MODELISATION SYSTEMIQUE DU

BATIMENT

Contribution au projet Homes de Schneider Electric

Maître de mémoire de MASTER : Pierre MICHEL

2008

Fabien AURIAT

VA Bâtiment

Promotion 53

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3

NOTICE ANALYTIQUE

NOM PRENOM

AUTEUR AURIAT Fabien

TITRE DU MASTER Modélisation systémique du bâtiment

ORGANISME D'AFFILIATION

ET LOCALISATION NOM PRENOM

MAITRE DE MASTER LASH-ENTPE, Vaulx-en-Velin Pierre MICHEL

COLLATION Nbre de pages du rapport 80 P.

Nbre d'annexes 14 P.

Nbre de réf. biblio. 16

MOTS CLES Systémique, bâtiment, efficacité énergétique, confort

RESUME Le projet Homes de Schneider Electric vise à optimiser la gestion énergétique dans le bâtiment tout en améliorant le confort de l’occupant. Cet objectif ambitieux demande d’avoir une approche globale des phénomènes physiques et des usages caractéristiques d’une construction qu’il s’agisse de résidentiel ou du tertiaire, de neuf ou d’existant.

Dans ce contexte, il a été mis en place une démarche de modélisation inspirée du mode de pensée systémique. Le système d’étude en l’occurrence le bâtiment est considéré dans sa globalité. Il est défini comme un ensemble d’éléments intereliés par des réseaux porteurs de flux. Egalement, il est considéré en relation avec son environnement par des échanges d’air, de rayonnement, de chaleur, d’électricité, d’information à travers la frontière. Dans cette structure du système, les flux circulent par l’enchaînement de processus divers au cours du temps.

Ces deux visions de l’organisation du système – structurelle et fonctionnelle – ont permis de mettre en place une démarche de modélisation qui ouvre de nombreuses perspectives d’application dans le cadre du projet Homes et de la problématique plus générale de la gestion parallèle de l’énergie et du confort.

ABSTRACT Schneider Electric’s project called Homes aims to optimize energy management in the building while improving the comfort of the occupant. This ambitious goal requests to have a comprehensive approach to physical characteristics and uses of a construction whether residential or tertiary, new or existing. In this context, it was put in place a modelling process based on the systemic approach. The system in this case the building is considered in its entirety. It is defined as a set of elements interrelated by networks carrying flows. Also, it is considered in relation to its environment through exchange of air, radiation, heat, electricity, information across the border. In the system structure, flows are moving thanks to various processes over time. These two visions of the system organization at once structural and functional have helped to set up a modelling approach which opens up many opportunities for the application in the project Homes and the more general issue of the management of energy and comfort.

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5

REMERCIEMENTS

A Pierre Michel, Richard Cantin et François Bonnard pour le suivi constant de ce mémoire de Master tout au long des cinq derniers mois.

A Jerry Bora avec qui j’ai partagé ce sujet et dont une partie des réalisations présentées dans le présent mémoire sont le fruit d’une réflexion commune.

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7

SOMMAIRE

1 CONTEXTE DU PROJET HOMES ET PROBLEMATIQUE DU MASTER 15

1.1 Objectif 20% d’économie d’énergie et amélioration du confort 15

1.2 L’intégration de dispositifs innovants dans le bâtiment 17

1.3 La communication entre les équipements du bâtiment 18

1.4 Le fonctionnement en vue des objectifs globaux 19

1.5 L’intérêt de la démarche dans le contexte évoqué 20

1.5.1 Problématique du MASTER 20

1.5.2 Intérêt pour une équipe projet multi disciplinaire : un outil de communication global 22

1.5.3 Identifier les conséquences d’actions sur l’ensemble du système 24

2 LA DEMARCHE SYSTEMIQUE : PRINCIPES 26

2.1 Qu’est ce qu’un système ? 26

2.2 Les principes de l’approche systémique: interaction, globalité, organisation et complexité 27

2.3 Les différents points de vue sur le système : du fonctionnel au structurel par la Théorie du système général 28

2.4 Comment décrire et représenter le système ? 29

2.4.1 Ce que fait l’objet (vision fonctionnelle) 29

2.4.2 Ce qu’est l’objet (vision structurelle) 29

2.4.3 D’autres outils plus généraux 30

2.5 La mise en œuvre de l’approche systémique 31

3 LE DEVELOPPEMENT DE L’OUTIL DE REPRESENTATION DU SYSTEME 32

3.1 Une représentation graphique 32

3.1.1 L’évolution du modèle au cours du MASTER 32

3.1.2 Les règles d’utilisation du modèle après stabilisation de la méthode 35

3.1.3 Les premières réalisations sur les sous-systèmes assurant les processus de CVC 37

3.2 Modélisation du système au cours du cycle de vie du bâtiment 40

3.2.1 Sans Equipements 40

3.2.1.1 Structure du système 40

3.2.1.2 Fonctionnement du système 41

8

3.2.2 Avec Equipements 42

3.2.2.1 Qu’est ce que le système Homes ? 42

3.2.2.2 De multiples architectures envisageables 42

4 LE GLOSSAIRE DE LA DEMARCHE ET LES PARAMETRES DE

MODELISATION 44

4.1 Le glossaire 44

4.1.1 Les éléments fondamentaux de la méthode 44

4.1.2 Les niveaux d’organisation de la représentation 45

4.1.3 Les éléments du bâtiment et de son environnement 46

4.1.3.1 Environnement 46

4.1.3.2 Bâtiment 47

4.1.4 Les flux et les réseaux porteurs associés 50

4.1.5 L’occupant du bâtiment 51

4.1.6 Les processus 52

4.2 Les paramètres du système 53

5 MISE EN APPLICATION DE L’OUTIL 56

5.1 Un outil de communication 56

5.2 Une méthode d’identification des impacts 56

5.2.1 Nature des impacts recherchés 56

5.2.2 Comment identifier des impacts ? 58

5.2.3 Du cas particulier au cas général 58

5.3 Les méthodes d’analyse des impacts 59

5.3.1 Matrice structurelle et méthode MicMac 59

5.3.2 Simulation du comportement dynamique 60

5.3.3 Tableau croisé processeurs / processus 62

5.4 Analyse des architectures de réseau d’information et d’électricité 63

5.5 Quantifier les impacts 63

5.5.1 Critère de confort 63

5.5.2 Critère efficacité énergétique 64

5.5.3 Critère efficience d’une stratégie visant le compromis efficacité / confort par le pilotage des équipements 65

5.6 Le cas réel : mise en place d’une démarche expérimentale 66

5.6.1 Représentation de l’existant 66

9

5.6.2 Implantation des solutions Homes 66

6 L’ANALYSE STRUCTURELLE : OUVERTURE SUR L’UNE DES

PERSPECTIVES D’APPLICATION DU MODELE SYSTEMIQUE 68

6.1 Présentation et enjeux : une approche fondée sur les avis experts sur le système bâtiment et son environnement 68

6.2 Les notions utilisées dans la méthode MICMAC 69

6.3 La modélisation structurelle préalable à l’analyse 71

6.3.1 Définition du système et des éléments qui le composent 71

6.3.2 Constitution de matrices d’impacts directs 72

6.3.3 Analyse des résultats : recherche des éléments influents, dépendants et relais du système 72

6.4 Le cas d’étude : un bâtiment de bureau 74

6.4.1 Pourquoi se limiter un cas d’étude ? 74

6.4.2 Composition d’un groupe de travail fondé sur l’évaluation de la qualité de la construction 74

6.5 La modélisation multi points de vue 77

6.5.1 Introduction 77

6.5.2 Ingénieur bâtiment 78

6.5.3 Architecte programmiste 80

6.5.4 Maître d’ouvrage 81

6.5.5 Gestionnaire 83

6.5.6 Sociologue 84

6.5.7 Homes 85

6.6 Vers une modélisation systémique 86

6.6.1 Les variables du modèle structurel global 86

6.6.2 Un consensus nécessaire sur les interactions 91

6.7 Les résultats de la méthode 93

6.7.1 Analyse des matrices à l’aide de MICMAC 93

6.7.2 Synthèse et critique des résultats 95

6.7.3 Perspectives 96

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LISTE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1 Typologie des logiciels de simulation dans le bâtiment en fonction de l’évolution dans le temps, depuis les études préalables jusqu’à la fin de vie du bâtiment (abscisse) et de la résolution (échelle logarithmique), du détail géométrique au territoire (ordonnée). .................. 24

Figure 2 Modélisation fonctionnelle du système d’éclairage : les processus sont décrits de manière sémantique et associés autant que possible à des délais. ................................................................. 34

Figure 3 Modélisation structurelle du système bâtiment plongé dans son environnement ............... 37

Figure 4 Modélisation structurelle du bâtiment au niveau d'organisation 1 ......................................... 38

Figure 5 Modélisation structurelle des transferts de chaleur autour de la masse d'air intérieure au niveau 2 d'organisation ......................................................................................................................... 39

Figure 6 Modélisation structurelle du système d'éclairage existant ....................................................... 40

Figure 7 Modélisation fonctionnelle du système d'éclairage existant ................................................... 41

Figure 8 Modélisation structurelle de la configuration 1 : L’éclairage est géré par un gestionnaire centralisé. ................................................................................................................................................ 42

Figure 9 Modélisation structurelle de la configuration 2: l’éclairage est géré par des gestionnaires indépendants sur chaque équipement et l’occupant a un droit d’accès à des commandes manuelles ................................................................................................................................................ 43

Figure 10 Position des variables dans le plan Influence Dépendance dans le cas d'un système stable ou instable ............................................................................................................................................... 70

Figure 11 Interprétation des plans Influence Dépendance indirects ..................................................... 71

Figure 12 Variables structurelles du point de vue de l'ingénieur bâtiment. .......................................... 78

Figure 13 Matrice d'Influence Directe du point de vue d'un ingénieur bâtiment. ............................... 79

Figure 14 Variables structurelles du point de vue de l'architecte programmiste. ................................. 80

Figure 15 MID du point de vue d'un architecte programmiste. ............................................................. 80

Figure 16 Variables structurelles du point de vue du maître d'ouvrage. ................................................ 81

Figure 17 MID du point de vue du maître d'ouvrage. .............................................................................. 82

Figure 18 Variables structurelles du point de vue du gestionnaire ......................................................... 83

Figure 19 MID du point de vue du gestionnaire ....................................................................................... 83

Figure 20 Variables structurelles du point de vue du sociologue. .......................................................... 84

Figure 21 MID du point de vue d'un sociologue. ..................................................................................... 84

Figure 22 Variables structurelles du point de vue de Homes.................................................................. 85

Figure 23 MID du point de vue d'un représentant de Homes. .............................................................. 85

Figure 24 Code couleur utilisé sur la MID du système global. ............................................................... 91

Figure 25 Matrice des influences directes pour le système global. ......................................................... 92

Figure 26 Plan des déplacements avant l'intégration de Homes. ............................................................ 93

Figure 27 Plan des déplacements après intégration de Homes. .............................................................. 94

Figure 28 Modélisation Micmac du point de vue de l'ingénieur bâtiment. ......................................... 116

11

Figure 29 Modélisation du point de vue de l'architecte programmiste................................................ 117

Figure 30 Modélisation structurelle du point de vue du gestionnaire. ................................................. 118

Figure 31 Modélisation structurelle du point de vue du maître d'ouvrage.......................................... 119

Figure 32 Modélisation structurelle du point de vue du sociologue .................................................... 120

Figure 33 Plan des déplacements du point de vue Ingénieur Bâtiment .............................................. 121

Figure 34 Plan des déplacements du point de vue de l'architecte programmiste............................... 122

Figure 35 Plan des déplacements du point de vue du Maître d'ouvrage ............................................. 123

Figure 36 Plan des déplacements du point de vue du gestionnaire ...................................................... 124

Figure 37 Plan de déplacement du point de vue de Homes .................................................................. 125

Figure 38 Plan des déplacements du point de vue du sociologue ........................................................ 126

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 Partenaires associés au projet Homes ....................................................................................... 17

Tableau 2 Décomposition du parc immobilier selon la date de construction et de la consommation énergétique finale (source : CEREN) ................................................................................................. 20

Tableau 3 Typologie des processeurs selon JL Lemoigne et la Théorie du système général. ..................................... 30

Tableau 4 Lisibilité de la modélisation en fonction du niveau d'organisation du projet et de l'espace considéré ................................................................................................................................................. 46

Tableau 5 Catégories de processus ............................................................................................................. 52

Tableau 6 Liste des variables évoquées par tous les acteurs avant des discussions. ............................ 88

Tableau 7 Liste des variables après discussions et consensus ................................................................. 90

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INTRODUCTION

L’entreprise Schneider Electric s’est lancée dans un projet sur plusieurs années de développement de produits innovants pour le bâtiment. Ce programme se nomme Homes. Elle s’est associée à des partenaires industriels déjà engagés sur le secteur de l’équipement des bâtiments. Le cœur de métier de Schneider Electric est la distribution électrique et les automates de contrôle. Ils sont engagés dans le domaine du bâtiment via leurs produits Merlin Gerin et les services de ses filiales TAC, Merten et Clipsal. Les industriels impliqués dans ce projet transversal proviennent des secteurs de la CVC (chauffage, ventilation et climatisation), de l’éclairage ou encore des ouvertures et des occultations motorisées.

L’objectif annoncé du projet est la réduction des consommations énergétiques du bâtiment. Cet enjeu est devenu majeur dans les dernières années autant sur le plan international que national. Les préoccupations en matière de réchauffement climatique du aux émissions excessives de CO2 et d’épuisement des ressources naturelles grandissent. La tenue du Grenelle de l’environnement en fin d’année 2007 a confirmé cette orientation. Il a été fixé lors de cette réflexion globale sur les problématiques environnementales des objectifs très ambitieux sur l’amélioration des performances énergétiques des bâtiments pour les toutes prochaines années. Autant les bâtiments neufs que les constructions existantes sont visés. Le volume du parc existant est tel qu’il représente une part considérable de la consommation énergétique. Rappelons simplement que le bâtiment est à l’origine de 45% des consommations d’énergie en France.

Face à cet enjeu majeur, plusieurs pistes de solutions permettent de renforcer les performances d’un bâtiment. Le premier éventail de solutions consiste à améliorer les caractéristiques de l’enveloppe. La stratégie mise en place lorsque l’on envisage ce type de solution est de limiter les déperditions énergétiques. Il peut s’agir d’améliorer l’isolation thermique des parois ou alors l’étanchéité à l’air de l’ensemble de l’enveloppe. Pour les consommations énergétiques en période estivale, il sera plutôt recherché de l’inertie thermique au niveau de la structure de la construction. Un deuxième axe de réflexion mène à considérer les manières les plus économes possibles d’utiliser l’énergie que l’on puise dans les ressources naturelles. Les énergies utilisées dans une habitation ou des bureaux sont diverses. Il s’agit aussi bien d’électricité d’origine nucléaire que d’énergie fossile (fuel, gaz naturel). Pour remplacer ces énergies non renouvelables, il est de plus en plus prône l’utilisation des équipements solaires, des générateurs d’électricité éolien ou encore de la géothermie.

Schneider Electric et le projet Homes se situent au niveau du deuxième axe de réflexion. Ils partent de l’hypothèse que l’électronification du bâtiment et l’automatisation de la gestion de l’énergie apportera à l’avenir des économies d’énergie considérables. L’électricité quelque soit son origine va prendre une place de plus en plus importante dans les usages énergétiques tertiaires et résidentiels. Les économies significatives attendues proviennent du fait que le bâtiment est un système complexe dont le gestionnaire n’a pas toujours les moyens et les outils nécessaires pour en optimiser la fonctionnement. Seulement, cerner la complexité dans le bâtiment notamment sur des thèmes tels que l’usage de l’énergie et le confort des personnes n’est par définition pas intuitive.

