Exndo Simulations Et Architecture

Simulations numériques & ArchitectureArchitecture

EAS ‐ 30 mars 2009

Thomas Jusselme / exNdo ‐ ingénierie d’éco‐conception ‐ 04 78 39 44 28 ‐ www.exndo.com

Sommaire

1. Définition & Historique2 Mé h d l i2. Méthodologie3. Applications4. Exemple5. Limites & Conclusion


DéfinitionDéfinition


Définition

Si l ti é iSimulation numériqueLa simulation est un outil (objet utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son ( j p gefficacité naturelle), utilisé entre autre par l'ingénieur (dont le métier consiste à résoudre des problèmes de nature technologique). Elle permet d’étudier les résultats d'une action sur un élément sans réaliser l'expérience sur l'élément réel.

Sans prétendre à une description exhaustive, on peut dire que les simulations numériques peuvent permettre de comprendre, prédire ou concevoir.

Le moyen le plus simple serait de tenter l'expérience, c'est‐à‐dire d'exercer l'action souhaitée sur l'élément en cause pour observer ou mesurer le résultat. Dans de

b l' é i i é li bl hè i à l'é hi Onombreux cas l'expérience est irréalisable, trop chère ou contraire à l'éthique. On a alors recours à la simulation : rechercher un élément qui réagit d'une manière semblable à celui que l'on veut étudier et qui permettra de déduire les résultats.


Source : techno‐science.net

HistoriqueHistorique


Historique

1945 N i1945 : NaissanceLa simulation informatique est apparue en même temps que l'informatique pour les q pp p q q pbesoins du projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale, afin de modéliser le processus de détonation nucléaire (première bombe A de l'histoire en 1945)


Historique

1980’ RT881980’s : RT88

Apparition de la RT88 avec le premier outil de calcul réglementaire (bilans mensuels)

Années 70 : premières réalisations solaires contre‐références à cause de fortesAnnées 70 : premières réalisations solaires contre références à cause de fortes surchauffes d’été,Nécessité d’étudier plus finement les besoins de chauffage et les évolutions de température,p ,Calculer de manière plus précise les apports solaires utiles en fonction de l’inertie du bâtiment, et de prendre en compte les échanges entre zones (thermique dynamique).

Source : CEP Mines Paris


Historique

2001 HQE2001 : HQE

Emergence de la démarche HQE, Définition Explicite de la Qualité Environnementale

Cible 4 : Gestion de l’énergie (kWh)Cible 8 : Confort hygrothermique (T°C > nb heures)Cible 9 : Confort acoustique (dB)Cible 9 : Confort acoustique (dB)Cible 10 : Confort visuel (FLJ, Lux)


Historique

2009 U hit t tifié2009 : Une architecture quantifiée

Systématisation des simulations numériques

Médiatisation du concept de Qualité Environnementale des Bâtiments portée l’association HQE,Prise en compte des aspects environnementaux en amont, dès la conception des bâti tbâtiments,Devoir de résultats quantifiés vis‐à‐vis du Maître d’Ouvrage, de la réglementation, des investisseurs, des locataires, etc…


MéthodologieMéthodologie


Méthodologie

Analyse de contexteCahier des ChargesConceptionEsquissePC

Objectifs MOContexte environnemental

Objectifs ArchitecteProposition d’indicateursOrientations techniques

PCPRO

llecte des

nnées

Contrôle de performances

Calcul des indicateursCalc ls objectifs

col

don

Calculs objectifsIndicateurs

Quantification du levier pour une aide à la conception à partir de

Capitalisation

Renseignement des caractéristiques et performances projet

OK

Contrôle référentiel

Utilisation du moteur de calcul du référentiel

p pl’expérience capitalisée

p p j

(RT2005, Minergie, PassivHaus…) Leviers

Identification des leviers d’amélioration

AnalyseCalcul

Source : exNdo


Source : exNdo

ApplicationsApplications

Les logiciels présentés ne constituent que des exemples. Nous ne nous attarderons pas sur les spécificités du logiciel lui même mais sur leurs possibilitéssur les spécificités du logiciel lui‐même, mais sur leurs possibilités »


