Quels outils utiliser pour la conception de bâtiments performants ? Zoom sur la simulation thermique dynamique

Cet article apporte trois éclairages indépendants autour de la simulation thermique dynamique. Pour une lecture rapide, il est possible de se reporter à la rubrique qui vous intéresse en cliquant sur les liens suivants :

  • La simulation thermique dynamique comme pivot de la conception d’un bâtiment tertiaire performant
  • TRNSYS ou Pléiades-Comfie ? Comparaison des deux principaux logiciels disponibles en France.
  • Simulation et garantie de résultat : Analyse critique des limites d’utilisation

Les journées de la performance énergétique organisées par le Moniteur et l’Ademe ont mis l’accent sur les mutations profondes que rencontrent les métiers du bâtiment.

A ce titre, les échanges avec les confrères présents se sont révélés être un complément très instructif aux présentations. En effet, le partage des difficultés rencontrées montre que notre métier évolue très rapidement : multiplications des outils de conception, nouvelles réglementations et apparition de concepts innovants comme, par exemple, la garantie de résultat.

Comment ne pas être dépassé, voir submergé par toutes ces notions nouvelles ?

Nous vivons une phase de transition car il faut réaliser des bâtiments performants alors que les règles existantes sont dépassées. Cela est patent dans les présentations des intervenants qui expérimentent, constatent et rectifient des règles de conception nouvelles sur la base de leurs premières réalisations. Ils n’ont d’ailleurs pas honte à avouer qu’ils n’ont pas réponse à tout ! L’objet de cet article est donc de contribuer au débat en apportant un témoignage à travers quelques exemples « maison » sélectionnés pour leurs côtés originaux et parce qu’ils ont servit de support à nos propres expérimentations. En espérant qu’ils contribuent à la réflexion collective, nous vous proposons d’échanger via notre adresse mail: contactatbe-vivien [dot] fr.

 

 

La simulation thermique dynamique comme pivot de la conception : 
Illustration à travers CAP OUEST à St Médard-en-Jalles :


Perspective 3D de CAP OUEST

Combiner une crèche, des salles de réunion et des locaux associatifs dans un bâtiment basse consommation, est le défi relevé avec succès par la mairie de St Médard-en-Jalles avec Cap Ouest.

Alliant systèmes performants à une enveloppe fortement isolée, cette réhabilitation d’un hypermarché abandonné est avant tout un défi architectural compte tenu de l’absence initiale d’ouvertures sur l’extérieur.


Perspective 3D de CAP OUEST

La mise à profit de la nappe phréatique pour le chauffage et le rafraichissement des 1 940m² de locaux a nécessité une optimisation poussée des besoins énergétiques. En effet, l’exploitation de cette ressource est fortement réglementée de manière à ne pas bouleverser l’équilibre naturel.

En répondant aux multiples interrogations soulevées par la conception de ce projet, la simulation thermique dynamique s’est présentée comme un puissant outil d’investigation dans la recherche de la performance énergétique..

- Faut-il climatiser ?

Cette question peut être reformulée de manière plus complète : « Le confort d’été est-il suffisant compte tenu du standard de qualité visé par le bâtiment ?». En effet, à même conditions climatiques intérieures, la réponse est différente selon que l’on traite un hôtel de luxe, un hôpital ou des bureaux. La réponse au corolaire « Quelle limite adopter pour caractériser le confort ? » est donc primordiale dans l’évaluation du confort.

A défaut d’indications réglementaires sur le sujet, nous utilisons généralement la limite fixe de 26°C ou 28°C associée à un nombre d'heures de dépassement. Cependant, 30 heures à 29°C ont-elles le même impact sur le confort que 30 heures à 35°C ? La température intérieure de 26°C procure-t-elle le même ressenti aux températures extérieures de 22°C et 34°C ? Par l'utilisation de ce critère on conclurait que oui.

Fournir une réponse détaillée à ces questions dépasse largement le cadre de cet article. Pour en savoir plus, il est possible de se référer à la norme NF EN 15251 datant d’août 2007. En bref, le texte différencie les bâtiments selon qu’ils sont climatisés ou pas et fournit pour chaque catégorie un critère différent d’évaluation.