Une discipline transversale née au vingtième siècle, la systémique, donne des concepts et des méthodes permettant d’aborder la complexité. Plutôt que de considérer que chaque élément d’une structure se comporte de manière indépendante, elle fait l’hypothèse que des interactions existent entre les éléments. Dans le système dit complexe, ces interrelations peuvent être si importantes que tout le comportement du système peut être conditionné par l’influence d’un seul élément.

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L’objectif de ce MASTER est de bâtir une démarche de modélisation du bâtiment fondée sur la lecture systémique des comportements complexes. A partir du moment où la méthode sera mise en place, il faudra envisager les exploitations potentielles du modèle. L’un des fils conducteur de l’exploitation sera de chercher à identifier ce qui peut arriver lorsque l’on introduit des systèmes innovants de gestion de l’énergie et du confort dans un bâtiment siège de processus complexes. Les impacts peuvent être aussi bien positifs comme une réduction de la consommation énergétique. Mais il est possible que des impacts négatifs évidemment non souhaités apparaissent.

* * * * *

15

1 CONTEXTE DU PROJET HOMES ET PROBLEMATIQUE

DU MASTER

1.1 Objectif 20% d’économie d’énergie et amélioration du confort

Schneider Electric est une entreprise de rang mondial qui est en première position sur les secteurs de la distribution électrique et des automates de contrôle. Le projet Homes de Schneider Electric a été intégré dans l’OSEO depuis le 1er janvier 2008. Avant cette date, le programme était soutenu par l'Agence de l'Innovation Industrielle1.

Face aux menaces de plus en plus reconnues qui pèsent sur l’environnement, les objectifs d’économie d’énergie s’avèrent être une piste prioritaire. Cela s’explique d’une part par le fait que l’utilisation des énergies fossiles s’accompagne d’émissions de CO2. Les quantités actuellement rejetée dans l’atmosphère dépassent la capacité d’absorption des écosystèmes. Ainsi, la concentration de gaz carbonique ne cesse d’augmenter amplifiant ainsi l’effet de serre naturelle dans l’atmosphère et par là même le réchauffement climatique.

D’autre part, l’épuisement des ressources naturelles et les enjeux économiques autour des énergies en général poussent les sociétés à se préoccuper des quantités consommées. D’autant plus que les mesures politiques si bien au niveau international que national, font que les efforts portés en direction des économies d’énergie sont d’années en années plus grands.

Le projet Homes s’attaque dans ce contexte à réduire les consommations d’électricité dans le bâtiment. Schneider Electric est à la tête du projet qui regroupe tout un ensemble de partenaire tous leaders dans leurs secteurs d’activité : CIAT, EDF, Philips Lighting, Somfy, ST Microelectronics, TAC, Delta Dore, Polyspace, Radiall, Watteco, Wieland, le CEA, le Centre Scientifique et Technique du bâtiment et le groupement d’intérêt économique IDEA.

L’objectif annoncé du projet est de pouvoir réaliser à terme jusqu’à 20% d’économie sur l’électricité après l’installation des technologies Homes. La stratégie globale pour y parvenir se résume par les points suivants :

1. Placer l’homme au cœur du bâtiment : l’homme désigne tous les acteurs qui interviennent au cours du cycle de vie : l’utilisateur, le gestionnaire, l’installateur, le réparateur,…

2. L’électronification du bâtiment : cela passe par l’intégration de nouveaux équipements à la structure bâtie pour mieux contrôler le comportement énergétique du bâtiment.

3. La coopération complexe entre les acteurs qui prennent part à la conception ou à l’exploitation.

4. Le développement de technologies innovantes comme des micro capteurs ou l’amélioration de l’efficacité énergétique des composants électriques par les apports du carbure de silicium

Les éléments du bâtiment sur lesquels Homes veut agir :

- Communication entre les équipements d’un bâtiment

- Optimisation de la gestion des sources d’électricité

- L’efficacité énergétique des équipements et de la distribution électrique

- La surveillance de la dégradation des performances au cours du temps

1 L'AII, créée en 2005 à la demande du Président Jacques Chirac, soutient des programmes de recherche et

développement très innovants ayant un grand marché potentiel, pour renforcer la compétitivité de l'industrie.

16

- Une communication et une sensibilisation de l’occupant sur la consommation énergétique

Homes ciblent les bâtiments aussi bien neufs qu’existants ayant des utilisations résidentielles ou tertiaires.

Par la suite, nous allons revenir sur trois caractéristiques essentielles du projet qu’il nous semble important d’approfondir quelque peu.

- L’intégration de dispositifs innovants au bâtiment : comment définir les produits qui seront commercialisés dans quelques années ?

- La communication entre les équipements : quelle différence existe-t-il entre Homes et la domotique ?

- Fonctionnement du système en fonction d’objectifs globaux : comment définir avec un peu plus de détail les deux objectifs vers lesquels le projet s’oriente en parallèle : l’efficacité énergétique et le confort ?

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1.2 L’intégration de dispositifs innovants dans le bâtiment

Le point important sur lequel nous nous sommes concentrés au cours de ce travail concerne l’implantation dans le bâtiment de nouveaux systèmes visant d’une part à faire coopérer les équipements entre eux pour aboutir à l’optimisation du confort et de la consommation énergétique. A ce jour, ces systèmes ne sont pas conçus. Le projet Homes en est à une phase de lancement et de réflexion. Il n’existe pas aujourd’hui d’offres commerciales et de catalogues des produits Homes.

En revanche, chacun des partenaires a un catalogue de produits proposant des solutions dans son secteur d’activité. A terme, le projet aboutira très probablement à proposer des produits communs rassemblés sous le label Homes.

Finalement, une grande partie des équipements sont déjà proposés à la vente. La problématique conductrice du projet consiste à développer des solutions globales associant de façon cohérente et efficace les produits des différents partenaires.

Tableau 1 Partenaires associés au projet Homes

2 CIAT : Compagnie industrielle de d’applications thermiques

3 CVC : Chauffage, Ventilation et Climatisation

4 EDF : Electricité de France

5 GTB : Gestion Technique de Bâtiment

6 CEA : Centre d’étude Atomique

7 CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

Partenaire Secteur d’activité

CIAT2 CVC 3

EDF4 Production et distribution d’électricité

Philips Lighting Eclairage

Somfy Moteurs et automatismes des ouvertures dans le bâtiment

ST Microelectronics Semi conducteurs

TAC GTB5

Delta Dore Domotique

Polyspace Détection d’erreur dans les logiciels

Radiall Réseaux de communication

Watteco Connexion bas débit dans l’habitat

Wieland Connectique

CEA6 Recherche dans les domaines de l’énergie, des technologies pour l’information et la santé,

de la défense et de la sécurité

CSTB7 Recherches scientifiques et techniques et expertises pour le secteur de la construction et

le logement

IDEA Groupement d’intérêt économique entre 3 partenaires (EDF, INPG, Schneider) liés au

secteur de l’électricité pour faciliter leur collaboration scientifique

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1.3 La communication entre les équipements du bâtiment

Au premier abord, le projet pourrait s’apparenter à un projet de développement de produits de domotique. Ce n’est pas tout à fait exact comme on va le préciser dans ce qui suit.

Commençons par donner deux définitions de ce concept :

Ensemble des services de l’habitat, assurés par des systèmes réalisant plusieurs fonctions, pouvant être interconnectés entre eux et à des réseaux internes et externes de communication (définition de la FIEEC, de la FNB, de la FNEE, d’EDF, de GDF et du Plan de Construction et d’Architecture).

Concept d’habitat intégrant tous les automatismes en matière de sécurité de gestion de l’énergie, communication,… (Définition du Larousse dès 1988)

Le concept de domotique n’a pas remporté un véritable succès lors de son apparition il y a quelques années. Très rares sont les maisons aujourd’hui équipées de tels systèmes. Aujourd’hui, il est d’ailleurs intéressant de voir apparaître des nouvelles expressions qui tentent de cadrer cette notion et de la faire entrer dans l’ère des nouvelles technologies: on entend parler de « maison communicante » ou « maison intelligente ». Dans les pays anglo-saxons, l’expression employée est « intelligent building ». Pour la domotique, la traduction serait « home automation » ou « office automation ». Il s’agit en fait de l’ensemble des automatismes intégrés au bâtiment.

La domotique a pour caractéristique de s’intéresser et de concevoir les réseaux et les équipements qui permettront de commander des composantes de la construction par l’intermédiaire d’interfaces entre l’utilisateur et le bâtiment. Cependant, ces composantes n’ont pas vocation à fonctionner de manière couplée ou en collaboration lorsqu’elles sont pensées et fabriquées.

Homes s’inscrit dans cette ligne mis à part que ses objectifs sont plus ciblés que ceux de la domotique. Le projet vise en priorité des gains de performance énergétique et l’amélioration du confort dans le sens où il sera défini dans 1.4.

Egalement, on peut noter que la démarche entreprise est plus large. Les partenaires du projet appartiennent à presque tous les secteurs du bâtiment. Il ne s’agit plus de simplement concevoir les réseaux de communication entre les équipements mais d’intégrer les équipements dans cette conception. Ainsi, il est possible d’envisager que le comportement des équipements variera en fonction des autres systèmes du bâtiment. De plus étant donné que les solutions proposées seront globales, l’agencement des équipements sera optimisé pour aboutir aux meilleures performances possibles dans le cas particulier du bâtiment équipé.

En résumé, si l’on devait définir Homes à ce stade du projet, il s’agirait d’un projet de conception de solution globale d’équipements interconnectés et communicant ayant pour objectifs la réduction de la consommation énergétique et l’amélioration du confort.

Ce n’est qu’une hypothèse de travail pour l’instant puisque comme il a été dit auparavant les produits Homes n’ont pas encore vus le jour. Aucun catalogue même provisoire n’est partagé par les personnes du projet.

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1.4 Le fonctionnement en vue des objectifs globaux

La consommation énergétique :

Les énergies consommées dans un bâtiment proviennent de sources variées:

Energies fossiles (pétrole, gaz naturel)

Energie atomique

Energies renouvelables (solaire, éolien, hydroélectrique, bois)

Les usages tertiaires et domestiques de l’énergie demandent des transformations qui sont faites soit à l’intérieur du bâtiment par des unités de production d’énergie « utile » (chaudière, climatiseur, radiateur, luminaires), soit à l’extérieur par des centrales atomiques, thermiques ou même de chauffage urbain.

Homes s’intéresse à tous les usages énergétiques possibles dans le bâtiment puisque l’électricité est souvent associée aux autres énergies pour répondre aux besoins de l’occupant. Par exemple, la ventilation d’un habitat se trouve à l’origine de pertes importantes de chaleur en hiver. Ainsi, l’énergie perdue sous forme d’air chaud peut avoir des répercussions sur les sollicitations électriques du chauffage pour compenser ces pertes.

L’objectif envisagé se porte bien sur la consommation énergétique et non pas seulement la consommation électrique. De plus, certains des partenaires du projet traitent d’autres formes d’énergie.

Le confort :

Ce terme fait référence à un état global de l’être humain. Homes se concentre sur quelques aspects de ce large concept. Il est donc question d’apporter des améliorations en termes de confort thermique et lumineux. La question de la qualité de l’air est également à traiter étant donné les impacts connus de la ventilation sur les consommations de chauffage.

Enfin, il ne faut pas oublier le confort acoustique. Les équipements de ventilation sont des sources sonores potentielles. En parallèle, les solutions de ventilation naturelle peuvent créer des ouvertures sur l’extérieur laissant passer le bruit.

Cette approche très générale du confort dans une ambiance intérieure n’est pas finalisée au sein du projet Homes. Elle est adoptée comme une hypothèse de travail. Des groupes de travail réfléchissent à comment définir ce critère et le prendre en compte dans le cadre du projet. Il en est de même pour le concept d’efficacité énergétique.

De nombreux phénomènes sont en interaction dans le bâtiment. Des actions pour réduire la consommation énergétique peut avoir des impacts sur chacun des aspects du confort et réciproquement. Cette interaction permanente justifie en partie l’approche systémique que nous allons entreprendre.

Cependant, l’une des idées de départ consiste à penser qu’il est possible d’améliorer en parallèle confort et performance énergétique car jusqu’à aujourd’hui, l’optimisation de la gestion de l’énergie et du confort n’était pas dans les préoccupations de l’ensemble des acteurs du bâtiment. Cela se traduit dans les présentations du projet par une annonce d’une réduction de 20% de la consommation énergétique du bâtiment. Ce chiffre n’est qu’une estimation a priori puisqu’il n’est fait référence à aucun cas particulier ou même à aucune typologie de bâtiment (tertiaire, résidentiel, neuf ou ancien).

20

1.5 L’intérêt de la démarche dans le contexte évoqué

1.5.1 Problématique du MASTER

Le parc immobilier possède des formes multiples d’époques très diverses et issues de techniques de construction variées. Si l’on doit retenir quelques caractéristiques de ce parc, il faut noter que la France compte en 2005 (Source : Comptes du logement édition 2007) 31,6 millions de logements dont 17,9 millions de logements individuels et 13,7 millions de logements collectifs.

Les dates charnières souvent retenues pour répertorier les bâtiments du parc sont 1948 et 1975. Avant 1948, les techniques de construction étaient artisanales et correspondaient à un état de l’art d’une région. A partir de 1948, c’est l’apparition de la construction « industrialisée » où les méthodes de construction sont partagées à l’échelle nationale. 1975 voit l’apparition e plus grandes exigences suite au choc pétrolier. 16,1 millions de constructions datent d’avant 1975 dont 9 millions avant 1948.

Tableau 2 Décomposition du parc immobilier selon la date de construction et de la consommation énergétique finale (source : CEREN)

La consommation énergétique moyenne d’un bâtiment en France s’élève à 240 kWhep/m².an. Pendant ce temps, il existe des constructions neuves consommant moins de 15 kWhep/m².an pour le chauffage et l’Eau Chaude Sanitaire (ECS) et moins de 120 kWhep/m².an tous usages confondus comme celles conçues sous le label Passivhaus en Allemagne. Ces écarts de chiffre laissent entrevoir des améliorations potentielles sur le parc existant français.

Toutes ces données contextuelles8 donnent une idée de la complexité de concevoir des produits industriels qui s’intégreront à un parc immobilier hétérogène. Les points de différence entre deux bâtiments sont nombreux : époques et techniques de construction, formes architecturales, performances énergétiques, usages (tertiaire ou logement)… Là est le premier niveau de difficulté du projet et il se situe à une échelle macroscopique c'est-à-dire celle du parc immobilier français.

Un autre niveau de complexité se trouve à l’échelle du bâtiment. Les finalités d’une construction sont multiples. Homes se concentre sur les cibles de l’efficacité énergétique et du confort d’ambiance intérieur. Les phénomènes physiques et les processus qui sont mis en œuvre pour répondre à ces deux objectifs entrent en permanence en interaction. Cette problématique autour de l’énergie et du confort justifie l’utilisation d’une approche systémique. En effet, toutes les composantes d’une problématique systémique sont présentes : globalité, interaction, complexité et organisation. (cf 2.2 Les 4 principes de la systémique)

8 Source : Rapport du comité opérationnel « rénovation des bâtiments existant » du Grenelle de

l’environnement

21

Ce type d’approche est d’ailleurs préconisé par des rapports actuels qui traitent de la question énergétique dans les bâtiments. Deux exemples illustrent ce propos :

« Le bâtiment, dans lequel nous passons près de 90% de notre temps, doit être appréhendé de manière globale au regard de ses multiples interactions avec ses occupants mais également avec son environnement environnemental et socio-économique.

