L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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Villes et Bâtiments Durables (VBD)
Edition 2013


MERUBBI


Méthodes d'exploitation des ressources utiles du bâtiment bioclimatique dans son îlot

Une nouvelle plateforme de conception bioclimatique pour l'intégration optimale d'un bâtiment neuf dans son îlot
La modélisation énergétique des espaces bâtis (villes et bâtiments) est à la croisée des chemins : un bâtiment performant, très sensible aux détails de son environnement, ne peut être conçu qu'en tenant compte de son voisinage (îlot, microclimat local); les îlots, quartiers et villes ne peuvent être évalués et rénovés qu'en tenant compte de la réalité énergétique de chaque bâtiment qui les constitue. Tout cela converge vers une échelle commune de conception et de modélisation : l'îlot.

Réussir la densification des espaces urbanisés en étudiant les impacts mutuels des bâtiments à implanter et des îlots existants
Améliorer la performance énergétique des bâtiments pris isolément et cesser l’étalement urbain en densifiant les zones déjà construites sont deux objectifs identifiés pour diminuer la part du bâtiment dans la consommation énergétique des pays développés et son impact sur l’environnement. Mais ces deux objectifs peuvent parfois se révéler contradictoires : en effet un bâtiment très performant fait un usage important des ressources énergétiques de son environnement qui deviennent de moins en moins accessibles lorsque la densité de construction dans son voisinage s’accroit. Il y a donc un véritable enjeu à tenter de concilier la performance énergétique d’un bâtiment neuf implanté dans un îlot existant et la performance de l’îlot après cette implantation en tenant compte du véritable contexte climatique local qui est souvent sans rapport avec celui des stations météo toujours situées loin de toute construction. Des briques logicielles permettent de modéliser tous les éléments de cet ensemble et des outils d’optimisation pourraient permettre de gérer un problème de conception à cette échelle. L’objectif du projet est d’assembler tous ces éléments dans une plateforme de recherche ouverte, donc évolutive, permettant de mener ce travail de conception en y intégrant en outre une dimension bioclimatique (usage maximal des ressources de l’environnement), une dimension économique et une dimension réglementaire.

Assembler les briques logicielles pour simuler le bâtiment neuf dans son îlot en une plateforme de recherche et la tester sur des cas d'étude concrets
La construction de la plate-forme MERUBBI ne peut pas se concevoir a priori comme un simple assemblage de briques logicielles existantes. D’une part parce que certaines briques n’ont pas été conçues pour fonctionner les unes avec les autres, il faudra donc consentir certains développements pour des raisons purement pratiques et non physiques. D’autre part, parce qu’il faut trouver à cette échelle une forme d’homogénéité ou du moins de pertinence dans les niveaux de représentation des différents objets. De plus, les contraintes physiques et pratiques (capacité des ordinateurs, temps de calcul que l’on peut consentir) peuvent amener également à des exigences de simplification et donc à la modification des outils existants. Cependant, le parti-pris méthodologique pour ce projet est de s’approcher au maximum d’un simple assemblage afin de pouvoir le tester rapidement et de se mettre dans une boucle d’amélioration constante guidée essentiellement par l’usage des différentes versions de la plateforme. Ce travail sera mené sur la base de 3 bâtiments neufs à implanter (maison individuelle, immeuble collectif, bâtiment tertiaire de bureaux) et dans chaque cas trois types d’environnements (d’îlots) seront considérés (îlot nu qui constitue la pratique actuelle et aussi le cas de référence, un îlot moyennement dense et un îlot très dense). Afin de varier les exemples, les îlots seront choisis en fonction des bâtiments à implanter, avec des contextes climatiques différents. Les éléments principaux de la plate-forme vont permettre de construire une scène 3D à partir d'un plan d'architecte, d'identifier les bâtiments de la scène 3D, de déterminer le micro-climat local (flux solaire local, températures), de réaliser une simulation dynamique adaptée à l'îlot à partir des données issues des scènes 3D, et de réaliser un calcul économique et réglementaire. Ces différents éléments vont servir à l'optimisation de la conception architecturale du bâtiment neuf à implanter dans son îlot.

Résultats

Trois cas d'étude réels (Paris, Strasbourg, Nantes) ont été choisis avec trois niveaux de densité de l’îlot, et servent de support au déploiement de la méthodologie. L’architecture des bâtiments à intégrer dans les îlots a été définie dans le cadre d’un Master réalisé à l’ENSAV. Le traitement des plans cadastraux et données topographiques a permis de bâtir les maquettes numériques 3D des bâtiments et îlots. Ces maquettes sont le premier format d’échange entre métiers dans le cadre du projet.
Une démarche automatisée permettant de passer d’une maquette 3D de bâtiment à la simulation énergétique détaillée et dynamique a été mise en place : un fichier d’échange XML a pour cela été défini, permettant de partager les données des bâtiments de l’îlot ainsi que les valeurs des flux solaires, calculés précisément pour refléter le micro-climat local. Ce fichier est ensuite interprété pour mettre en place automatiquement un modèle Modelica de bâtiment, prêt à simuler. L’évaluation réglementaire est elle-aussi réalisée automatiquement. L’évaluation économique des différents cas est réalisée par l’intermédiaire d’un logiciel métier intégrant cette fonctionnalité. La conception de la plate-forme MERUBBI se basant sur ces briques métiers a été amorcée via définition des entrées, sorties et fonctions de chaque élément.
En termes de dissémination des résultats, le site web du projet a été lancé en début de projet. Afin de mieux comprendre le processus de conception architecturale en liaison avec les outils de modélisation, un projet sur un semestre en cycle Master a été organisé par l’ENSAV. Il apparaît que la modélisation énergétique doit intervenir très en amont de la conception si on aspire à une optimisation morphologique. Les travaux des étudiants ont été présentés publiquement à l’ENSAV. Les enjeux de la modélisation à l’échelle de l’îlot et les travaux du consortium ont également été présentés lors de la journée thématique IBPSA « Des quartiers à la ville » en mai 2015.

