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Outils d’aide à l’éco-conception des bâtimentsOutils d’aide à l’éco-conception des bâtiments
Bruno PEUPORTIER
MINES ParisTech – CES
Réunion plénière du réseau thématique« TIC & Environnement » (RT8)Jeudi 12 septembre 2013, Paris
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2
éco-conception des bâtimentséco-conception des bâtiments
Prendre en compte les aspects environnementaux
dans la conception et sur le cycle de vie d’un
produit
Préservation des ressources (énergie, eau,
matériaux, sol),
protection des écosystèmes, au niveau planétaire
(climat, ozone), régional (forêts, rivières…), local
(déchets ultimes, qualité de l’air…)
Liens environnement-santé
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3
La contribution du secteur du bâtimentLa contribution du secteur du bâtiment
45% de la consommation d‘énergie en France
consommation d‘eau : 165 litres/personne/jour, 25% du total net
occupation des sols (5% artificialisé), atteintes aux paysages…
utilisation de ressources naturelles (granulats, bois tropicaux…) :
jusqu’à plus d’une tonne par m2 construit
production de déchets :
- construction et démolition : 48 millions de tonnes / an
- ménagers : 28 millions de tonnes / an (1,2 kg/ha/jour)
40% des déchets radioactifs
pollution de l’eau (eaux usées, éco-toxicité, nappes phréatiques :
fondations), de l’air (importance de l’air intérieur), etc.
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4
Apport des TIC en phase de conceptionApport des TIC en phase de conception
Stratégie de prévention : coût moins élevé que la
correction de défauts
Importance des phases amont : urbanisme,
architecture, ingénierie, gestion
Simulation -> prévoir le comportement d’un
bâtiment avant sa construction -> possibilité
d’améliorer le projet
Comparaison de variantes, optimisation
Evaluation de nouvelles technologies
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5
Analyse de cycle de vieAnalyse de cycle de vie
Eviter le déplacement de pollution d’une étape à l’autre Longue durée de vie des bâtiments
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EQUER : simulation du cycle de vieEQUER : simulation du cycle de vie
Calcul par pas de temps d’un an
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7
Les frontières dépendent de l’objectif de l’étudeLes frontières dépendent de l’objectif de l’étude
Eviter les déplacements de pollution
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8
Exemple : Exemple : base Oekoinventare, Ecole Polytechnique de Zürichbase Oekoinventare, Ecole Polytechnique de Zürich
Laine minérale Manganèse
Minerai de Fer
Mousse dure PUR NaCl NaOH
Cd Cadmium m kg 1.26E-10 5.65E-11 1.98E-11 4.14E-10 1.11E-10 8.94E-11 Cd Cadmium p kg 1.96E-08 1.53E-08 1.15E-09 1.21E-08 3.61E-10 2.50E-09 Cd Cadmium s kg 2.08E-08 1.05E-07 3.40E-09 8.81E-07 1.03E-08 2.32E-08 CF4 p kg 1.70E-08 2.58E-07 1.21E-08 1.72E-07 5.31E-09 4.25E-08 CH3Br p kg 0 0 0 0 0 0 CH4 Methan m kg 9.74E-07 2.94E-06 6.66E-06 7.12E-06 3.51E-07 6.72E-07 CH4 Methan p kg 0.00379 0.00929 0.000246 0.00871 0.000196 0.00153 CH4 Methan s kg 1.41E-05 0.000116 3.25E-06 0.000176 4.88E-06 2.03E-05 CN Cyanide p kg 3.60E-16 1.73E-15 1.41E-16 2.80E-08 2.88E-15 2.39E-15 CN Cyanide s kg 1.56E-08 1.09E-08 9.56E-10 8.79E-09 