En l’espèce, il convient notamment d’appréhender l’ensemble de son cycle de vie : conception et construction, utilisation, démolition. Il s’agit là, dans une approche systémique, d’analyser et de traiter de multiples entrées et notamment :

- la santé : qualité de l’air intérieur et de l’eau, bruit, matériaux ;

- la sécurité ;

- l’accessibilité et le confort ;

- les économies de ressources (énergie, eau) ;

- les déchets ;

- la relation avec l’espace : urbanisme, transport et aménagement du territoire.

De la bonne maîtrise de ces paramètres et de la compréhension de leur interdépendance dépend une réponse efficace et durable aux enjeux énergétiques, mais également écologiques et sociologiques du bâtiment. »

Grenelle de l’environnement - Rapport du comité opérationnel « Rénovation des Bâtiments Existant »

« Comme déjà indiqué pour les systèmes constructifs, la conception du bâtiment et la qualité de l'assemblage des « briques »9 est une condition sine qua non de la réussite d'un bâtiment basse consommation. Le produit ne fait pas l'ouvrage et l'innovation n'est pas seulement technologique, elle est aussi organisationnelle.

Une brique performante ne révèlera ses qualités dans l’ouvrage que si plusieurs conditions sont, sans exception, respectées : une conception architecturale et technique adéquate permettant de définir de manière cohérente les performances de chaque ouvrage, une sélection de produits en rapport avec cette conception, une mise en œuvre respectueuse des conditions nécessaires à l’obtention des performances visées, un entretien et une maintenance adaptés afin de pérenniser ces performances.

Rien de neuf dans cette énumération : tout projet de construction devrait intégrer ces étapes clef. L’expérience montre que ces conditions sont difficiles à réunir. Les causes de cette difficulté sont identifiées.

[…]

Pour répondre aux défis des Bâtiments Basse Consommation avec un niveau d'exigence élevé, deux approches semblent incontournables et indissociables :

9 Les briques dont il est question sont des ensembles d’éléments définis pour l’étude sur les

Bâtiments Basse Consommation. On pourrait parler de sous systèmes du système bâtiment. Elles sont au nombre de 13 de cette étude qui porte sur les composants et équipements innovants : les parois opaques, les parois transparentes, les systèmes constructifs, la ventilation double flux avec récupération de chaleur, les systèmes compacts/chauffage/ECS, la micro-cogénération, la climatisation-rafraîchissement basse consommation, le solaire thermique, les systèmes photovoltaïques, les réseaux de chaleur, le stockage de chaleur, l’éclairage et l’approche intégrée.

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- l'approche système (holistique, voire écosystème) du bâtiment

- l'approche intégrée du processus de construction qui doit associer tous les acteurs, du client acheteur/utilisateur aux constructeurs (tous les corps de métiers confondus) en passant par le concepteur et cela dès le début du projet. »

PREBAT - Comparaison internationale Bâtiment et Energie/Décembre 2007/ADEME-PUCACSTB

On retrouve dans chacun de ces deux passages des notions déjà évoquées : d’une part l’interaction entre les paramètres de la qualité de la construction et d’autre part, l’organisation des éléments et des processus pour aboutir aux performances voulues. Elles ne sont qu’évoquées ici. L’un des objectifs de ce mémoire est de mener une réflexion sur quelles seraient les pistes de mise en application de ces principes.

L’objet de ce travail de Master vise surtout à construire une démarche qui permettrait de répondre à la question suivante : quels sont les impacts de Homes sur le système bâtiment qu’il soit neuf, existant, résidentiel ou tertiaire? Elle s’appuiera sur les principes de la systémique exposés auparavant.

Dans un premier temps, il sera question de bâtir un modèle systémique pour définir le système que l’on se propose d’observer. Ce modèle sera construit sous forme graphique. Nous nous attacherons à entreprendre cette étape de la démarche sous deux points de vue : fonctionnel et structurel. Un glossaire accompagnera ces représentations graphiques afin que cet outil soit par la suite accessible à des personnes de profils variés.

Enfin, nous mettrons en place des méthodes pour l’identification des impacts sur le système bâtiment. L’une sera exploitée de manière particulière : l’analyse structurelle par l’approche MICMAC.

1.5.2 Intérêt pour une équipe projet multi disciplinaire : un outil de communication global

L’une des caractéristiques de ce projet est la diversité des acteurs tant à l’intérieur de l’équipe de Schneider Electric que dans l’association des partenaires de Homes. Tous ont des activités différentes sans être nécessairement familier avec l’ensemble des techniques et des pratiques ayant cours dans le secteur du bâtiment. L’autre risque dans ce projet transversal entre plusieurs corps de métiers réside dans l’incompréhension entre collaborateurs. La précision d’un vocabulaire « officiel » Homes évitera inévitablement des pertes de temps dus à des malentendus.

L’entreprise de Schneider Electric avait comme demande dans la proposition du sujet de stage de créer un glossaire sur le système bâtiment. Ce dernier servirait de socle pour la communication sur les éléments du projet.

L’approche systémique a aussi en partie pour objectif de faire prendre conscience à chaque acteur que chacune des parties de leur travail fait partie d’un tout. Ce tout n’est autre n’est que le système bâtiment. Tous les apports au projet doivent pouvoir interagir positivement en évitant des impacts nuisibles pour le confort ou la santé de l’occupant. Imaginons que si une trop grande place est accordée aux économies d’énergie en se focalisant sur la chasse aux pertes énergétiques, la qualité de l’air peut en souffrir. Si en revanche, on néglige les processus de transferts de chaleur par la ventilation, les performances énergétiques globales en souffriront.

Ce travail vise à identifier l’ensemble des éléments jouant un rôle dans le système dans les transferts d’énergie et surtout de définir les interrelations entre eux, tout ceci en l’exprimant dans un langage accessible et communicable à des personnes de profils professionnels diverses. Une fois cette première étape accomplie, il sera envisageable de voir ce qui se passera si l’on tente d’intégrer

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les concepts de Homes dans le bâtiment. Cette deuxième étape vise à tester le « pouvoir d’expression » du glossaire et des représentations graphiques.

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1.5.3 Identifier les conséquences d’actions sur l’ensemble du système

Les outils de simulation existants

La performance énergétique d’un bâtiment dépend de nombreux paramètres. L’isolation, l’inertie, la perméabilité de l’enveloppe font partie des éléments importants à connaître pour caractériser la consommation. Mais ce ne sont pas les seuls : l’orientation des façades, leurs surfaces permettent d’accéder à un ordre de grandeur des apports solaires gratuits dont profite le bâtiment. Enfin, l’enveloppe seule ne peut pas prodiguer des conditions de confort optimales. Les performances intrinsèques des équipements climatiques et d’éclairage vont avoir un part importante dans cette consommation.

Les méthodes de DPE (Diagnostic de Performance Energétique) (rendu obligatoire dans les logements à la vente depuis le 1er novembre 2006 et à la location depuis le 1er juillet 2007) se fondent sur ce principe de répertorier tous les éléments qui consomment de l’énergie et ainsi, d’accéder à un bilan énergétique. Certes dans l’exemple pris, le DPE, la méthode est simplifiée et fait de nombreuses hypothèses notamment sur l’usage du bâtiment par l’occupant. Le résultat obtenu est parfois qualifié de consommation conventionnelle.

Des logiciels de simulation dynamique permettent de prendre en compte de manière plus réaliste les comportements des occupants et aussi les variations climatiques de l’environnement. Ils répondent à des besoins de simulation. Certains sont spécialisés dans les systèmes passifs (enveloppe, ventilation naturelle, apports solaires) alors que d’autres simulent le comportement des systèmes actifs (équipements climatiques et d’éclairage).

Le graphique suivant illustre le champ d’action de chacune des grandes catégories d’outil de simulation. Aucun logiciel n’apporte de solutions de simulation globale. Un logiciel est utilisé à une certaine phase du projet et à une échelle donnée. Dans la conception, l’optimisation de l’enveloppe, des équipements, des transferts thermiques, aérauliques et radiatifs se font de manière séparée. Les interactions sont aujourd’hui peu identifiables à l’aide d’un outil de simulation unique.

Figure 1 Typologie des logiciels de simulation dans le bâtiment en fonction de l’évolution dans le temps, depuis les études préalables jusqu’à la fin de vie du bâtiment (abscisse) et de la résolution (échelle logarithmique), du détail géométrique au territoire (ordonnée).

Source : www.csbat.net

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Il est à noter que cette pléiade d’outils ne concerne que la cible énergétique. La question de la simulation du confort de l’occupant en est encore au stade de la recherche.

Le positionnement du modèle systémique par rapport à ces outils

Ce MASTER n’a pas la prétention de créer un outil de simulation fondé sur un modèle numérique qui intègrerait l’ensemble de ces aspects. Le terme d’approche globale pourrait le laisser penser un instant. Déjà, avant d’envisager de simuler le comportement du système, il faut définir la modélisation que l’on retient c'est-à-dire les éléments de l’objet réel, leurs interactions et les paramètres dont on a besoin pour comprendre le comportement du système. Cette modélisation est spécifique aux finalités du système que l’on considère c'est-à-dire le confort et la consommation d’énergie. Dès qu’un élément du bâtiment aura un impact direct ou indirect sur l’une de ces deux composantes, il faudra qu’il soit pris en compte dans la modélisation.

A partir de ce modèle systémique, on pourra voir comment la composante Homes s’intègre au système bâtiment et quels sont ses impacts sur les deux cibles évoquées et peut être sur d’autres aspects qui n’étaient pas au cœur des objectifs du projet.

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2 LA DEMARCHE SYSTEMIQUE : PRINCIPES

2.1 Qu’est ce qu’un système ?

Le mot système possède un grand nombre de significations dans la langue française. Il est utilisé dans de nombreux domaines allant de la politique à l’économie, en passant par la physique et l’écologie. En effet, il n’est pas rare d’entendre parler de système politique ou économique, du système solaire ou encore d’écosystème.

Commençons par regarder la signification de ces expressions qui nous semblent communes pour essayer de saisir la notion de système.

Système politique : mode d’organisation de l’Etat.

Système économique : un mode d’organisation et de fonctionnement de l’activité économique, dont les caractéristiques influencent entre autres la production de biens et services, les relations sociales et le fonctionnement du marché du travail.

Système planétaire ou système stellaire : composé de planètes et divers corps célestes inertes gravitant (planètes, astéroïdes...) autour d'une étoile.

Écosystème : ensemble formé par une association ou communauté d'êtres vivants (ou biocénose) et son environnement géologique, pédologique et atmosphérique (le biotope). Les éléments constituant un écosystème développent un réseau d'interdépendances permettant le maintien et le développement de la vie.

Ces concepts utilisés de nos jours présentent des caractéristiques communes que la Théorie Générale du système ou systémique veut étudier. Plusieurs définitions du seul terme système existent et Daniel Durand10 en a répertorié quelques unes :

De Saussure : une totalité organisée faite d’éléments solidaires ne pouvant pas être définis que les uns par rapport aux autres en fonction de leur place dans cette totalité.

Von Bertalanffy : ensemble d’unités en interrelations mutuelles.

Lesourne : ensemble d’éléments liés par un ensemble de relations.

De Rosnay, Le Macroscope : ensemble d’éléments en interaction dynamique, organisé en fonction d’un but.

Ladrière : objet complexe, formé de composants distincts reliés entre eux par un certain nombre de relations

Morin : Unité globale organisée d’interrelations entre éléments, actions et individus.

Toutes ces explications présentent des points communs. Néanmoins, on peut observer qu’elles n’on pas toute appel aux mêmes idées et aux mêmes niveaux de détail. Daniel Durand a identifié 4 concepts qui permettent de définir ce qu’est l’approche systémique.

10 Auteur de La systémique dans la collection Que sais-je ? (1979)

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2.2 Les principes de l’approche systémique: interaction, globalité, organisation et complexité

Interaction : les éléments qui composent le système sont interreliés et exercent des actions les uns sur les autres. Dans la pensée Cartésienne, on peut identifier des éléments à l’origine de la « cause » et des éléments subissant l’« effet » de la cause. Pour deux éléments en interaction, ils sont à la fois à l’origine d’une « cause » et subissent en même temps un « effet ». Ainsi, le système constitué de ces deux éléments en interaction va se réguler si les effets et les causes se compensent ou au contraire évoluer vers des changements d’état du système si les effets engendrés par une cause amène à amplifier cette même cause.

On voit alors apparaître ce que l’on appelle les boucles de régulation. Les deux types de régulation exposés précédemment correspondent à la boucle de régulation négative pour la première et pour la deuxième, la boucle de régulation positive. L’identification de ces boucles dans un système donne une première idée de comment le système se comporte. Face à une certaine sollicitation de son environnement, va-t-il vers un état stable ou instable ?

Globalité : l’étude d’un système ne peut pas s’aborder par la seule étude de sous systèmes le composant. Si des parties sont caractérisées alors qu’elles sont coupées des interactions avec les autres parties composant le système, on n’observera pas le comportement réel de la sous partie.

De plus, le comportement global du système ne pourra pas être obtenu par la simple somme des comportements des parties car les régulations internes auront été négligées. Ainsi, la pensée systémique vient en quelque sorte en complément de la pensée analytique qui se cantonne à réduire le système à l’état de particules élémentaires. Elle propose d’étudier les éléments que l’analyse a mis en évidence mais en interrelations les uns avec les autres et avec leur environnement.

Il est bien à noter qu’il est souvent nécessaire d’analyser le système jusqu’à un niveau pertinent avant d’envisager de connaître son comportement et son état global.

Organisation : comme pour le système, il est difficile de retenir une seule définition du mot organisation puisqu’il est largement utilisé et présente de multiples connotations. On peut cependant parler de l’agencement de la matière, de l’énergie et de l’information d’un système.

Il s’agit en fait de mettre en place d’une part, une structure qui maintienne les éléments les uns entres les autres et d‘autre part, des plans d’actions ou des programmes qui permettent au système d’agir, de produire, de vivre et d’une façon plus générale de fonctionner. On voit donc apparaître deux points de vue essentiels que l’on peut avoir sur un système, structurel et fonctionnel.

Complexité : cette notion est à comparer à celle de système compliqué. La différence principale réside dans le fait que l’on peut simplifier ce denier en le décomposant. La complexité ne peut de se réduire. Elle s’explique en partie de la présence de boucles de rétroaction dans un le système complexe. L’isolement de ses parties peut conduire à des modélisations éloignées de la réalité que l’on veut représenter. Surtout si l’on considère que le comportement des parties peut s’interpréter par la somme des comportements des parties.

La complexité d’un système provient également des interactions avec son environnement. Les sollicitations sur le système peuvent être variables et aléatoires ce qui lui confère un comportement difficile à appréhender.

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2.3 Les différents points de vue sur le système : du fonctionnel au structurel par la Théorie du système général

Dans la théorie du système Générale de J-L. Lemoigne, on peut trouver une définition un peu différente du système. Celle-ci présente de nouvelles perspectives méthodologiques pour aborder l’étude d’un système.

Un système peut être assimilé à :

« Quelque chose d’identifiable

Dans un environnement

Qui a une finalité ou un projet

Qui a une activité ou un fonctionnement

Qui a une structure (=forme stable)

Qui se transforme dans le temps (=évolution) »

Le système peut tout d’abord être défini comme un objet avec une identité c'est-à-dire un ensemble des caractéristiques qui le définissent tout au long de son cycle de vie. On retrouve dans cette description du système, l’importance qui est accordée à considérer son environnement. Pour ce qui est de la finalité du système, elle définie la façon dont l’on va l’observer et l’étudier. Certains systèmes présentent des fonctions globales très nombreuses et l’observateur s’attache à un de ses buts en fonction des connaissances dont il a besoin. Dans ce MASTER, on verra que l’on s’est attaché aux dimensions du confort et des économies d’énergie dans le système bâtiment en raison des objectifs du projet Homes de Schneider Electric. Evidemment, un bâtiment peut être étudié sous d’autres angles comme celui de sa solidité, celui de son architecture ou encore celui de sa place dans la ville.