Perspectives

Une solution technique a été mise en place pour faire le lien entre maquette 3D réalisée par les architectes du projet, et simulation dynamique 0D des bâtiments, dans un esprit « BIM » de travail collaboratif entre métiers. Les données nécessaires aux acteurs de cette chaîne ont été mises en place selon des formats standards ou usuellement exploités (maquette 3D SketchUp, fichier d‘échange XML). L’intégration du micro-climat local à la simulation énergétique est un pas en avant pour la modélisation à l’échelle de l’îlot.
L’exposé public à l’occasion de la journée IBPSA du 26 mai a permis de partager l’expérience des partenaires sur les sujets touchant au projet, et de démontrer l’appropriation par les élèves architectes des problématiques énergétiques dans la conception du bâtiment.

Productions scientifiques et brevets

Les résultats du projet ont été présentés à l'occasion de plusieurs congrès scientifiques :
* IBPSA (International Building Performance and Simulation Association - mai 2015)
* JNES (Journées Nationales de l'Energie Solaire - juin 2015)
* ICUC (International Conference on Urban Climatology - juillet 2015)

Partenaires

BETEM BETEM

UMR 1563 - CERMA CNRS DR17

CEA/INES Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives/INES

ENSAS UMR AMUP ENSAS-INSA Ecole nationale supérieure d'architecture de Strasbourg

ENSAV LEAV Ecole nationale supérieure d'architecture de Versailles

EDF R&D Electricité de France

TPE

HPC-SA HIGH PERFORMACE COMPUTING SIMULATION ACCELERATION

INSA de Lyon - CETHIL Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - Centre de Thermique de l'INSA de Lyon

Aide de l'ANR 905 660 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

L’objectif principal du projet MERUBBI est le développement d’une méthodologie de conception des bâtiments neufs, adaptée aux exigences des concepteurs et destinée à intégrer de façon raisonnée la question de l’exploitation des ressources utiles de l’environnement. Il s’agit de combiner de façon optimale les vertus des principes d’isolation et des principes bioclimatiques pour préfigurer des compositions de BEPOS qui vont au-delà d’un BBC complété par du photovoltaïque. Les ressources de l’environnement concernées sont le soleil, la voûte céleste et l’air extérieur. La méthodologie tient compte de la dimension urbaine en traitant le cas de l’insertion du bâtiment à concevoir dans son îlot. Elle doit permettre d’estimer l’impact des bâtiments environnants sur le bâtiment à concevoir et inversement, l’impact du nouveau bâtiment sur ceux qui l’entourent. Elle s’appuie sur des méthodes d’optimisation multicritères prenant en compte les dimensions énergétique, économique et réglementaire. Les simulations énergétiques intègrent le microclimat urbain ainsi qu’une description détaillée des échanges radiatifs (courtes et grandes longueurs d’onde) entre chaque bâtiment et son environnement. L’ensemble doit être compilé dans une plateforme de modélisation destinée à un grand nombre d’utilisateurs (aménageurs, concepteurs, architectes, collectivités locales, …), mais dont la première version constituera une plateforme de recherche ouverte, complète et durable, réservée à des utilisateurs experts.
A ce titre, le projet MERUBBI veut contribuer à la convergence de deux voies actuelles de recherche : une voie issue de la R&D bâtiment qui constate que l’évaluation énergétique précise d’un bâtiment performant ne peut se faire que dans son environnement réel ; une voie issue de l’énergétique urbaine qui se satisfait de moins en moins d’une description des bâtiments par ratios de consommation et souhaite y intégrer une dimension technique plus réaliste.
Le consortium réunit des équipes de R&D amont permettant d’adapter et de fournir les différentes briques logicielles constituant la plateforme à développer (EDF R&D, CEA INES, CERMA et CETHIL), des écoles d’architecture qui peuvent orienter et tester les développements, puis en évaluer l’impact dans un processus de conception (ENSAS, ENSAV), un bureau d’étude en énergétique du bâtiment, acteur de terrain, avec une vue économique et réglementaire sur le sujet (BETEM) et une PME qui a fait ses preuves dans le développement d’outils de modélisation pointus, performants et conformes aux attentes des concepteurs de bâtiments (HPC-SA).

 

Programme ANR : Villes et Bâtiments Durables (VBD) 2013

Référence projet : ANR-13-VBDU-0007

Coordinateur du projet :
Monsieur Mathieu Schumann (Electricité de France)

Site internet du projet : http://anr-merubbi.fr/

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.