order to better characterise the impacts generated by indoor air pollution and energy consumption during the operational phase of the building, we developed a numerical model coupling heat and mass transfers in the building envelope. This model evaluates the emission of pollutants from building materials (inventory) until their fate in indoor environments (transport) as a function of the temperature. The integration of this model into the LCA allowed us to quantify the impact of different construction materials on the indoor and outdoor environment of the building and to compare them with the impacts generated during their production and end of life phase. The results obtained show the sensitivity of this model to behaviour-driven parameters.The occupant has a major role in the problem of IAQ and its consideration is a key element to quantify occupants’ exposure to indoor pollutants with fewer uncertainties. We developed an agent-based model simulating human behaviour within residential buildings using an advanced cognitive architecture that integrates both the deliberative and social behaviour of occupants. By coupling the pollutant transport model with the human behavioural agent model, we explored to which extent the exposure to indoor pollution is sensitive to the occupants' lifestyle and the occupants' behaviour influences the fate of pollutants in indoor environments. This is a preliminary step in estimating a confidence interval of the simulation results, paving the way for a performance guarantee process in terms of IAQ.