La deuxième partie de la définition va nous donner des pistes méthodologiques pour amorcer l’étude.

Le système se distingue par son activité et son fonctionnement autant en interne qu’avec son environnement. L’observateur du système peut alors étudier son comportement et décrire ses variations dans le temps. On adoptera cette posture particulière d’observateur de l’activité lorsque l’on parlera de vision ou point de vue fonctionnel du système.

Après, on ne peut pas en rester à ce seul type de modélisation si l’on veut avoir une vision globale. Le système possède une structure ou ce que l’on pourrait appeler un agencement de ses éléments comportant des interrelations si l’on reprend une partie de la définition faite dans le paragraphe précédent sur l’organisation. Celle si se distingue par une forme stable dans le temps. Il s’agit alors d’aborder l’observation avec un point de vue structurel.

Bien sûr, ces descriptions autant structurelle que fonctionnelle sont réalisées pour une échelle de temps que l’on peut qualifier de court terme. En langage systémique, on parle de synchronie pour qualifier le fonctionnement du système sur cette courte période alors qu’il s’agit de la diachronie pour le long terme.

La structure du système peut varier au cours du temps ainsi que son fonctionnement. On change alors d’échelle d’observation dans le temps. L’observateur adopte sans ce cas de figure là un point de vue historique. Ce type de posture sera utilisé dans ce travail car l’une des problématiques restent de savoir comment le système bâtiment peut évoluer dans le temps après l’intégration des équipements Homes.

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2.4 Comment décrire et représenter le système ?

On a pris le partie de décrire le système bâtiment en adoptant séparément les deux points de vue structurel et fonctionnel. Le macroscope11 donne une première série d’ « outils » pour aborder cet objectif.

2.4.1 Ce que fait l’objet (vision fonctionnelle)

La cybernétique a utilisé un type de représentation des systèmes industriels et des machines qui s’apparente à un point de vue fonctionnel. JW Forrester le présente dans son ouvrage intitulé La dynamique industrielle (1961). Voici les principaux concepts :

Flux : ils sont constitués par des « écoulements » de matériaux, d’énergie ou d’informations, qui empruntent les réseaux de communication et transitent par les stocks. Ils fonctionnent par entrées/sorties (ou inputs/outputs) avec l’environnement. Couple (objet, support) : où l’objet représente ce qui subit l’action du « processeur » et le support ce qui véhicule les objets

Vanne ou centre de décision : il organise les réseaux de communication, c’est-à-dire coordonnent les flux et gèrent les stocks. Ils gouvernent la logique comportementale du système.

- Capteur (ou mesure) : il observe une caractéristique d’un flux, au sujet de laquelle il émet un certain nombre d’information. Il provoque un changement de niveau d’information et « transforme » de la matière/énergie en information.

- Commande : partie qui traite l’ « information montante » du capteur et envoie des « informations descendante » qui sont des ordres aux actionneurs.

- Actionneur (ou vanne) : il module le débit des flux.

Source : générateur de flux indépendant du reste du système et de l’environnement.

Puits : endroit où les flux sont évacués et perdus définitivement.

Délais : ils correspondent au temps que mettent les informations « montantes » pour être traitées et au temps supplémentaire que mettent les informations « descendantes » pour se transformer en action.

2.4.2 Ce qu’est l’objet (vision structurelle)

Frontière : limite entre l’environnement et les éléments du système en contact avec ce dernier. Si le système considéré est ouvert, la frontière est traversée par des réseaux de communication.

11 Le macroscope est un essai de Joël de Rosnay publié en 1974 sur la systémique.

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Eléments : partie du système qui participe au fonctionnement global du système et s’intègre à sa structure.

Réseau de relation, de transport et de communication : structure matériel ou immatérielle qui véhicule les flux de matière, d’énergie et d’information dans le système.

Réservoir : élément du système au rôle particulier puisqu’il contient les stocks de matière, d’énergie et d’information de la structure.

2.4.3 D’autres outils plus généraux

JL Lemoigne parle plutôt de processeur et de processus. On le comprendra par la suite, ces deux notions permettent d’avoir des représentations présentant plus de possibilité que celles présentées dans Le Macroscope.

Un processeur désigne une entité identifiable, siège d’un processus dans le cadre d’une mission. C’est un objet générique. Le type de processeur est défini par le type de processus qui s’y déroule.

Tableau 3 Typologie des processeurs selon JL Lemoigne et la Théorie du système général.

Un processus désigne une suite d'états ou de phases de l'organisation d'une opération ou d'une transformation (définition Wikipédia).

Dans la norme ISO 9001 pour la gestion de la qualité, un processus est un système organisé d'activités qui utilise des ressources (personnel, équipement, matériels et machines, matière première et informations) pour transformer des éléments entrants en éléments de sortie dont le résultat final attendu est un produit.

Si l’on le retranscrit ces définitions dans le contexte de la vision fonctionnel du système mis en place dans les premiers paragraphes, le processus est l’ensemble des actions qui transforment un flux. Il a pour correspondance le processeur dans la vision structurelle qui va être le siège matériel des transformations.

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Pour décrire les processus, il est commode de se servir de variables. Le suivi de ces dernières donne un moyen de description du fonctionnement du système. La variable d’état rend compte du niveau d’un stock à un instant donné par exemple.

2.5 La mise en œuvre de l’approche systémique

Lorsque l’on commence la description du système dont les grands principes ont été exposés, la première question qui se pose est par lequel des deux aspects structurel ou fonctionnel débuter ?

La structure n’est pas toujours accessible mais au moins elle est « visible » à n’importe quel instant. Dans le cas d’un bâtiment, il est possible d’y avoir accès par des plans et de la documentation technique des installations.

Pour ce qui est du fonctionnement, plusieurs moyens permettent de le connaître. Des personnes qui connaissent le système peuvent vous apporter des éléments ou alors il est utile de procéder à des expériences ou à des simulations pour estimer les flux qui entrent et sortent du système.

En fait, il n’y a pas de règle puisque suivant les objectifs de l’observateur, il vaut mieux commencer par l’un ou l’autre aspect. Pour illustrer ce point, la métaphore de l’ordinateur de JL Lemoigne va nous aider à cerner des éléments de réponse sur cette question.

Lorsque un simple utilisateur veut se servir d’un ordinateur, il ne commence pas a priori par démonter l’ensemble du système et à décortiquer l’ensemble des composants. Il considère plutôt qu’il s’agit d’une « boîte noire » dans laquelle il peut entrer des informations ou des commandes auxquelles elle réagit par des sorties. En testant tout un jeu de commande par le biais de l’interface, il peut ainsi se construire une connaissance des fonctions qu’opère la machine.

Cet utilisateur peut ensuite s’imaginer les processeurs qui interviennent dans les processus dont il a la connaissance par son expérience.

Il est maintenant facile de se représenter le pendant de cette approche « fonctionnelle ». Un réparateur aura plus tendance à ouvrir l’ordinateur et à vérifier les composants les uns après les autres pour vérifier leur fonctionnement. Après avoir vérifié l’état de fonctionnement de plusieurs sous systèmes, il passera à la vérification de la globalité du système.

Ces deux façons d’observer et d’étudier le système font apparaître qu’un utilisateur et un réparateur n’auront pas la même modélisation de l’objet d’étude. Ils ne percevront pas de la même façon le fonctionnement ou même la structure du système car ils n’auront pas eu le même point de départ et surtout ils n’ont pas les mêmes objectifs.

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3 LE DEVELOPPEMENT DE L’OUTIL DE

REPRESENTATION DU SYSTEME

3.1 Une représentation graphique

Objectif :

Mettre en œuvre les principes fondamentaux de la systémique : globalité, complexité, interaction, organisation afin de représenter de manière pertinente le système face aux finalités attendues : assurer le confort de l’occupant et optimiser l’utilisation de l’énergie.

Prendre en compte autant que possible les objectifs d’exploitation du modèle explicité en partie 3.

Réalisation : Création des représentations du système bâtiment sous deux points de vue :

Fonctionnelle où l’on observe ce que fait le système ;

Structurelle où l’on décrit les éléments du système et leurs interrelations.

3.1.1 L’évolution du modèle au cours du MASTER

Etape 1 : comment représenter un système ?

Pour point de départ, on a utilisé les outils de description du Macroscope (J de Rosnay) exposés en partie 2.

Afin de se rattacher à la réalité et de pour l’instant éviter la problématique de la diversité du parc immobilier européen, il a été décidé de travailler sur un bâtiment essentiellement composé de bureaux appartenant à l’entreprise. L’un des premiers moyens de saisir la globalité de l’objet étudié est de réaliser un inventaire des différents constituants qui nous intéressent :

Eléments, réseaux, réservoirs, frontière du système

Flux, vannes, puits, sources, délais, boucles de régulation

Voir en annexe les résultats du travail d’inventaire.

Une fois les différents constituants identifiés, il est possible d’envisager l’étude de l’organisation du système. Ceci passe par la définition d’un outil en partie graphique qui permettrait de représenter l’organisation structurelle et fonctionnelle.

La difficulté qui s’est posée lors des premiers essais était de dissocier clairement les deux modes. Par exemple, une vanne (outil fonctionnel) peut être identifiée à un élément (outil structurel). Il est à noter qu’à se moment là, il est ressorti que le terme de vanne ne suffisait pas pour décrire toutes les actions opérées sur un flux. Une tentative a été faite pour remédier à cette difficulté en introduisant différents types de vannes comme des transformateurs qui convertit un flux en un autre type de flux (l’électricité en flux lumineux par exemple).

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Cependant, il était toujours évident que l’on n’avait pas accès à une véritable représentation fonctionnelle du système par les outils définis. Les notions de délais n’étaient pas encore introduites et surtout la perception du comportement n’était pas satisfaisante.

Etape 2 : comment séparer distinctement les deux types de description ?

Bien que l’objectif du travail demeure de prendre en compte la globalité du système bâtiment, il a été décidé de se focaliser sur un sous système du bâtiment. Ainsi, la même démarche exposée dans l’étape 1 a été reproduite plus spécifiquement sur les équipements d’éclairage et les éléments en liaison directe avec ces derniers. Cela a été produit ensuite sur les équipements de CVC.

En parallèle, afin de définir précisément ce que l’on entend par une représentation fonctionnelle, il a été fait appel à La Théorie du Système Général. Dans la partie 1, nous avons vu qu’il s’appuyait sur les concepts de processeurs et de processus. On peut identifier plusieurs catégories de processeurs et de processus.

L’intérêt de ces concepts réside dans la liaison directe que l’on peut faire entre les points de vue fonctionnel et structurel. Le processeur est le siège d’un processus et le processus se matérialise par un processeur. Egalement, la notion de processus laisse plus de possibilités de description qu’une vanne. Ce terme est en fait issu d’une analogie faite avec les systèmes hydrauliques où cet élément a pour fonction de réguler le débit d’un flux. Or, la régulation d’un flux n’est pas le seul processus à l’œuvre dans le fonctionnement d’un bâtiment.

C’est pourquoi dans le mode de représentation fonctionnel suivant, il a été décidé de ne pas se restreindre sur la représentation d’un processus. Il est défini par un verbe à l’infinitif qui exprime l’action opéré sur le flux d’entrée et/ou le flux de sortie produit. Un exemple de ce mode de représentation est donné ci-dessous :

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Fournir de la lumière artificielle

Décider du niveau de lumière naturelle O=f(a)

Distribuer l’électricité

Générer de l’électricité (source)

Générer de la lumière naturelle (source)

Recevoir la lumière et la répartir sur les plans de travail.

Régler l’entrée de la lumière naturelle par l’ouverture

Capter les caractéristiques du confort lumineux Eclairement (E), présence (p)

Décider du niveau de lumière artificielle I = f(E, p, a)

10min et 1s

Délai= 1s

Délai =1s

Flux électrique

Flux EM :

Flux EM :

Flux EM

Délai=1s

Flux info

Flux info : activité (a)

Délai=0s

Flux électrique

Flux électrique

Flux info : activité (a)

Délai=10s

Figure 2 Modélisation fonctionnelle du système d’éclairage : les processus sont décrits de manière sémantique et associés autant que possible à des délais.

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Etape 3 : comment représenter de manière globale le système ?

Il a été évoqué l’étude spécifique des sous systèmes d’éclairage et de CVC dans l’étape précédente. Si l’on doit désormais représenter l’ensemble du système bâtiment, il se pose la question de la lisibilité. Comme il l’a été constaté dans l’étape 1, les éléments du système, ses flux sont très nombreux.

Il existe de plus plusieurs niveaux de lecture et plusieurs types d’espace à considérer. On peut voir le bâtiment comme un ensemble constitué simplement d’une enveloppe et d’équipements intérieurs qui permettent de maintenir un climat intérieur confortable pour l’occupant. Si l’on va plus dans le détail, on peut distinguer les différents types d’équipement qui participent à un aspect particulier du confort : thermique, hygrothermique ou lumineux et identifier leurs relations avec l’ensemble du système.

Pour ce qui est de la notion spatiale, on peut se concentrer sur un étage, une pièce puis le bâtiment entier. Sur cette question, la RT 2005 apporte des définitions du projet, de la zone et du groupe. Toues ces notions sont abordées dans la suite de cette partie.

Etape 4 : comment exploiter la modélisation retenue ?

Après présentation du travail effectué au cours des 3 premières étapes à un des responsables de l’équipe projet Homes, il a été défini des objectifs d’application et d’exploitation de cette modélisation. Jusqu’à maintenant, les objectifs de représentation étaient d’appréhender la complexité, la globalité, l’organisation et les interactions dans le système bâtiment.

Le modèle doit s’adapter aux objectifs : cela nécessite de faire des adaptations et des outils d’exploitations qui seront précisées dans la partie 3.

3.1.2 Les règles d’utilisation du modèle après stabilisation de la méthode

Ces règles ont été définies pas à pas au cours des essais de représentation du système. Elles ont pour objectif de fixer une méthode de modélisation afin que le lecteur de la représentation ait une compréhension la plus proche possible de ce qu’a voulu communiquer l’auteur.

Implicitement, l’existence de ces règles signifie que l’utilisation d’autres modes de représentation nécessite de l’ajouter dans les règles. On sera sûrement amené à compléter ces règles au cours de l’exploitation du modèle.

L’un des objectifs est de créer un outil facile d’accès qui permet néanmoins d’exprimer la complexité du système bâtiment. Cela se traduit par un nombre de règles restreint.

1. Les deux modes de représentation sont séparés en permanence.

2. Pour la partie du système que l’on représente, il faut maintenir la symétrie entre les 2 modes de modélisation. Cela se traduit par le maintien d’un processus à l’endroit où se trouvait le processeur dans la représentation structurelle.

3. L’organisation du modèle se fait par niveaux. Il peut être indiqué l’élément de niveau supérieur auquel appartient un processeur afin de faire le lien entre les différents niveaux. Il en est de même pour les processus.

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4. La frontière du système bâtiment doit être indiquée quelque soit le niveau de représentation structurelle afin de pouvoir faire en permanence la distinction entre les constituants du système et de l’environnement.

5. L’organisation des processus et des flux se fait relativement à l’organisation structurelle. A un élément (ou processeur) correspond un processus. Les sous processus simultanés constituant un processus sont représentés à un niveau inférieur.