Applications

O ti i ti bi li ti d lOptimisation bioclimatique du plan massewww.ecotect.com

Enjeux Proposer une volumétrie qui offre la possibilité de récupérer un maximum d’apportsProposer une volumétrie qui offre la possibilité de récupérer un maximum d’apports solaires en période de chauffage,Minimiser les effets d’ombres portées du projet sur lui‐même,Prendre en compte lesmasques topographiquesPrendre en compte les masques topographiques

RéponseSimulation des apports solaires sur les façades du projetSimulation des apports solaires sur les façades du projetComparaison de la somme des apports solaires d’une variante à l’autre


Applications / apports solaires

Source : Grether / Vincent Cornu / Bouillaud Donnadieu



Thomas Jusselme / exNdo ‐ ingénierie d’éco‐conception ‐ 04 78 39 44 28 ‐ www.exndo.comSource : exNdo


Localisation des protections solaires

Enjeux Le confort et la consommation énergétique du rafraîchissementL’intelligence de la façade pour réguler les apports en fonction du besoinL intelligence de la façade pour réguler les apports en fonction du besoinL’économie de projet pour le juste dimensionnement de la protectionLimiter la surprotection au détriment de l’éclairage naturel

RéponseSimulation précise des apports solaires sur les façades,Définition des ombres portées du bâti et de la topographie environnanteDéfinition des ombres portées du bâti et de la topographie environnante,Définition du facteur solaire complémentaire à mettre en place pour minimiser les consommations et garantir le confort d’été



Architecte Tomasini Design


g


Source : exNdo



Conception d’une centrale PV

Enjeux Concevoir une centrale PV avec le meilleur productible (kWh/kWc)Garantir l’intégration architecturaleGarantir l intégration architecturale

RéponseSimulation précise des apports solaires sur chaque modulesSimulation précise des apports solaires sur chaque modules,Définition du rayonnement solaire sur les modules,Evaluation de la performance du brise soleil s’il y a lieu



SudarchitectesSudarchitectes



Source : exNdo



Optimisation d’une résille PV

Source : exNdo

Scénario 1

Référence

Scénario 2

Densité ‐ 50%

Scénario 3

Inclinaison variable 14°‐45°

Scénario 4

Densité ‐ 30%



Optimisation d’une résille PV

scénario 1 scénario 2 scénario 3 scénario 4

A=Apports moyens annuels (kWh/m²) 722,17 908,76 710,96 831,44

S=Surface de panneaux (m²) 36,72 19,44 36,72 25,92

FS=Facteur solaire moyen sur fenêtres (%) 65,0 76,0 62,3 70,4

A t t t (kWh) A S 26518 17666 26107 21551Apports totaux (kWh) = AxS 26518 17666 26107 21551

Coefficient k = AxS/FS 408 233 419 306

Source : exNdo

Scénario 1

Référence

Scénario 2

Densité ‐ 50%

Scénario 3

Inclinaison variable 14°‐45°

Scénario 4

Densité ‐ 30%



Apports solaires vs éclairage naturel

Enjeux Assurer la meilleure protection solaire,Valoriser au maximum l’éclairage naturelValoriser au maximum l éclairage naturel,Evaluer le meilleur compromis entre ces deux points.

RéponseRéponseCalcul de l’efficacité d’une protection solaire,Calcul de l’éclairage naturel généré avec cette protection,Choix de la protection qui offre le plus de protection pour le plus d’éclairageChoix de la protection qui offre le plus de protection pour le plus d éclairage.



Jacques Ferrier Architectures



Paramètresa = facteur lumière jour moyenb pourcentage de surface avec un FLJ>2%b = pourcentage de surface avec un FLJ>2%c = apports solaires estivaux sur le vitrage (en kWh/m²)

IndicateursIndicateursi = b/a = exprime l’abondance et l’homogénéité de l’éclairage naturelj = b/c = exprime l’abondance de lumière en fonction des apports solaires




Source : exNdo

Applications / éclairage naturel

Simulation de l’éclairage naturel

Enjeux Valoriser au maximum l’éclairage naturel,Répartir de manière uniforme cet éclairageRépartir de manière uniforme cet éclairage,Mesurer l’influence de divers paramètres sur ces objectifs.

RéponseRéponseCalcul de l’aptitude du bâtiment à faire pénétrer la lumière naturelle (FLJ),Calcul de l’autonomie en éclairage naturel,Calcul des possibilités d’éblouissementCalcul des possibilités d éblouissement.