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Pour revenir au projet, le graphique à gauche illustre, en l’absence de climatisation, un fort inconfort estival dans l’ensemble du bâtiment. Il est particulièrement marqué dans les zones 6, 8 et 9 correspondant à la salle informatique et aux locaux de réunions. Pour simplifier la lecture, nous avons conservé la valeur fixe de 28°C comme limite de confort.


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Comment améliorer le confort sans recourir à une climatisation ? En réduisant les apports externes et internes. Alors que l’intérêt de la mise en place des stores extérieurs est bien connu, l’effet de la réduction des dégagements de chaleur par la bureautique est souvent sous-estimé. Le graphique de gauche montre l’effet du remplacement des PC fixes+écran par des unités portables.

Malgré l’optimisation des apports de chaleur et le recours au free-cooling (profiter de la fraicheur de l’air extérieur) l’obtention d’un confort satisfaisant nécessite l’installation d’un système de rafraichissement.

- Quelle dérive de température avec une PAC sous-dimensionnée ?

La puissance de climatisation installée par un calcul des charges, même précis, est très supérieure à celle qui est réellement nécessaire. Dans le cadre d’une climatisation de confort, il serait possible de sous-dimensionner le groupe frigorifique de manière à réduire le coût d’investissement (le kW froid est particulièrement cher), à limiter l’exploitation de la nappe phréatique et à optimiser le E.E.R par un fonctionnement plus long à pleine charge. Avec un dimensionnement à 80% de la puissance, nous obtenons un excellent confort dans l’ensemble des zones à l’exception de la salle informatique et des locaux de réunion.

- Et si on faisait du géo-cooling ?

Le géo-cooling correspond à l’utilisation de la nappe phréatique uniquement via un échangeur thermique (sans recourir à la PAC). Le rendement d’un tel système est excellent car l’énergie consommée est uniquement celle des auxiliaires de pompage. A première vue, la puissance disponible sur le site est de 35 kW. De plus, couplée à un plancher rafraichissant, la température élevée de l’eau de nappe (à 14-15C) optimise l’émission de froid par suppression de la condensation de l’air refroidi. Ainsi le géo-cooling pourrait remplacer complètement la PAC !


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Le graphique ci-contre montre que malgré une nette amélioration du confort, le géo-cooling seul n’est pas suffisant. Cela provient du couplage au plancher rafraichissant : ce système peut émettre une puissance directement proportionnelle à la surface. Cependant, la salle informatique et les locaux de réunion présentent des apports internes élevés alors que ce sont les pièces les plus petites du bâtiment.

Il y a inadéquation de l’offre globale et des possibilités de répartition !

Le système optimal finalement retenu consiste à coupler pompe à chaleur/CTA, géo-cooling/plancher rafraichissant et free-cooling. Il permet d’assurer le confort en fonctionnement normal du bâtiment et de limiter les dérives lors de conditions extraordinaires (canicule, occupation intense…).

En conclusion, ce projet est particulièrement représentatif des possibilités offertes par la simulation thermique dynamique dans l’optimisation des bâtiments performants. A noter qu’un suivi instrumenté, rendu possible par les subventions de l’ADEME (projet lauréat), va permettre de quantifier précisément l’efficacité et le rendement de ces systèmes ainsi que leur couplage.

TRNSYS ou Pléiades / Comfie ?
llustration à travers le chai du Domaine de Chevalier :

Le chai désigne l’entrepôt où le vin est stocké, avant d’être commercialisé. C’est un local où l’activité peut être assimilée à un process mais c’est aussi la vitrine commerciale de nombreux grands crus, dont le Domaine de Chevalier (Pessac-Léognan). La vue en plan suivante permet de se faire une idée du bâtiment long de 70 m et pouvant contenir 1 400 000 bouteilles !


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Travailler un produit du terroir doit sensibiliser à l’urgence écologique puisque le Maître d’Ouvrage a souhaité proscrire tout recours à une climatisation traditionnelle. Cependant, les conditions climatiques intérieures à maintenir n’en sont pas moins draconiennes car la température de la zone de stockage ne peut dépasser 21°C plus d’une semaine ! Notre mission a donc consisté à évaluer toutes les solutions d’optimisation de l’enveloppe de manière à éviter, si possible, l’installation d’une climatisation.