6. Lorsque les processus ne se font pas instantanément, le délai de ces derniers est indiqué.

7. Dans un premier niveau de complexité, les processus régissant les flux doivent être identifiables à une des catégories de processus défini dans le glossaire.

8. Le glossaire donne l’ensemble des constituants qu’il est possible d’utiliser dans les modélisations. Si un élément, un type de réseau, un flux ou un processus manque, il convient de l’ajouter au glossaire.

9. Le modèle doit être paramétré à la l’aide des paramètres retenus dans une liste jointe aux présentes règles et au glossaire. Cf. fin de la partie 3 pour la liste retenue à ce stade. De même que pour les règles, si un paramètre manque il peut être ajouté à cette liste et explicité.

Les règles énoncées permettent de lire les premières représentations effectuées au cours du MASTER. Par la suite, elles permettront éventuellement à d’autres personnes d’utiliser les modèles développés. Il se peut que ces règles ne soient pas toujours exactement respectées dans ce rapport étant donné qu’il s’agit de versions d’essais.

37

3.1.3 Les premières réalisations sur les sous-systèmes assurant les processus de CVC

Légende de la représentation structurelle

Réseau immatériel support des ondes électromagnétiques (GLO12 et CLO13)

Réseau support des flux de chaleur

Réseau support des flux d’air humide

Réseau support des flux d’électricité

Réseau support des flux d’information

Dans un premier temps sont présentées ci-dessous des modélisations structurelles du bâtiment à différents niveaux d’organisation. Dans l’exemple donné au niveau 2, il est mis l’accent sur les éléments et les réseaux qui participent aux transferts de chaleur. Pour les autres transferts, ils peuvent être consultés en annexe.

Niveau 0

L’occupant n’est pas intégré au système bâtiment. Etant donné que le confort est un des objectifs du projet, les interactions entre les personnes et le bâtiment doivent être prise en compte de manière particulière.

D’un point de vue énergétique, l’humain peut être considéré comme l’un des pilotes du système autant que les automates de contrôle de l’éclairage, du chauffage ou de la ventilation. Même si bien sûr le contrôle qu’il exerce est aléatoire et du coup conduit à une utilisation irrationnelle de l’énergie la plupart du temps.

12 Grande Longueur d’Onde (supérieure environ à 5 µm)

13 Courte longueur d’onde (inférieure environ à 5 µm)

Environnement Bâtiment Occupant

Gestionnaire

Figure 3 Modélisation structurelle du système bâtiment plongé dans son environnement

38

Niveau 1

Bâtiment

Environnement

Soleil

Occupant

Gestionnaire

Ambiance intérieur

= masse d’air + réseau immatériel portant les flux Electro Magnétique

Atmosphère

Générateur d’électricité

(Centrale nucléaire,…)

Mobilier

Végétation

Equipements

Enveloppe = parois opaques + parois vitrées

Eléments d’enveloppe motorisés ou mobiles

Figure 4 Modélisation structurelle du bâtiment au niveau d'organisation 1

39

Niveau 2 : représentation structurelle centrée sur la masse d’air intérieure prenant en

compte uniquement les réseaux de chaleur

Réseau où la chaleur est transmise par convection.

Réseau où la chaleur est transportée par l’air (ventilation, cheminées,

ouvertures, ...)

Masse d’air (ambiance intérieure)

Enveloppe

Convecteur (équipements)

Chaleur

Occupant

Luminaire (équipement)

Equipements électroménager (équipement)

Chaleur

VMC simple flux (équipement)

UTA (Unité terminale de Traitement d’Air)

Chaleur

Ouverture

Chaleur

Chaleur

Occultation

Parois opaques

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

Eau chaude / glacée

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur Cha

leur

Figure 5 Modélisation structurelle des transferts de chaleur autour de la masse d'air intérieure au niveau 2 d'organisation

40

3.2 Modélisation du système au cours du cycle de vie du bâtiment

Un bâtiment n’a pas le même fonctionnement ni la même structure aux différents instants de son cycle de vie. On peut identifier les grandes phases suivantes dans l’existence d’une construction :

1. La conception

2. L’exploitation

3. La réhabilitation

4. La fin de vie

Il est possible à l’aide du modèle développé de représenter le système en phase d’exploitation et d’exposer les solutions possibles de réhabilitation. Les solutions d’amélioration seront dans le cadre de cette étude des équipements Homes.

3.2.1 Sans Equipements

Afin d’illustrer le projet exposé en introduction de cette partie, nous allons prendre l’exemple du système d’éclairage en représentation structurelle. Les seules commandes qui existent sont manuelles. C’est encore le cas de la majorité des systèmes d’éclairage dans le résidentiel et le tertiaire.

3.2.1.1 Structure du système

Figure 6 Modélisation structurelle du système d'éclairage existant

Ambiance intérieure

Rayonnement EM

Rayonnement EM

Soleil Atmosphère

Luminaire

Tableau électrique

Générateur d’électricité

Occultation motorisée

Câble électrique

Câble électrique

Rayonnement EM

Occupant

Câble électrique

Info Bus

Info Bus

41

3.2.1.2 Fonctionnement du système

Voici la représentation fonctionnelle du système d’éclairage associée à la modélisation structurelle précédente :

Délai =1s

Figure 7 Modélisation fonctionnelle du système d'éclairage existant

Fournir de la lumière artificielle

Décider du niveau de lumière naturelle

Distribuer l’électricité

Générer de l’électricité (source)

Générer de la lumière naturelle (source)

Recevoir la lumière et la répartir sur les plans de travail.

Régler l’entrée de la lumière naturelle par l’ouverture

Capter les caractéristiques du confort lumineux Eclairement (E)

Décider du niveau de lumière artificielle

Délai= 1s

Délai= 1s

Flux électrique

Flux EM

Flux EM

Flux EM

Délai=1s

Délai=0s

Flux électrique

Délai=10s

Flux électrique

42

3.2.2 Avec Equipements

3.2.2.1 Qu’est ce que le système Homes ?

Du point de vue de la démarche mise au point, Homes se définit par deux composantes :

Des réseaux de communication véhiculant de l’information entre les différents éléments du système

Des gestionnaires d’énergie et de confort qui décident des consignes optimales à envoyer aux équipements

Nous constaterons très vite que ces systèmes viennent s’ajouter en parallèle des récepteurs et des commandes de l’occupant. C’est pour cela que nous avons déjà parlé de Homes comme d’une assistance électronique portée à l’homme. Il reste à définir les limites de ce concept d’assistance. Il peut se poser des problèmes de conflit entre les systèmes et l’occupant.

En effet, il arrivera certainement que des mauvais réglages du système pénalisent le confort de l’occupant. A ce moment là, il faudrait que le retour de l’occupant puisse être pris en compte par les automates.

3.2.2.2 De multiples architectures envisageables

Architecture 1 : L’éclairage est géré par un gestionnaire centralisé.

Ambiance intérieure

Rayonnement EM

Rayonnement EM

Soleil Atmosphère

Luminaire

Tableau électrique

Générateur d’électricité

Occultation motorisée

Câble électrique

Câble électrique

Rayonnement EM

Gestionnaire

Câble électrique

Info Bus

Info Bus

Capteurs

Figure 8 Modélisation structurelle de la configuration 1 : L’éclairage est géré par un gestionnaire centralisé.

43

Architecture 2 : l’éclairage est géré par des gestionnaires indépendants sur chaque équipement et l’occupant a un droit d’accès à des commandes manuelles.

Nous avons abordé seulement deux architectures mais d’autres pourraient exister. Il est aussi à noter qu’il ne s’agit que de l’exemple de l’éclairage. Lorsque tous les aspects du confort seront pris en compte, le nombre des solutions possibles va très vite grandir. Une nouvelle problématique se pose alors. Quelles architectures de réseau retenir pour les produits Homes ? Cette question est abordée dans la dernière partie du MASTER qui ouvre les perspectives d’exploitation du modèle.

Info Bus

Info Bus

Capteurs

Gestionnaire d’éclairage naturel

Gestionnaire d’éclairage artificiel

Ambiance intérieure

Rayonnement EM

Rayonnement EM

Soleil Atmosphère

Luminaire

Tableau électrique

Générateur d’électricité

Occultation motorisée

Câble électrique

Câble électrique

Rayonnement EM Câble électrique

Info Bus

Info Bus

Occupant

Figure 9 Modélisation structurelle de la configuration 2: l’éclairage est géré par des gestionnaires indépendants sur chaque équipement et l’occupant a un droit d’accès à des commandes manuelles

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4 LE GLOSSAIRE DE LA DEMARCHE ET LES PARAMETRES

DE MODELISATION

4.1 Le glossaire

4.1.1 Les éléments fondamentaux de la méthode

Système : objet identifiable qui se caractérise par sa finalité, sa structure, son activité et son évolution dans le temps. (Voire partie 2 : définition issue de la Théorie du Système Général de J-L Lemoigne).

C’est une représentation construite par un observateur qu’il juge pertinente face à une situation perçue complexe. Cette construction a pour but de mieux comprendre et de mieux, anticiper, ou maîtriser la situation, en facilitant la communication avec les autres acteurs concernés. (Définition Sagace).

Représentation structurelle : méthode d’étude d’un système consistant à le

décomposer en éléments qui sont inter reliés par des réseaux.

Réseau de relation, de transport et de communication : structure matériel ou immatérielle qui véhicule les flux de matière, d’énergie et d’information dans le système.

Eléments : partie du système qui participe au fonctionnement global du système en étant le siège d’un processus et qui s’intègre à sa structure.

Frontière : limite entre les éléments de l’environnement et les éléments du système. Si le système considéré est ouvert, la frontière est traversée par des réseaux.

Caractéristiques : attribut d’un objet qui ne dépend pas de la phase d’activité du système. (Sagace)

Représentation fonctionnelle : méthode d’étude d’un système consistant à le

décomposer en processus traitant les flux circulant dans le système.

Flux : ils sont constitués par des « écoulements » de matériaux, d’énergie ou d’informations, qui empruntent les réseaux de communication et transitent par les stocks. Ils fonctionnent par entrées/sorties (ou inputs/outputs) avec l’environnement.

Processus : désigne une suite d'états ou de phases de l'organisation d'une opération ou d'une transformation (définition Wikipédia).

Dans la norme ISO 9001 pour la gestion de la qualité, un processus est un système organisé d'activités qui utilise des ressources (personnel, équipement, matériels et machines, matière première et informations) pour transformer des éléments entrants en éléments de sortie dont le résultat final attendu est un produit.

Paramètres : élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul. Il s’agit du paramètre d’entrée ou de sortie d’un processus caractérisant le flux entrant ou sortant.

Fonction : traduction mathématique du processus par une application qui à un paramètre d’entrée associe un paramètre de sortie.

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Autres définitions importantes :

Finalité : Objectif poursuivi par le système.

Sous système : partie d’un système que l’on peut étudier par la même méthode appliquée au système.

4.1.2 Les niveaux d’organisation de la représentation

Dans un souci de lisibilité, le modèle a été organisé en plusieurs niveaux de détail. Ils sont apparus au cours des différents essais réalisés pour représenter le système bâtiment. Ces niveaux de détail concernent seulement les éléments (ou processeurs) et les processus. Ensuite suivant les éléments et processus représentés, les réseaux et les flux seront plus ou moins décomposés.

Le niveau 0 ou global envisage toutes les relations entre le bâtiment et son environnement.

Le niveau 1 d’organisation envisage toutes les interrelations entre les grands sous systèmes constituant le bâtiment et également leurs interactions avec l’environnement. Parmi les grands sous systèmes constituant le bâtiment, on trouve l’enveloppe, les équipements et l’ambiance intérieure. (cf. le glossaire pour des définitions précises de ces sous-systèmes). A ce niveau, on peut faire intervenir l’occupant qui interagit avec le système bâtiment et ses sous-systèmes.

Le niveau 2 permet de passer à une description de la structure et du fonctionnement du système plus détaillé en considérant des échanges de flux entre des éléments de chacun des grands ensembles définis au niveau précédent. En revanche, la décomposition du sous système ambiance intérieure est un peu plus spécifique par rapport à l’enveloppe et les équipements. (Voire le glossaire pour la décomposition de l’enveloppe et des équipements).

Pour l’ambiance donc, il est envisageable de mailler le volume d’air dès que ce dernier devient suffisamment grand pour que les échanges entre mailles deviennent significatifs. Les usages dans l’ambiance peuvent également imposer de déterminer avec précision la trajectoire et les sens des flux d’air. C’est le cas en particulier dans des salles d’opérations chirurgicales ou des laboratoires de chimie.

Ces définitions de niveau sont d’ordre organisationnel et permettent d’avoir une approche à la fois de la structure et du fonctionnement énergétique du bâtiment. Il est nécessaire de parler d’un autre type de segmentation d’ordre spatial cette fois-ci. Elle comporte trois niveaux et leurs définitions sont celles de la RT 2005.

« Définitions utiles pour la segmentation des calculs dans la RT 2005 :

Projet : ensemble de bâtiments et d’équipements techniques sur lequel portent les calculs réglementaires. Le projet comporte :

L’ensemble des bâtiments qui font l’objet du permis de construire

Le système utilisé pour la génération de la chaleur, de froid et d’ECS

L’ensemble des réseaux de distribution reliant ce système aux bâtiments

Zone : le niveau de zone permet de décrire l’usage du bâtiment.

Il permet de différencier des parties de bâtiment destinées à des activités différentes (logement, enseignement sport...) et ayant donc des horaires et des consignes normales différents.

L’ensemble des parties d’un bâtiment ayant le même type d’usage est regroupé en une seule zone sauf pour le cas des logements collectifs s’il présente des caractéristiques différentes du point de vue de l’aspect traversant ou non traversant pour l’été.

46

On effectue les calculs de perméabilité par zone et on considère que les zones sont étanches entre elles.

Groupe : le groupe est le niveau où l’on effectue la majorité des calculs. A ce niveau :

On décrit la surface utile et l’inertie

On décrit les baies

On effectue le calcul des besoins (chaud, froid, ECS, Eclairage)

On définit les systèmes pour le calcul des consommations

En général on considère un groupe par type de catégorie CE1 et CE2 au sens de l’arrêté dans une zone.

Une séparation supplémentaire en groupe n’est autorisée que si le système de chauffage/refroidissement permet de valoriser les transferts de chaleur entre différentes parties de la zone.

Cas particuliers lorsqu’un groupe ou une zone a une surface inférieure à 150m² et que cette surface est inférieure à 10% de celle d’un autre groupe de la même zone ou d’une autre zone du même bâtiment on peut considérer que ses caractéristiques sont identiques à celles de la zone ou du groupe le plus grand. »

Extrait de la RT 2005

Si l’on doit situer ces trois niveaux dans la modélisation que l’on construit :

Suivant que l’on est dans le projet, la zone ou le groupe, on peut considérer les 3 niveaux d’organisation. La différence se fera au niveau de la lisibilité du modèle. La mauvaise lisibilité vient du fait que plus le niveau de détail s’élève, plus le nombre d’éléments grandit. On constate le même phénomène lorsque l’échelle spatiale devient globale.

Niveau 0 Niveau 1 Niveau 2

Projet Bonne lisibilité Lisibilité moyenne Mauvaise lisibilité

Zone Bonne lisibilité Bonne lisibilité Lisibilité moyenne

Groupe Bonne lisibilité Bonne lisibilité Bonne lisibilité

Tableau 4 Lisibilité de la modélisation en fonction du niveau d'organisation du projet et de l'espace considéré

4.1.3 Les éléments du bâtiment et de son environnement

4.1.3.1 Environnement

Soleil : à l’origine du rayonnement thermique dans les grandes et courtes longueurs d’ondes (GLO et CLO) qui est reçu par l’enveloppe. Les apports sont soit directs soit indirects. La partie indirecte est émise par la voûte céleste (partie de l’atmosphère) et par certains éléments de l’environnement. Le soleil émet dans le domaine des longueurs d’onde visible. Ces rayonnements constituent ce que l’on appelle la lumière visible.