2.24E-10 1.74E-09 Co Cobalt m kg 6.74E-10 4.63E-09 7.27E-09 4.89E-09 1.01E-10 7.58E-10 Co Cobalt p kg 1.56E-09 1.83E-09 3.06E-10 1.60E-09 6.12E-11 2.73E-10 Co Cobalt s kg 4.03E-08 6.38E-07 6.63E-09 1.17E-06 1.24E-08 1.05E-07 CO Kohlenmonoxid m kg 3.03E-05 7.73E-05 0.000139 0.000146 1.86E-05 2.50E-05 CO Kohlenmonoxid p kg 0.0747 0.000314 7.71E-05 0.00774 7.58E-06 3.54E-05 CO Kohlenmonoxid s kg 0.000453 0.00141 0.000126 0.00142 5.30E-05 0.000193 CO2 Kohlendioxid m kg 0.0135 0.0412 0.0647 0.0699 0.0073 0.0114 CO2 Kohlendioxid p kg 0.975 0.0342 0.00517 0.174 0.00161 0.00518 CO2 Kohlendioxid s kg 0.39 5.03 0.0591 4.91 0.0854 0.809 Cr Chrom m kg 5.32E-10 3.65E-09 5.74E-09 3.86E-09 7.99E-11 5.98E-10 Cr Chrom p kg 3.88E-08 1.77E-08 3.18E-09 1.77E-08 7.04E-10 2.98E-09 Cr Chrom s kg 2.76E-08 4.82E-07 4.51E-09 6.65E-07 1.14E-08 8.09E-08 Cu Kupfer m kg 1.15E-07 3.44E-07 5.10E-07 8.11E-07 6.36E-09 5.56E-08 Cu Kupfer p kg 1.11E-08 3.50E-08 1.64E-09 2.55E-08 8.37E-10 5.81E-09 Cu Kupfer s kg 1.02E-07 1.03E-06 2.88E-08 1.82E-06 2.28E-08 1.71E-07 Cycloalkane p kg 0 0 0 0 0 0 Dichlormethan p kg 1.27E-09 4.11E-09 5.54E-11 1.16E-07 2.68E-11 3.80E-06 Dichlormonofluormethan p kg 4.44E-08 3.17E-08 6.46E-09 3.07E-07 3.65E-08 5.43E-06
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Indicateurs, exemple : contribution au changement climatiqueIndicateurs, exemple : contribution au changement climatique
Potentiel de réchauffement globalPotentiel de réchauffement global propriétés optiques des gazpropriétés optiques des gaz équivalent COéquivalent CO22, sur une durée,100 ans, sur une durée,100 ans GWP100 = kg COGWP100 = kg CO22 + 25 x kg CH + 25 x kg CH44 + 300 x kg N + 300 x kg N22O O
+ + GWP GWPi i x kg CFC ou HCFCx kg CFC ou HCFCii
effet (potentiel) et non impact (réel)effet (potentiel) et non impact (réel)
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EQUER, exemple de comparaison de variantesEQUER, exemple de comparaison de variantes
Multi-critères -> éviter le déplacement de pollution
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Comparaison, réseau européen PRESCOComparaison, réseau européen PRESCO
Maison suisse FUTURAMaison suisse FUTURA, 210 m, 210 m22, ossature bois,, ossature bois,Chauffage gaz, 80 ansChauffage gaz, 80 ans
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Comparaison d’outils ACV européens, PRESCOComparaison d’outils ACV européens, PRESCO
Écarts +- 10% sur le cycle de vieCf. http://www.etn-presco.net/
tons CO2 eq.
0100200300400500600700
wood, end of life
wood, operation
wood, construction
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Bâtiment HLM à Montreuil (93)Bâtiment HLM à Montreuil (93)
Besoins de chauffage : Besoins de chauffage : 160 kWh/m160 kWh/m22/an/anavant travauxavant travaux-> 85 kWh/m-> 85 kWh/m22/an après/an après
52 logements52 logementsConstruction : Construction : 1969, non isolé, 1969, non isolé, simple vitragesimple vitrage
Isolation, fenêtres, Isolation, fenêtres, balcons vitrésbalcons vitrés
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14
Résultats de l’analyse de cycle de vie, outil EQUERRésultats de l’analyse de cycle de vie, outil EQUER
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
GJENERGY
m3WATER
E-9RESOUR.
t eqWASTE
dm3RADWASTE
t CO2GWP100
kg SO2ACIDIF.
kg PO4EUTROP.