Sudarchitectes



FLJ


Source : exNdo

Applications / thermique

Simulation du comportement thermique d’un bâtiment

Enjeux Les bâtiments très performants ont un comportement thermique complexe,Dans la chasse au kWh nécessité de simuler finement les pertes pour cibler les axesDans la chasse au kWh, nécessité de simuler finement les pertes pour cibler les axes d’améliorations,Valoriser toutes les composantes du bâti pour s’approcher des conditions réelles (inertie zonage apports internes infiltrations etc )(inertie, zonage, apports internes, infiltrations, etc.).

RéponseSimulation paramétrique du bâtiment en variant paramètre par paramètreSimulation paramétrique du bâtiment, en variant paramètre par paramètre,Quantification des besoins énergétiques,Caractérisation du confort d’été (nombre d’heures d’inconfort),Efficacité du bâtiment à valoriser les apports gratuits.


pp g



Source : exNdo


Période de chauffage 03 Novembre au 15 Mars

B iZone Type

Surface [m²]

Besoins en chaud [kWh]

Besoins en chaud [kWh/m²]

Puissance chaud [W]

1 Bureaux 3bis 1 110 8 020 7 23 34 9951 Bureaux 3bis 1 110 8 020 7,23 34 9952 Bureaux 5 572 2 144 3,75 11 3243 Bureaux 5bis 200 482 2,41 6 9464 Sanitaires 59 1 051 17 89 3 1704 Sanitaires 59 1 051 17,89 3 1705 Circulations/LT 845 95 0,11 6 126

Total 11 792 4.23 62 561


Source : exNdo



Source : exNdo


Sans protectionsProtections solairesProtections solaires + surventilation nocturne + faux plafond acoustique flottantProtections solaires + surventilation nocturne + faux plafond acoustique flottant + ventilo convecteurs sur eau de nappe


Protections solaires + surventilation nocturne + faux plafond acoustique flottant + ventilo – convecteurs sur eau de nappe

Source : exNdo



Source : exNdo


Simulation de la résistance thermique d’une paroi

Enjeux Les compositions de parois ne sont jamais homogènesLe poids des ponts thermiques est de plus en plus importantsLe poids des ponts thermiques est de plus en plus importantsNécessité d’intégrer des valeurs précises

RéponseRéponseIdentification de tous les accidents thermiques de l’enveloppeSimulation du pont thermique généréIntégration de la perte dans le bilan énergétique globalIntégration de la perte dans le bilan énergétique global



Calcul de la résistance équivalente d’ i i l b id’une paroi verticale en ossature bois (HEAT 2D)

Ici ψ 0 0156 W/m K°Ici ψ = 0,0156 W/m.K°soit 140W pour une maison individuelle et un Δt de 19°Csoit une chaine hifi à pleine puissancesoit une chaine hifi à pleine puissance


ExempleExemple

Bâtiment : L’EmeraudeSituation : Grenoble, ZAC Bouchayer‐VialletyMaître d’Ouvrage : UrbiparcArchitecte : Jacques Ferrier ArchitecturesÉco‐conception : exNdo


Exemple / Emeraude

Jacques Ferrier Architectures


Exemple / EmeraudeJacques Ferrier Architectures


Exemple / Emeraude

Une démarche négaWatt :

Performance de l’enveloppePerformance de l enveloppe

Sobriété des systèmes / Confort

Gestion durable


Exemple / Emeraude

Protection solaire

éd ti d 5 3% d b i f idréduction de 5.3% des besoins en froid,1200 m² de panneaux photovoltaïques, 120 kWc, 435.5 MWh/an d’énergie primaire.


Exemple / Emeraude

Protection solaire

Facteur solaire de 0,15Homogénéisé par la qualité g p qdu vitrage


Exemple / Emeraude

Infiltrations

étanchéité à l’air de 1 4 Vol/h au n50étanchéité à l air de 1,4 Vol/h au n50,conception,sensibilisation,suivi,suivi,contrôle.

Baisse de 38% des besoins en chaud / infiltration référence RT2005


/

Exemple / Emeraude

Enveloppe thermiquepp q

Ubat = 0.5 W/m².K soit un gain de 31.3 % sur Ubat ref,Période de chauffe : 15 Octobre ‐ 26 Mars,Consommation en chauffage par m² de SHON : 7.2 kWhep/m².an (0,8L fioul/m²).