Atmosphère : dans notre modélisation, il est le siège des effets du climat : pluie, vent, variation de température, d’humidité relative,… La composition de l’air présent dans l’environnement direct du bâtiment fait partie des points importants à considérer. En milieu urbain par exemple, la

47

pollution atmosphérique est un paramètre déterminant de la qualité d’air intérieur, en particulier si les apports d’air extérieur ne sont pas suffisamment filtrés.

Végétation : les impacts des végétaux présents dans le voisinage d’un bâtiment sont nombreux. Ils constituent un moyen d’ombrage s’ils sont bien placés. Les arbres à feuilles caduques sont à privilégier. Ils sont une source d’humidité pour l’air environnant.

Centrale de production d’énergie : elle produit soit de l’énergie transmise au bâtiment sous forme d’électricité ou d’eau chaude dans les villes équipés de chauffage urbains. D’autres formes d’énergie servent à alimenter les systèmes de production de chaleur ou de froid internes au bâtiment comme le fioul ou le gaz naturel.

4.1.3.2 Bâtiment

Niveau 1

Equipements de bureautique : la plupart de ces équipements ont une forte tendance à dégager de la chaleur hiver comme été. L’explication physique à l’origine de ce phénomène est l’effet joule. Ils peuvent avoir aussi un impact sur la qualité d’air par le dégagement de gaz tels l’ozone lors des impressions.

Equipements de CVC et d’éclairage : cet ensemble regroupe tous les équipements qui vont servir à ajuster les conditions d’ambiance intérieure. Ils sont surtout émetteurs de flux : chauffage, rafraîchissement, renouvellement d’air, éclairage. Ils peuvent également être à l’origine de déperditions. La ventilation extrait de l’air pollué mais également de la chaleur ou du froid contenu dans l’air.

Eléments actifs de l’enveloppe : l’enveloppe comporte des parties mobiles qui lui permettent de s’adapter aux sollicitations de l’environnement. Elle compte parmi ces dispositifs les ouvrants (parties mobiles de la fenêtre ou de la porte) et les occultations. Dans le futur, de nouveaux éléments de l’enveloppe auront des caractéristiques variables et commandables tels que les vitrages électro transparents.

Eléments passifs de l’enveloppe : les parois opaques et vitrées peuvent être caractérisées par des paramètres physiques qui varient peu au cours du temps. Il existe cependant des matériaux dits à changement de phase qui ne sont pas encore utilisés à grande échelle. Leur état dépend essentiellement des variations de la température extérieure. En revanche, ces transformations sont des phénomènes naturels non provoqués par l’occupant.

Ambiance intérieure : masse d’air + flux radiatifs

La masse d’air se caractérise principalement par sa température, son humidité relative et la vitesse des flux qui l’animent. Ces caractéristiques ont un impact considérable sur le confort de l’occupant.

La qualité d’ambiance dépend aussi des flux radiatifs qui la traversent aussi bien lumineux que thermiques.

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Niveau 2

Equipements de bureautique :

Ordinateurs

Imprimantes

Serveurs

Photocopieurs

Téléphones

Ecrans

Equipements de CVC et d’éclairage

Eléments de chauffage : Unité de traitement d’air (UTA), panneau rayonnant,

convecteur

Eléments de ventilation : mécanique ou naturelle ou hybride

Eléments de climatisation : naturelle ou artificielle

Eclairage : naturel ou artificiel

Eléments actifs de l’enveloppe :

Occultation : store banne ou volet roulant

Ouvrant

Eléments passifs de l’enveloppe :

Paroi opaque

Paroi vitrée

Niveau 3

Equipements de CVC et d’éclairage

CVC

Unité de traitement d’air (UTA)

Unité terminale

Unité initiale

Ventilation

VMC

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Bouche d’extraction

Moteur

Bouche de soufflage

Echangeur (VMC double flux)

Ventilation naturelle

Cheminée

Atrium

Défaut d’étanchéité

Climatisation

Artificielle

Machine frigorifique à fluide frigorifique

Machine frigorifique à eau glacée

Naturelle

Puits canadien ou provençal

Chauffage

Convecteur à électricité ou à eau chaude

Panneau rayonnant à électricité

Système d’éclairage

Luminaire

Eléments mobiles de l’enveloppe :

Occultation : store banne ou volet roulant

Ouvrant

Eléments passifs de l’enveloppe :

Paroi opaque

Paroi vitrée

50

4.1.4 Les flux et les réseaux porteurs associés

Chaleur

Les flux de chaleur se font par plusieurs modes :

Par transfert de masse : air ou eau

Par transfert énergétique : convection ou conduction

Ces transferts se font par des réseaux physiques ou à travers des éléments dont la fonction première n’est pas le transport de flux. Par exemple, tous les éléments de l’enveloppe conduisent de la chaleur alors que pour la plupart d’entre eux ils sont pensés dans l’optique d’assurer la solidité de l’ouvrage.

Rayonnement

L’environnement émet vers le bâtiment des rayonnements de longueur d’ondes divers. Dans les bilans thermiques, deux domaines de longueur d’onde son généralement distingués :

Courte Longueur d’Onde

Grande Longueur d’Onde

La limite entre ces deux domaines se trouve autour de 5 μm.

A l’intérieur du domaine CLO se trouve le rayonnement visible dans l’intervalle [0,4-0,8 μm]. Il nous intéresse d’une part parce qu’il s’agit de la lumière naturelle et qu’elle contribue au confort lumineux de l’occupant. D’autre part, l’énergie portée par le rayonnement CLO est convertie en chaleur lorsqu’il est absorbé par les matériaux de l’enveloppe.

Tout corps à température ambiante émet principalement en GLO. Les humains sont sensibles à ce rayonnement dit thermique. C’est un des paramètres du confort thermique.

Les réseaux conduisant les flux électromagnétiques sont en grande partie immatériels. Des cas particuliers existent comme les guides de lumière naturelle qui ne sont pour l’instant pas couramment utilisés dans le bâtiment.

Air

Les flux aérauliques font entrer de nombreux éléments du bâtiment et de l’environnement en interaction. Si le comportement de l’air dans une enceinte reste complexe à déterminer (domaine de la mécanique des fluides), il reste néanmoins que les échanges entre zones et avec l’environnement ont un impact direct sur la qualité de l’air intérieur. Les données importantes concernant cette question sont les concentrations de CO2 mais également de COV.

L’air est un vecteur également de chaleur et d’humidité. Ces flux là sont considérés séparément car ils ne se font pas que par vecteur air et qu’ils sont à eux seuls des paramètres de confort. Egalement, les flux de chaleur sont surveillés d’une manière particulière étant donné les objectifs du projet en termes d’économie d’énergie.

51

Humidité

L’humidité n’est autre que de l’eau en quantité infime. Dans le bâtiment, on la trouve le plus souvent à l’état de vapeur dans l’air ambiant mais également absorbée par les matériaux de la paroi ou du mobilier.

Les flux d’humidité se font par deux biais :

Transfert de masse d’air

Transfert par infiltration ou par cycle d’absorption/désorption

Plusieurs processus vont agir sur ce flux d’humidité : la ventilation puisqu’une partie va être évacuée ou introduite dans le bâtiment par le vecteur air ; le chauffage et la climatisation car ils vont provoquer des changements d’état de la vapeur d’eau.

Les paramètres caractérisant le niveau d’humidité dans une ambiance sont l’humidité relative et l’humidité absolue.

Ces paramètres ont une grande influence sur plusieurs finalités du système bâtiment :

Le confort hygrothermique

La santé : développement potentiel de microorganismes dans une ambiance humide

La consommation énergétique : le changement d’état de l’humidité (vaporisation ou liquéfaction) absorbe de l’énergie.

Electricité

Les flux électriques alimentent la grande majorité des équipements du bâtiment. Seul le chauffage ou le rafraîchissement peuvent se faire par d’autres énergies : énergies portées par l’eau ou par l’air sous forme de chaleur.

Néanmoins, les flux électriques peuvent se distinguer par leurs origines :

Edf : moyen de production divers dont la centrale nucléaire, le centrale thermique fonctionnant grâce à des combustibles fossiles, des énergies renouvelables comme l’éolien ou l’hydroélectricité

Sources intégrées au bâtiment : photovoltaïque et éolien essentiellement.

A l’intérieur du bâtiment, les flux utilisés se répartissent en deux grandes catégories : les courants forts et les courants faibles.

4.1.5 L’occupant du bâtiment

L’occupant d’un bâtiment peut être vu d’au moins deux manières différentes lorsqu’on parle de confort et de consommation énergétique :

Un récepteur-contrôleur ultra perfectionné qui ressent tous les types de flux qui traversent l’ambiance intérieure et dans certains cas qui peut agir sur l’enveloppe et les équipements directement ou par le biais de commandes

Un émetteur de chaleur, de rayonnement thermique, d’humidité et de CO2.

Cependant, il n’a pas toujours la possibilité d’agir sur son ambiance intérieure. Par exemple, dans les lieux publics, les personnes de passage n’ont pas l’autorisation de régler le chauffage ou le niveau de ventilation. Ce rôle est laissé au gestionnaire du bâtiment.

52

Pourtant, il reste important que l’état de satisfaction vis-à-vis de l’ambiance soit le meilleur possible dans de nombreux endroits. Par exemple, les enjeux sont d’ordre commercial et économique dans les magasins ou les bureaux.

Des études ont été menées pour caractériser l’état de confort d’une personne dans une ambiance. L’un de ses indicateurs qui fait entrer en jeu de nombreuses variables est le PMV. Cet indicateur donne accès par la suite à une approche probabiliste du confort.

D’autres approches du confort existent comme la notion de confort adaptatif. On part dans ce cas du principe que l’état de confort d’une personne peut évoluer dans le temps même si les conditions climatiques restent constantes.

Une autre problématique se pose lorsque l’on parle de confort. Quel est l’état moyen du confort d’un groupe ? Car l’état de confort dépend des caractéristiques de chacun.

En résumé, l’état de confort dépend :

De nombreux paramètres d’ambiance

De la variable temps

Des caractéristiques personnelles des individus considérés (état de forme, âge, …)

4.1.6 Les processus

De nombreux processus se produisent dans les sous systèmes du bâtiment. On peut repérer des grandes catégories. Répertorier ces catégories permet de formaliser un peu plus l’outil de modélisation. La liste suivante est non exhaustive. A une catégorie est associée un élément structurel siège du processus. Il faut également garder à l’esprit que ces processus agissent sur des flux.

Catégorie de processus Processeurs siège du processus

Capter Surfaces d’une paroi vitrées ou opaques, toiture,…

Décider L’occupant ou des automates

Actionner Les occupants, des équipements,…

Stocker Les parois, l’ambiance intérieure,…

Déstocker Les parois, l’ambiance intérieure,…

Transmettre Les parois, les vitrages,…

Filtrer Unité de traitement d’air,…

Emettre un rayonnement Panneaux rayonnants, soleil, atmosphère,…

Tableau 5 Catégories de processus

53

4.2 Les paramètres du système

Comme nous ne travaillons pas à partir d’une démarche imposée comme cela est fait lors de simulation logicielle, nous pouvons nous permettre d’élargir le champ de modélisation et d’envisager avec un même outil la globalité des aspects du système : les transferts d’énergie suivant les modes convectifs et conductifs, les transferts radiatifs, les transferts aérauliques, les transferts d’humidité, les flux d’électricité et d’information, et les mécanismes relatifs au confort.

Lorsque l’on voudra entrer dans le champ de l’exploitation des modèles, des paramètres nous seront nécessaires pour caractériser notamment les entrées et les sorties des processus. Cela reviendra à paramétrer les flux circulant dans le système. Les flux d’information ont un statut un peu particulier dans le système. Ils ont pour fonction essentielle de transporter les mesures et les commandes nécessaires au pilotage des équipements.

Voyons dans ce paragraphe quels seraient les premiers paramètres dont on pourrait se servir pour caractériser le confort. Rappelons qu’il existe plusieurs aspects de cette notion de confort :

Le confort thermique

Le confort lumineux

Le confort acoustique

La qualité d’air

Nous allons voir dans la suite des paramètres importants à considérer sur chaque registre. Il faut être conscient que ce sujet pourrait faire l’objet d’une étude unique sur la problématique : comment caractériser de manière pertinente le confort de l’occupant dans le cadre du projet Homes ? Cependant, on s’attachera à donner les paramètres les plus fréquemment utilisés.

Les paramètres du confort thermique

L’un des indicateurs reconnus du confort est le PMV (Predicted Mean Vote - Vote Moyen Prévisible). Ses valeurs sont comprises entre -3 et +3. Ces valeurs correspondent à des sensations thermiques de froid (-3) à chaud (+3). Le 0 est la valeur optimale du confort. Il s’exprime de la manière suivante :

]028,0.303,0.[ ).036,0( MeSPMV

Où S est le résidu de l’équation du confort : perdueproduite QQS , différence entre la chaleur

produite par le corps humain et la chaleur perdue par la respiration et les échanges cutanés.

S dépend de :

W le travail externe [W/m²]

Pa la pression partielle de vapeur d’eau de l’air ambiant [Pa]

Ta la température sèche de l’air ambiant [°C]

C les échanges par convection [W/m²]

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R les échanges par rayonnement [W/m²]

M, le métabolisme ; voici quelques valeurs de M suivant la situation :

Activité Métabolisme [Met] Métabolisme [W/m²]

Couché au repos 0,8 47

Assis au repos 1 58

Debout au repos 1,2 70

Activité légère debout 1,6 93

Activité soutenue 3 175

Marche à 3,2 km/h 2 116

Température radiante moyenne [°C]

Vitesse relative de l’air [m.s-1]

Vêture [clo]

Egalement, un indicateur souvent utilisé pour caractériser le confort thermique est le suivant : la

température opérative :

rc

rmrac

ophh

ThThT

Par exemple, une ambiance définie comme standard a les caractéristiques suivantes :

- Température uniforme : Ta = Trm = Top

- Air calme : 0,10 m/s < Va < 0,18 m/s

- Humidité relative : = 50%

- Habillement moyen : Icl = 0,6 clo

Les paramètres du confort lumineux

Flux lumineux [lm]

Eclairement horizontal sur le plan de travail [lux] ou [lm/m²]

Température de couleur [°C]

Indice de Rendu de Couleur (IRC) [%]

Intensité [cd] ou [lm/sr]

Luminance [cd/m²]

Facteur de lumière du jour [%]

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Le paramètre du confort acoustique

Niveau de pression acoustique [dB(A)]

Les paramètres de la qualité d’air

Concentration en CO2 [ppm]

Taux de renouvellement d’air [L/s.m²] ou [vol/h]

Débit d’air neuf [L/s.pers]ou[L/s.m²]

Débit d’air extrait [L/s]

Humidité relative [%]

Emission des composés organiques volatils (COV) [mg/mh]

Emission de formaldéhyde [mg/mh]

Emission d’ammoniaque [mg/mh]

Emission de composés cancérigènes (IARC) [mg/mh]

La même démarche devrait être entreprise pour paramétrer tous les flux relatifs à la consommation énergétique. Elle a été commencée en parallèle de la réalisation des représentations fonctionnelles et structurelles. Certains paramètres apparaissent déjà dans le glossaire. Comme pour le confort, il faudrait approfondir ce travail afin de déterminer les paramètres pertinents en vue de répondre aux objectifs que l’on assignera au modèle dans la dernière partie.