m3ECOTOX-W
kgO3-SMOG
Mm3ODOUR
Montreuil before
Montreuil reno
Montreuil euro
Montreuil wood
EQUERBuilding life cycle simulation tool
Réduction de 50% des émissions de CO2
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Extension de l’ACV à l’échelle du quartierExtension de l’ACV à l’échelle du quartier
Énergie >0 Basse énergie Cité Descartes
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16
Simulation énergétiqueSimulation énergétique
Progresser vers des bâtiments à énergie positive,
améliorer le niveau de confort thermique
analyse en dynamique (captage, stockage et
distribution de l’énergie) -> simulation
structuration en objets, ajout de nouveaux
composants (PV, solaire thermique, éclairage…)
simplicité d’utilisation, description d ’un projet et
comparaison de variantes -> élaboration d’une
interface avec un éditeur
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Modélisation et algorithmeModélisation et algorithme
C . dT /dt = A . T + E . UY = J . T + G . U
T = To - A-1 . E . U (To = partie dynamique -> petites constantes de temps dans le régime permanent)
Réduction de modèle -> faible temps de calcul
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Influence de la réduction modaleInfluence de la réduction modale
10
15
20
25
30
35
40
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
heures
tem
pé
ratu
res
(°C
)
T non réduit T 3 modes T 1mode
Il faut au moins 3 constantes de temps, parfois davantage
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Comparaison sur des maisons basse énergieComparaison sur des maisons basse énergie
Comparaison sur les besoins de chauffage et les puissances maximales, A. Brun et al.
Plate forme INCAS, INES (Chambéry)maisons « passives »
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20
Comparaison aux mesuresComparaison aux mesures
Incertitudes sur de nombreux paramètresProblème lors des pics de température, idem Energy+
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Interface utilisateurs, modeleur graphique ALCYONEInterface utilisateurs, modeleur graphique ALCYONE
Quelques journées de travail pour un projetIntérêt : comparaison de variantesTravail dès l’esquisse
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Chaînage à un calcul d’éclairage (Paclight puis Radiance)Chaînage à un calcul d’éclairage (Paclight puis Radiance)
Mailleur automatique
Entrées radiance
Choix des paramètres
(nombre de rebonds…)
Sorties radiance ->Besoins éclairage artificiel -> apports internes
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Simulation aéraulique, modèle similaire à CONTAMSimulation aéraulique, modèle similaire à CONTAM
Mesures sur une maison à énergie positive à Verrières (VELUX)Comparaison des débits et des températures calculés et mesurés
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24
Bâtiments à énergie positiveBâtiments à énergie positive
Maison ZEN 2 à Chambéry70 m2 de modules PVPAC 6 kW
Étude couplage PAC + PV via un stockageRégulation
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Echangeurs air / sol (« puits canadiens »)Echangeurs air / sol (« puits canadiens »)
Maison de retraite àPresles (95), 2004Salle de 240 m2
8 tubes de 40 m de long à 1,6 m de profondeur0,9 (hiver) à 1,5 (été) vol/h150 -> 30 degrés joursd’inconfort (base 24°C)
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Optimisation, algorithmes génétiquesOptimisation, algorithmes génétiques
Réhabilitation d’un parc de bâtiments
2 Chromosomes : 1 mesures (gènes = isolation, vitrage,
ventilation, équipement), 2 phases (5ans, 10 ans…)
Population de départ, calcul performances (chauffage, coût, DH
inconfort), croisements -> nouvelle population, sélection des
meilleurs individus -> 100 générations, front de Pareto
Actions sur les pointeurs de la structure objets puis lancement de chaque simulation
120
140
160
180
200
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
Investment cost [k€]
Cu
mu
late
d p
rim
ary
ener
gy
con
sum
pti
on
[kW
h/m
2 .an
]
Generation 1
Generation 10
Generation 20
Generation 30
Generation 40
Generation 50
Generation 60
Generation 70
Generation80
Generation 90
Generation 100
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27
Régulation par programmation dynamiqueRégulation par programmation dynamique
Équation de Bellman
Exemple : effacement des pointes
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Identification de modèles, diagnosticIdentification de modèles, diagnostic
Comparaison modèle identifié par Matlab et profil initial
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29
ConclusionsConclusions
Outils opérationnels, adaptés aux pratiques professionnelles
(BET, Architectes…)
Ex. COMFIE 2500 licences actives, formations
Chaire ParisTech-VINCI Eco-conception des ensembles bâtis
et des infrastructures
En perspective : gestion des bâtiments, utilisation de la
simulation sur le cloud pour du contrôle prédictif (prévisions
météo), garantie de performance (incertitudes), échanges
d’énergie entre bâtiments, liens avec le réseau (smart grid)
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Merci de votre attention