Comment procéder dans un tel cas ? Le savoir empirique fait défaut et le bâtiment ne peut être assimilé à un logement ou à des bureaux. La simulation thermique dynamique s’impose. Pour cela, nous possédons une grande quantité de logiciels dont les plus répandus en France sont TRNSYS et Pléiades Comfie. En menant l’étude en parallèle sur les deux logiciels nous avons essayé de savoir lequel choisir.

Une première saisie de l’enveloppe fournit des résultats sans appels: avec une température moyenne proche des 25-26°C, la climatisation est inéluctable. Cependant, nous n’avons pas pris en compte l’inertie apportée par les bouteilles soit une masse d’approximativement 1 400 tonnes !

Comment la modéliser sur les différents logiciels sachant que le stock de vin varie considérablement au cours de l’année ?

- TRNSYS mieux adapté

La réponse est simple pour Pléiades-Comfie car c’est impossible. A l’inverse, et non sans mal, nous y sommes arrivés sur TRNSYS. L’échec du premier et le succès du second s’expliquent simplement : Pléiades-Comfie est un logiciel dit “fermé” car seul le créateur peut le modifier. Ses limites correspondent donc aux cas de figure qu’il aura prévu. A l’inverse, tout utilisateur de TRNSYS peut créer des fragments de codes correspondants à des fonctionnalités. Les possibilités du logiciel sont donc théoriquement infinies à ceci près que le développement de “modèles” nouveaux s’apparente à de la recherche universitaire. Néanmoins, compte tenu de la grande quantité de développeurs, la bibliothèque s’incrémente régulièrement et suffit amplement pour un usage de bureau d’études, même sur des projets originaux.

- Faut-il pour autant abandonner Pléiades-Comfie ?

Au vu des dernières évolutions du logiciel, la réponse est clairement négative. En termes de simulation, il est largement suffisant pour la grande majorité des projets avec une saisie plus aisée et rapide que TRNSYS. De plus, l’éditeur a développé plusieurs modules qui, chaînés à Pléiades, permettent notamment de réaliser un calcul réglementaire 2012, les déperditions et un bilan environnemental du projet à partir d’une seule saisie !

En conclusion, les deux outils sont complémentaires : Pléiades-Comfie, simple et intuitif, est plus adapté à la majorité des projets alors que TRNSYS, puissant et illimité, est destiné à des cas de figures très innovants ou originaux.

Un dernier mot sur le projet : Au niveau enveloppe, l’isolation des murs/toiture a été renforcée alors que celle du plancher sur terre-plein supprimée. Cette solution n’a rien d’évident et va à l’encontre des pratiques habituelles qui consistent à isoler un maximum. Dans ce cas, le bâtiment n’étant pas chauffé, il n’est pas soumis à la réglementation thermique.

Malgré ces optimisations et le recours au free-cooling (ventiler beaucoup lorsque l’air extérieur est frais) les 21°C étaient dépassés trop souvent. Cependant, compte tenu du gain considérable réalisé, il a été possible d’opter pour un rafraichissement adiabatique (par pulvérisation d’eau). En plus d’être économe, cette solution convient parfaitement à la situation car elle augmente le taux d’humidité ambiant améliorant ainsi les conditions de stockage du vin !

STD et garantie de résultat ?
Réflexion sur la base du projet de rénovation d’un open-space :

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Avec une isolation renforcée et une enveloppe étanche, les nouvelles constructions se comportent comme de véritables bouteilles thermos. Cet effet est d’ailleurs recherché en hiver car il réduit les besoins de chauffage. En été, il est source de surchauffes qui peuvent rendre le bâtiment impropre à son utilisation. L’isolation de ces bureaux en est l’illustration parfaite.

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L’impossibilité d’augmenter la puissance électrique du site a motivé le maître d’ouvrage à nous confier une mission, consistant à trouver des solutions pour améliorer le confort d’été sans recours à une climatisation par compression électrique.

L’originalité de l’étude est que le modèle numérique établi par simulation thermique dynamique (TRNSYS) a été calé par confrontation avec le relevé de l’évolution réelle de la température dans l’open-space. Un travail riche en enseignements !

- Il est possible de faire converger théorie et pratique !

Malgré un suivi instrumenté précis et l’achat des données météorologiques à Météo France, le graphique suivant présente deux courbes (simulation et relevés) qui semblent provenir de bâtiments distincts. Et pourtant c’est bien de l’open-space qu’il s’agit dans les deux cas! Comment expliquer ces écarts?