56

5 MISE EN APPLICATION DE L’OUTIL

L’outil développé au fur et à mesure avait pour objectif de départ de prendre en compte la complexité et les interactions à l’intérieur du système bâtiment. Cet objectif initial s’est concrétisé par la mise au point d’une démarche de modélisation inspirée des concepts de la systémique.

L’étape suivante consiste à mettre en place des outils d’exploitation du modèle. Les pistes ouvertes sont nombreuses. Nous allons voir quels seraient les approfondissements nécessaires pour chaque piste évoquée et les résultats que l’on peut en attendre.

5.1 Un outil de communication

L’un des objectifs de l’entreprise était de pouvoir échanger des informations sur des solutions globales reliant tous les équipements climatiques, lumineux et d’occultation du bâtiment à l’intérieur de l’équipe projet voire avec les partenaires.

L’une des premières difficultés lorsque l’on veut relever ce défi est de trouver un langage commun à toutes les disciplines concernées par le projet. En effet que ce soit en ventilation, chauffage, climatisation ou éclairage, chaque secteur a développé un vocabulaire spécifique à sa culture. Par conséquent un projet transversal tel que celui de Homes peut être ralenti par des problèmes d’incompréhension entre les participants.

Egalement, il est possible que certains aspects de la construction ne fassent pas parti des priorités des acteurs présents dans le projet. Il y a par exemple la ventilation, les mouvements d’air dans le bâtiment ou l’isolation de l’enveloppe. Cet outil de communication global peut avoir l’avantage de faire prendre conscience à certains que la consommation énergétique d’un bâtiment et le confort des occupants dépend d’éléments sur lesquels le projet n’a pas de prise.

Utilisation possible du modèle dans un groupe de travail :

A partir des modélisations réalisées, il est imaginable de lancer la discussion entre participants du projet sur la question suivante : selon eux quels éléments est-il important de retenir lors de la modélisation d’un bâtiment ? Cela amène à réfléchir à l’existence d’interactions entre ces éléments et à l’intensité de chacune.

A partir de là, on voit bien que l’on aurait besoin d’outils supplémentaires pour traiter de la sensibilité de la consommation et du confort vis-à-vis des paramètres du modèle. Ces deux notions sont bien les deux indicateurs de performance de notre système. Ils sont dépendants de variables multiples.

5.2 Une méthode d’identification des impacts

5.2.1 Nature des impacts recherchés

Un impact peut être identifié sur plusieurs cibles :

- L’environnement

- Le confort et la santé de l’occupant

- La consommation énergétique (cible à la fois environnementale et économique)

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De nombreux autres aspects pourraient être traités car une construction a des impacts sur plusieurs domaines. Les 3 catégories données ci-dessus font partie de ce qu’on appelle la qualité environnementale. Une construction peut avoir des impacts sur les domaines suivants :

- La qualité architecturale du quartier

- La qualité d’usage de l’équipement par les occupants

Dans une opération de construction, le maître d’ouvrage doit prendre en compte ces différentes problématiques. La qualité globale de la construction dont il sera le commanditaire en dépend. Il faut à la fois que la réalisation soit la plus adaptée aux besoins des utilisateurs et qu’elle réponde en même temps à toutes les contraintes réglementaires, financières et techniques. C’est au tout début de l’opération que cette étape a lieu : elle porte le nom de programmation.

Elle sert essentiellement au maître d’ouvrage à communiquer au maître d’œuvre ses besoins et ses attentes en termes formels.

Objectif du programme :

Anticipation des conditions de vie et d’exploitation de la future réalisation

Prise en compte d’un maximum de paramètres qui risque les influencer

Passer une commande au maître d’œuvre

Contenu d’un programme dans les grandes lignes :

-Historique et enjeux de l’opération

-Présentation de la maîtrise d’ouvrage, de son projet et de ses objectifs

-Concept de l’équipement

-Analyse du site

-Les attentes en termes d’image et d’insertion urbaine

-La description du service à rendre, la présentation des utilisateurs, de leurs usages, des activités et des pratiques

-La définition des espaces nécessaires aux activités*

-Les conditions de fonctionnement et de maintenance**

-Le phasage fonctionnel

-L’enveloppe financière prévisionnelle affectée aux travaux

-Le planning prévisionnel

* cette étape contient entre autres les exigences de confort d’éclairage, acoustique et thermique.

** la définition des lots techniques se fait à ce niveau : maîtrise de la consommation énergétique, taux de renouvellement d’air mais aussi qualité de l’eau, de l’air et des matériaux

Pour l’instant, le modèle systémique du bâtiment mis en place vise prioritairement deux dimensions des conditions de vie dans un bâtiment : le confort et la consommation d’énergie. L’intérêt de la démarche était de les étudier à l’échelle globale du bâtiment et de repérer les interactions existantes entre ces deux dimensions.

Pour ce qui est des autres dimensions, elles ne sont pas explicitement envisagées pour le moment. En revanche, on pourrait imaginer des développements complémentaires visant à

58

modéliser l’usage des équipements (au sens du glossaire) par l’occupant en fonction de ses activités et de ses pratiques.

Les interactions de la dimension qualité d’usage avec le confort et l’énergie sont au centre du projet Homes. En effet, on est parti de l’hypothèse que par l’apport d’une assistance électronique fourni à l’usager, on pourrait à la fois améliorer le confort d’ambiance et la gestion de l’énergie.

5.2.2 Comment identifier des impacts ?

A partir des représentations fonctionnelle et structurelle du bâtiment mises au point, il se dessine trois possibilités

- Analyse de la modélisation structurelle : quels éléments du réseau sont influents ou au contraire dépendants ?

- Analyse de la modélisation fonctionnelle : le système représenté est dynamique. Comment se comporte-t-il en fonction des sollicitations de l’occupant et/ou de l’environnement ?

- Analyse croisée : comment se traduit une action sur un élément au niveau du comportement dynamique du système ?

Dans la partie 3.3, nous présentons les pistes de méthodes qu’il serait nécessaire d’approfondir pour obtenir des résultats sur l’identification et la quantification des impacts.

5.2.3 Du cas particulier au cas général

Un bâtiment n’a pas la même capacité de répondre aux objectifs de consommation énergétique qu’un autre. On en revient à cet aspect complexe de la construction évoqué dans la partie contextuelle de ce rapport : la diversité du parc immobilier visé par le projet Homes, français et même européen.

On peut se poser alors la question suivante :

Peut-on accomplir la démarche décrite dans la partie 2 sur n’importe quel bâtiment du parc

immobilier?

Le modèle systémique étant essentiellement sémantique, il est envisageable de l’adapter à

n’importe quel bâtiment. Cependant, il faudrait compléter la liste d’éléments et de processus à

disposition dans cette première version du glossaire. Il en de même pour les flux. Donnons

l’exemple d’une situation particulière : l’infiltration d’humidité par les fondations. Il n’est pas

nécessaire de représenter ce phénomène dans la majorité des bâtiments car il est négligeable et a

peu d’influence sur le confort des occupants et la consommation énergétique.

En revanche, dans les méthodes d’application de la modélisation systémique abordées par la

suite, il serait nécessaire de se poser la question exprimée ci-dessus. Par exemple, à partir du

moment où l’on cherche à donner des traductions mathématiques d’un processus, sera-t-il possible

de le faire pour tous types de constructions ? Dans les bâtiments anciens, actuellement, il y a encore

des difficultés à modéliser les transferts de chaleur avec une précision satisfaisante. Ainsi, la

quantification des consommations d’énergie et des indicateurs de confort sera possible pour

seulement une partie du parc.

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5.3 Les méthodes d’analyse des impacts

5.3.1 Matrice structurelle et méthode MicMac14

Dans la modélisation structurelle, un processeur agit sur de nombreux autres processeurs (complexité structurelle). Quels sont les processeurs influents, dépendants ou relais dans le système ?

La méthode Micmac permet d’apporter une réponse à cette question. Voici en quelques étapes le principe de la méthode :

Etape1 : discussion de l’intensité d’une relation entre deux éléments. Elle a lieu idéalement dans un groupe de travail réunissant des experts sur chacun des éléments représentés dans la modélisation du système. La graduation des intensités de relation peut se faire sur une échelle de 1 à 3, d’une relation de faible à très forte intensité.

Etape 2 : remplissage de la matrice des relations directes à partir de la discussion de l’étape 1. Matrice des motricités-dépendances : M = [aij] où i est l’indice de l’élément influent, j celui de l’élément dépendant et aij la valeur de l’intensité de la relation.

Etape 3 : calcul de la somme de chaque ligne ce qui donne la motricité de l’élément i et la somme de chaque colonne pour la dépendance de chaque élément j. Un élément se trouve ainsi pourvu de coordonnées sur le plan motricité – dépendance.

Etape 4 : calcul de la matrice M au carré et on réitère l’étape 3 sur M². On accède ainsi la caractérisation des relations indirectes d’ordre 2 entre les éléments.

Etape 5 : on réitère l’étape 4 sur une matrice à la puissance d’ordre supérieure jusqu’à ce que la disposition des points sur le plan motricité dépendance se stabilise. Cela se traduit par le fait qu’il n’y a pas de liaison indirecte d’ordre supérieur à la dernière puissance de matrice calculée.

L’intérêt de cette méthode réside dans le fait que certains éléments apparemment peu influents directement ont en fait une forte influence sur l’ensemble du système par l’intermédiaire d’éléments relais. A partir du moment où l’on identifie ces éléments, cela donne une première approche pour la mise en place de stratégies efficientes de gestion du confort et de l’énergie.

Les positions des différents types d’éléments identifiables dans un système sont présentées ci-

dessous dans ce qui pourrait être un plan de motricité – dépendance. μ est la moyenne sur

l’ensemble des éléments de la motricité d’une part et de la dépendance de l’autre.

14 Micmac pour Matrice d'Impacts Croisés Multiplication Appliqués à un Classement

μ2

μ1

Dépendants

Motricité

Dépendance

Relais Influents

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Cette méthode présente néanmoins des limites. Les résultats obtenus dépendent considérablement de la modélisation c'est-à-dire des éléments retenus dans le système et aussi des relations établies entre chacun d’eux. Micmac donne ainsi une interprétation de la vision du groupe de travail plutôt qu’une vision de la réalité. Plus les avis des experts seront pertinents à propos des intensités des relations, plus les résultats du travail seront réalistes.

En résumé, à condition que la méthode soit effectuée avec le plus de rigueur possible, il est envisageable de repérer les éléments d’un bâtiment les plus importants à maîtriser pour contrôler le confort et la consommation énergétique, deux notions très fortement liés aux flux circulant dans les réseaux du système.

Considération préalable à la mise en place de la méthode :

Il faut bien préciser avant de commencer la discussion sur quel type de bâtiment on mène l’étude. Soit on se concentre sur un cas particulier soit sur une catégorie de bâtiments. Dans chaque cas, les acteurs à faire intervenir ne sont pas forcément les mêmes. Les différentes catégories de bâtiment pouvant faire l’objet de cette étude ont été décrites rapidement dans la partie 1 de contexte.

Il est possible de mener l’analyse structurelle sur :

le parc résidentiel

le tertiaire

le neuf

l’existant

Il est possible de croiser ces dimensions en traitant du neuf tertiaire ou de l’existant résidentiel. Dans chacune de ces grandes catégories, il existe ensuite des sous-typologies.

Tertiaire : bureau, hospitalier, commerce,…

Résidentiel : collectif ou individuel.

Existant : catégories d’époques, de types constructifs, de types d’équipements de CVC, de performance énergétique

Neuf : catégories de types constructifs, de types d’équipements de CVC, d’objectifs de performance énergétique

Il est possible à partir de là de construire des stratégies spécifiques à chaque type de bâtiment pour réduire les consommations d’énergie. Dans le projet Homes qui a identifié des cibles marketing pour ces produits, la modélisation systémique réalisée peut apporter des éléments complémentaires.

5.3.2 Simulation du comportement dynamique

Dans les modélisations fonctionnelles, un processus agit sur plusieurs autres processus (complexité fonctionnelle)

On va tenter de répondre à la question suivante : quels sont les comportements dynamiques du système ?

Identifier les boucles de régulation du système :

Dans un premier temps, les phénomènes globaux les plus directement repérables à partir des modélisations fonctionnelles réalisées sont les suivants :

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- la régulation positive

Voici par exemple un enchaînement de processus constituant un phénomène de régulation positive ou d’auto amplification d’un flux :

En été lors des périodes de fortes températures

Plus le flux de chaleur transmis à l’occupant est grand, plus il a tendance à fermer les ouvertures sur l’extérieur pour empêcher la chaleur d’entrer, plus la chaleur produite par les sources internes s’accumulent dans l’ambiance, plus le flux de chaleur transmis à l’occupant est grand.

- le régulation négative

Voici de même que précédemment un exemple de régulation négative. En général, l’occupant peut réguler et maintenir des conditions d’ambiance en fonction de son état de confort et de ses possibilités d’action sur les équipements.

Par exemple :

Moins le flux de chaleur transmis à l’occupant est grand, plus l’occupant augmentera le niveau de chauffage, et plus la quantité de chaleur fournit à l’ambiance sera grande.

On remarquera qu’à partir du moment où la température de confort sera dépassée le comportement de l’occupant s’inversera. Ainsi, au bout d’un certain temps, il réussira à force de réglage à tendre vers une température d’équilibre. Ceci constitue une boucle de régulation négative « manuelle » de la température d’ambiance.

Les automates de contrôle de l’ambiance fonctionnent sur ce même principe de régulation négative. Seulement, les fonctions d’ajustement sont censées être plus performantes c’est à dire atteindre plus rapidement la consigne et limiter les dépassements.

Simuler le comportement dynamique global du système :

Dans un deuxième temps, afin d’avoir une approche plus fine des évolutions des flux, il faudrait se servir d’outils de simulation dynamique. Cela passe par la transcription du modèle systémique fonctionnelle sur un logiciel de simulation dynamique: Simulink par exemple. Une partie des processus de notre modèle a déjà été transcrite sur des logiciels de ce type notamment en thermique. Par exemple, le logiciel Simbad du CSTB fonctionne sur la base de Simulink. Notre démarche pourrait dans ce champ d’application permettre d’ajouter des processus jusqu’à maintenant non pris en compte à ces outils numériques.

Avant d’entreprendre cette étape, il faudrait s’attarder sur l’expression mathématique des fonctions de transfert associées aux processus. Là encore, le choix des éléments composant le système va conditionner le nombre des processus qui interviendront dans le comportement global du système.

La simulation dynamique permettra de confirmer ou d’infirmer en partie les résultats de l’analyse structurelle. En effet, en menant une étude sur la sensibilité du modèle aux paramètres, on fera ressortir des paramètres prépondérants sur le comportement global du système ou au contraire négligeable.

Considération préalable à l’application de la méthode :

Les hypothèses à faire dans ce cadre là doivent être plus contraignantes. Cela vient en partie du formalisme de l’outil logiciel utilisé. Tous les flux doivent être caractérisés par des paramètres et les processus par des fonctions mathématiques dépendant du temps.

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Du fait de ce paramétrage, les hypothèses à prendre sur le bâtiment d’étude doivent être plus détaillées que dans l’analyse structurelle.

Il faut également fixer la précision des résultats que l’on cherche à obtenir. Est-ce que l’on cherche à connaître les tendances d’évolution des flux ou la quantification avec seulement 1% d’erreur ? Evidemment, plus la précision demandée sera élevée plus le développement du modèle devra être important et plus son adaptabilité sera restreinte.

5.3.3 Tableau croisé processeurs / processus

Maintenant que l’on a vu comment l’on pouvait analyser les deux types de modélisation fonctionnelle et structurelle, on peut penser à mener une analyse croisée. Un processeur va être le siège de plusieurs processus (complexité croisée).