Exemple / Emeraude

Ponts thermiquesq

Un retour d’isolation au niveau des menuiseries,Un chevauchement de l’isolation au niveau du plancher bas du parking,Un retournement de l’isolant au niveau de l’acrotère.


Un retournement de l isolant au niveau de l acrotère.

Exemple / Emeraude

Chauffage / Rafraîchissement

Chauffage basse température par PAC sur eau de nappe,Rafraîchissement sur eau de nappe.


Exemple / Emeraude

Ventilation

Double‐flux avec 72% de récupération de chaleur


Exemple / Emeraude

Eclairage

Eclairage naturel avec FLJ > 2% selon référentiel HQE,Détection de présence et gradation lumineuse,14.6 kWh/an.m² SHON en énergie primaire.


14.6 kWh/an.m SHON en énergie primaire.

Exemple / Emeraude

Matériaux

Matériaux renouvelables : bois, laine de bois, celluloseMatériau recyclable : DanpalonStructure : puits de carbone de 47t de CO2.


Exemple / Emeraude

Chantier

Façade par filière sècheCharte de chantier vert


Exemple / Emeraude

Régulation

1°C : 20% d’augmentation des besoins de chauffage


Exemple / Emeraude

Informatique

Consommation de l’informatique maîtrisée mais importanteNécessité d’une maîtrise du parc informatiqueCharte écologique des usagers


Exemple / Emeraude

Un bâtiment à énergie positive

Une production d’énergie supérieure de 14% aux consommations prévisionnelles


Limites & ConclusionLimites & Conclusion


Limites & Conclusion

Li itLimites

La simulation numérique reste une représentation hypothétique du réel,La fiabilité des résultats dépend des données d’entrées et du moteur de calculLa fiabilité des résultats dépend des données d’entrées et du moteur de calcul,Difficultés de prendre en compte le comportement de l’humain (chantier / utilisation),Dissocier les outils réglementaires des outils de conceptionDissocier les outils réglementaires des outils de conception,Logiciels complexes dont la prise en main reste limitée aux experts,Nécessité d’aboutir à un certain niveau de détail pour engager une simulation.


Source : techno‐science.net


C l iConclusions

La simulation numérique ne doit pas faire perdre au concepteur son sens critique. La lourdeur de certain calcul mobilise beaucoup d’énergie des fois au détriment du tempslourdeur de certain calcul mobilise beaucoup d énergie, des fois au détriment du temps passé sur le conception elle‐même. Cette lourdeur implique une prescription d’études adaptée au cas par cas en fonction des besoins du projet.

Très bon outil pour travailler en relatif (comparaison de deux solutions, variations paramétriques). Permet de fixer les axes de travail prioritaires.

Nécessité de modérer la valeur du résultat dans l’absolu.



C l iConclusionsLa simulation numérique est une interface entre l’ingénieur et l’architecte. Elle exprime q g pla performance de l’architecture et permet à l’ingénieur de la critiquer. Les résultatsvisuels permettent une meilleure compréhension entre corps de métiers qu’un rapport ou une succession de chiffres

Cette force est également une faiblesse si elle mène au conflit et ne constitue pas un support d’échanges et d’amélioration et se limite au contrôle stricte (syndrome du « ça passe pas »)

La simulation numérique permet surtout une conception globale pour s’assurer que l i à di i i l é li i d’ bâ i f biles moyens mis à disposition pour la réalisation d’un bâtiment performant sont bien alloués aux principales parts des consommations énergétiques.



Des axes de travail multiples, interdépendants et qui émergent avec la performance.p , p q g p



D’une manière générale les simulations vont encore progresser notamment sur laD une manière générale, les simulations vont encore progresser, notamment sur la prédiction des scénarios de gestion et d’utilisation des bâtiments pour :

Raisonner en cout global (couple loyer + charges),Raisonner en cout global (couple loyer charges),Valoriser la performance via un label,Intégrer la performance au plus tôt dans le processus de conception à travers des données visuelles et quantifiées, relation Architecte ‐ Ingénieursq , g


Questions ?Questions ?

Merci pour votre attention…


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