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Ils proviennent principalement de la mauvaise prise en compte de deux paramètres jouant un rôle fondamental dans les surchauffes : la ventilation et le fonctionnement de la bureautique. Alors que le débit de ventilation ne peut être connu avec certitude car il dépend de l’ouverture des fenêtres, les ordinateurs sont contrôlés de manière centralisée via un réseau d’entreprise.

En réévaluant les hypothèses pour le premier et en consultant le service informatique du site, il a été possible d’approcher beaucoup plus finement la réalité comme l’illustre le graphique ci-contre.

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Au degré près, on constate une bonne superposition des courbes et les quelques “décrochages” sont aisément explicables. Ce travail montre donc que lorsque les hypothèses sont bien maîtrisées, la simulation thermique dynamique fournit un résultat très proche du suivi instrumenté.

Peut-on alors considérer que c’est un outil de prédiction suffisamment efficace pour être appliqué à un contrat de type garantie de résultat ?

- La STD est très précise pourvu qu’on connaisse exactement le fonctionnement du bâtiment…

La réponse est différente selon le niveau de performance du bâtiment. Dans une construction très énergivore et de grande taille, l’économie escomptée par l’amélioration énergétique est suffisante pour se contenter d’une erreur grossière. Par contre, l’abaissement de la consommation est moindre alors que l’investissement est plus élevé lorsque l’état initial est performant. Dans ce cas, le maître d’ouvrage n’acceptera surement pas de consommer 80 kWh/(m².an) au lieu de 50 kWh/(m².an).

On comprend grâce aux explications précédentes que la viabilité de la STD dans le cadre de la garantie de résultat dépend principalement de l’erreur de la prévision. Peut-elle être réduite à des proportions acceptables, par exemple inférieure aux 10 % souvent évoqués ? En se basant sur les logiciels existants, nous pouvons affirmer que l’erreur de prévision peut être abaissée à 0 %...si l’ensemble des paramètres ayant un impact thermique sont connus avec une précision de 100% !

Pour revenir à l’exemple, il faut noter que la bonne correspondance finale entre les courbes de température est le fruit d’un travail colossal rendu possible par les petites dimensions du projet. Reproduire la démarche sur un bâtiment complet est aussi titanesque qu’inutile. Le coût de l’étude va éclipser les économies escomptées alors que la précision du résultat va rester décevante. En effet, le comportement des occupants et le climat, souvent incriminés, sont loin d’être les seuls paramètres d’incertitude: la qualité du bâti, le rendement réel des installations thermiques, le débit de ventilation, l’incertitude des mesures du suivi instrumenté...ne seront jamais connus avec une erreur inférieure à 10 %.

En première approche, nous pouvons considérer que pour des bâtiments performants, l’erreur minimale de l’estimation est d’environ 20-30 %. Ce résultat se retrouve dans des travaux similaires réalisés par d’autres bureaux d’études. La STD n’est donc pas adaptée pour prévoir les consommations dans le cadre d’une garantie de résultat.

- Un dernier mot sur le projet et l’apport de la STD

Celle-ci a mis en avant les rôles prépondérants de la bureautique et de la ventilation dans l’état des lieux mais elle a surtout servi à estimer l’intérêt des solutions d’amélioration du confort suivantes : optimisation du bâti, free-cooling, puits climatique horizontal à air, puits climatique horizontal à eau et puits climatique vertical sur nappe phréatique.

Ces systèmes innovants sont de bons exemples montrant qu’il faut toujours prendre du recul sur les résultats. En effet, il est nettement plus facile de saisir la surface de tubes enterrés sur TRNSYS que sur site ! Moins évident, le puits sur nappe phréatique est, au niveau simulation, le système le plus performant. Cependant, il faut savoir que l’eau de nappe est à 14°C et pas 7°C, ne pas oublier les 2 échangeurs qui la sépare de l’air soufflé, vérifier que le débit puisé est autorisé…Une connaissance technique approfondie des systèmes modélisés est donc indispensable.

Pour finir, la solution technique finalement retenue consiste à coupler le free-cooling des locaux à la suppression des apports de chaleur liés à la bureautique (délocalisation des ordinateurs dans un local serveur).