Cette dernière affirmation est illustrée en annexe dans la modélisation des différents transferts existant autour de la masse d’air intérieure. La plupart des éléments de la modélisation sont impliqués dans le déroulement de plusieurs processus traitant soit de flux d’air, de flux de chaleur, de flux radiatif, de flux électrique ou de flux d’information.

L’un des premiers travaux directs à partir des modèles réalisés serait de répertorier pour chaque élément les différents processus entrant en jeu. Il pourrait ainsi être en mis en évidence que l’action sur un élément de la structure est déclencheur de plusieurs processus.

Dans l’idéal, les processus parallèles peuvent satisfaire à deux objectifs différents. En revanche, la situation contraire est envisageable.. Par exemple, une action peut aller dans le sens de l’objectif de qualité d’air et desservir l’objectif de limitation des pertes énergétiques. Les éléments concernés par cette remarque sont tous ceux qui participent à la ventilation.

D’une manière plus globale, on peut à partir de cette modélisation mettre en place des stratégies de contrôle de l’ambiance tout en surveillant en parallèle les processus qui font consommer et perdre de l’énergie au système. Le tableau suivant donne un exemple sur deux éléments du travail à effectuer :

Processeur Processus

Occultation (partiellement ouverte) 1. Laisser passer les flux de rayonnement lumineux (CLO)

2. Laisser passer des flux de rayonnement thermique (GLO)

3. Laisser passer les flux de chaleur vers l’environnement en hiver, vers l’ambiance en été

4. Laisser passer les flux d’air

Luminaire (en fonctionnement) 1. Fournir de la lumière artificielle

2. Transmettre des flux de chaleur par effet joule à l’ambiance intérieure

A partir de ces tableaux, il est envisageable de bâtir les premières stratégies globales de rafraîchissement, chauffage, ventilation, éclairage,… en ayant conscience qu’à chaque action, on agit sur plusieurs phénomènes et pas sur un seul comme on pourrait le penser au départ.

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5.4 Analyse des architectures de réseau d’information et d’électricité

Aujourd’hui, les produits Homes ne sont pas encore conçus comme précisé dans la présentation du projet en partie 1. Cependant, il est possible de faire l’hypothèse suivante sans trop de risques. Les apports de Homes se feront en ajout de réseau de communication entre les équipements du bâtiment. Egalement, il sera sûrement proposé des automates coordonnant l’ensemble et apportant une assistance aux occupants. Des capteurs d’environnement (température, humidité, luminosité, gaz) et de confort seront intégrés au bâtiment. Ils seront sans fil (facilité d’installation dans l’existant) et sans pile (maintenance).

Dans nos modélisations, les réseaux portant l’information sont représentés en vert. Dans les exemples de la partie 2 et les annexes, on peut remarquer que des choix ont du être opérés sur les éléments que l’occupant à le droit de contrôler, ceux qui sont laissés uniquement sous contrôle d’un automate et les derniers qui peuvent êtres commandés manuellement et automatiquement. Ainsi, plusieurs architectures des réseaux d’information sont possibles.

Les modèles conçus présentent de bons moyens de les représenter clairement sous plusieurs configurations. Il serait ensuite intéressant de mettre au point une grille d’analyse de ces différents réseaux. Chaque configuration présente des avantages et des inconvénients qu’il faudrait pouvoir identifier au niveau des coûts, de la fiabilité du réseau, de la mise en œuvre ou même des impacts sur les stratégies de pilotage du système. Suivant que le contrôle des équipements se fait de manière centralisée ou propre à chaque équipement, les performances du système ne doivent pas être les mêmes.

Ainsi, pour approfondir cet aspect, il faudrait mener une étude pour mettre au point les critères déterminant dans le choix d’une architecture. A partir de là, il serait possible de comparer les différentes variantes. Certains des critères pourraient être tirés des analyses d’impacts décrites dans la sous partie précédente.

5.5 Quantifier les impacts

Les méthodes d’identification des impacts ont été évoquées précédemment. Cependant, dans l’optique d’aboutir à des résultats quantifiés, il faudra s’attacher à savoir comment l’on définit les indicateurs de confort et d’efficacité énergétique sur lesquels on s’appuie. Dans cette sous partie, nous évoquons les orientations possibles pour définir le critère de confort, celui d’efficacité énergétique et le compromis entre ces deux critères.

5.5.1 Critère de confort

Dans les modélisations réalisées dans ce MASTER, le confort de l’occupant dépend surtout des flux qu’il reçoit. A partir du moment où l’on aura réussi à quantifier assez précisément ces flux, il sera possible de déterminer l’indicateur global qui rendra compte de l’état de confort des personnes.

Une autre solution consiste à caractériser le confort par un jeu de plusieurs critères. Ils ont déjà été évoqués dans ce rapport. Il s’agit du confort lumineux, thermique, acoustique et celui relatif à la qualité de l’air. Par la suite, on pourrait s’appuyer sur ces indicateurs pour évaluer les impacts positifs ou négatifs de Homes sur le confort.

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Aujourd’hui, la norme NF EN 1525115 donne des méthodes pour évaluer une ambiance thermique sur une année. Les outils recommandés pour mener ces évaluations sont :

- Les simulations dynamiques

- Le mesurage sur le long terme des paramètres d’ambiance sélectionnés

- Les réponses subjectives des occupants

Les résultats sont ensuite présentés par catégorie de qualité. Sur chacun des volets de la thermique à l’éclairage, la qualité d’ambiance est répartie en 4 catégories : chacune correspond à une plage de valeur dans lequel est compris les paramètres de confort. Les pourcentages indiqués dans le tableau ci-dessous correspondent à la période de l’année pendant laquelle l’ambiance appartient à la catégorie considérée.

En phase d’exploitation du bâtiment, il existe deux orientations possibles pour caractériser le confort :

- les critères objectifs : température mesurée, éclairement mesuré,…

- les critères subjectifs : possibilité de l’occupant de communiquer au gestionnaire son niveau de satisfaction sur chacun des volets du confort

Chacun des deux points de vue a ses avantages et ses inconvénients. Les critères objectifs ne sont pas sensibles aux autres paramètres qui entrent en jeu dans le confort comme l’état psychologique de la personne, paramètres sur lesquels Homes ne peut rien faire. En revanche, l’avis des usagers permet d’avoir un retour sur le niveau de satisfaction réel des occupants.

5.5.2 Critère efficacité énergétique

De même que pour le confort, la notion de consommation énergétique pourrait être définie à partir du modèle systémique. L’une des caractéristiques de ce modèle est de représenter la globalité des flux et en particulier tous ceux véhiculant de l’énergie. L’efficacité énergétique pourrait être définie à plusieurs échelles :

- l’efficacité d’un élément : elle correspond au rapport de la quantité d’énergie utile qu’il transmet au système et la quantité d’énergie provenant de l’environnement qui l’alimente

15 NF EN 15251 Août 2007 E 51-762 intitulée « Critères d’ambiance intérieure pour la conception et

l’évaluation de la performance énergétique des bâtiments couvrant la qualité de l’air intérieur, la thermique, l’éclairage et l’acoustique »

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- l’efficacité du système : il s’agit de la consommation globale du bâtiment qu’il faut comparer ensuite aux réglementations en vigueur pour avoir une idée du niveau de performance atteint

L’un des intérêts de cette démarche résulte dans le fait que l’efficacité du système n’est pas la simple somme de l’efficacité des éléments. Dans le meilleur des cas, l’amélioration d’un élément peut s’amplifier et amener un gain d’efficacité au niveau du système plus grand que celui du simple élément amélioré. Dans le pire des cas, l’amélioration de l’efficacité énergétique d’un élément peut résulter dans une baisse de l’efficacité énergétique du système du fait de l’effet système et des interactions.

A terme cette démarche pourra se révéler satisfaisante si elle permet de faire apparaître ces effets qui sont non intuitifs lorsque l’on a une approche analytique c'est-à-dire que l’on s’intéresse qu’à l’optimisation d’une partie du système isolément.

5.5.3 Critère efficience d’une stratégie visant le compromis efficacité / confort par le pilotage des équipements

Si Homes se pose la question de la meilleure gestion possible de l’énergie et du confort, il est nécessaire de mettre en place des stratégies de pilotage des équipements. Elles devront prendre en compte toutes les sollicitations possibles de l’environnement : forts apports de chaleur ou fortes déperditions au niveau des éléments de l’enveloppe, faible ou fort rayonnement lumineux et thermique venant de l’atmosphère, faible ou fort débit d’air entrant et sortant,…

Mais également les différentes configurations d’occupation possibles. Il faut bien sûr commencer par savoir si le local auquel on apporte de l’énergie est occupé ou non. Une des mesures les plus simples à mettre en place dans un bâtiment pour économiser de l’énergie est de maintenir l’ambiance dans des conditions de confort optimales seulement si l’on en a besoin. Différents moyens sont disponibles pour mettre en place cette stratégie : la détection de présence, le renseignement d’un planning pris en compte par le gestionnaire d’ambiance, l’occupant qui signale son arrivée et son départ au gestionnaire d’ambiance par l’intermédiaire d’une interface,…

Au final, la meilleure stratégie de pilotage sera celle qui obtiendra le meilleur compromis entre chacune des deux exigences. Il faudrait définir plus précisément cette notion de compromis par des seuils minimum de confort et des consommations énergétiques à ne pas dépasser.

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5.6 Le cas réel : mise en place d’une démarche expérimentale

La dernière piste envisageable pour appliquer la démarche systémique mise en place au cours de ce travail serait la quantification des modèles par l’expérimentation. Il faudrait pour cela instrumenter une zone test pour quantifier chacun des flux.

L’objectif serait de tester les impacts de plusieurs stratégies de contrôle de l’ambiance. On pourrait chercher à confirmer les effets systèmes mis en évidence par les autres outils d’application. Voici les étapes essentielles de la démarche expérimentale.

5.6.1 Représentation de l’existant

Il faut dresser avant tout le modèle de la zone dépourvue de toute amélioration Homes. Cela passe par la mesure sur une période assez longue (idéalement un an) de tous les paramètres sélectionnés que l’on estime pertinents.

Ensuite, les résultats pourront être analysés sous la forme d’indicateurs tel que cela a été envisagé dans la sous partie précédente.

5.6.2 Implantation des solutions Homes

Les mêmes mesures peuvent être entreprises sur une zone similaire équipée pas les contrôleurs Homes. Il faut à ce moment là tester plusieurs stratégies afin de pouvoir se rendre compte de la sensibilité du système à chaque élément. Là encore l’idéal serait de disposer de plusieurs zones identiques où l’on pourrait implanter des stratégies de contrôle différentes pour chacune.

On pourra alors calculer des valeurs expérimentales des indicateurs de confort et les comparer à ceux obtenus sur la zone non équipée. De même, il faudrait réaliser les mêmes calculs pour l’efficacité énergétique. Mener les deux en parallèle est important car l’objectif reste d’obtenir le meilleur compromis possible.

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6 L’ANALYSE STRUCTURELLE : OUVERTURE SUR L’UNE

DES PERSPECTIVES D’APPLICATION DU MODELE

SYSTEMIQUE

6.1 Présentation et enjeux : une approche fondée sur les avis experts sur le système bâtiment et son environnement

Présentation

Cette approche est fondée sur la mise en commun de modélisations du bâtiment issues de points de vue divers. Elle a pour finalité de structurer la pensée d’un groupe de travail pluridisciplinaire et également d’identifier les éléments clés du système bâtiment et de son environnement. Dans un deuxième temps nous nous concentrerons sur l’analyse des impacts de Homes sur l’ensemble du système mais également sur l’identification des contraintes qui influenceront le fonctionnement et le développement des produits Homes.

L’une des limites de cette démarche repose dans la subjectivité de la modélisation. Les résultats obtenus sont fonction des avis des experts présents tant sur les éléments retenus que sur la notation des interactions entre éléments. Au moment d’analyser les résultats, on pourra par exemple expliquer certains faits surprenants par le poids d’un des acteurs dans la discussion.

Dans le cadre de ce master, nous proposons des modélisations qui ne sont pas issus d’un groupe de travail mais d’une réflexion personnelle. Il faut donc prendre en compte les modèles retenus à titre d’exemple servant à illustrer une démarche.

Enjeux

L’emploi de la méthode MICMAC sert à exploiter les principes de modélisation systémique mis en place dans ce travail de Master. Il s’agit de s’intéresser d’une manière particulière à la structure du système bâtiment et au tissu de relations entre les éléments. Rappelons que la structure contrairement au fonctionnement a pour caractéristique d’être stable sur une certaine période donnée. Cette connaissance structurelle du système permet par la suite d’anticiper l’évolution de sa morphologie ou même de son fonctionnement dynamique. Dans l’étude de cas que nous entreprendrons par la suite, la période considérer sera le cycle de vie d’un bâtiment en considérant qu’il ne subisse pas de réhabilitation lourde et un changement de destination au cours de son exploitation.

La morphologie correspond aux différentes configurations d’une même structure. Par exemple, l’amélioration des performances des enveloppes avec l’introduction de nouveaux matériaux plus élaborés correspond à une évolution morphologique du système. Tout bâtiment est évidemment déjà constitué d’une enveloppe qui verrait les matériaux qui la constitue et son architecture changer. Lorsque des éléments apparaissent dans le système, on parle alors d’évolution structurelle et non plus simplement morphologique. Par exemple, l’intégration des énergies renouvelables dans le bâtiment dans les prochaines années pourrait s’apparenter à une évolution structurelle du parc bâti en France.

Selon Michel Godet16, les deux objectifs fondamentaux de l’analyse structurelle sont : de se doter d’une représentation aussi exhaustive que possible du système étudié et de réduire la complexité du système aux variables essentielles.

16 Auteur du Manuel de prospective stratégique, Tome 2, L’art et la méthode.

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Le premier objectif était en partie celui de la première partie de ce Master. Nous avons construit une méthode de modélisation systémique et en particulier une modélisation structurelle dont nous nous servirons dans cette partie pour tenter de parvenir à réaliser le deuxième objectif qui est celui de réduire la complexité du système c'est-à-dire d’identifier les variables les plus influentes et les plus dépendantes du système bâtiment et de son environnement.

Cette méthode s’applique dans le contexte du programme Homes. L’entreprise Schneider Electric a pour objectif d’intégrer ses systèmes de contrôle dans la structure du système bâtiment en Europe. La question au travers de cette application serait de voir s’il est possible d’anticiper les impacts de Homes sur l’ensemble du système et notamment les impacts résultant d’influences indirectes d’ordre élevé. Nous opérerons en fait deux cas d’étude : l’analyse structurelle du système avant l’intégration de Homes et celle après.

6.2 Les notions utilisées dans la méthode MICMAC17

Une présentation théorique de cette méthode a déjà était faite dans une partie précédente. Rappelons seulement les notions importantes utilisées.

La première étape consiste à sélectionner les variables internes caractérisant le système et externes définissant son environnement, ainsi que les interactions qui les relient. Une variable est assimilable à un élément de la modélisation structurelle. En revanche, les interactions entre variables ne correspondent pas exactement aux réseaux puisque tout d’abord on ne spécifie pas la nature de l’interaction. Dans le cas où deux éléments sont reliés par plusieurs réseaux de nature différente, ils seront agrégés et représentés par une seule interaction.

Deux notions importantes de la méthode sont l’influence et la dépendance d’une variable. L’influence se quantifie par la somme des actions (mesurées de 0 à 3) exercées par la variable sur l’ensemble des variables du système. La dépendance est au contraire la somme des actions exercées sur la variable par les autres variables du système.

La matrice des influences directes (MID) comporte l’ensemble des actions directes d’une variable sur une autre. L’élément aij placé sur la ligne i et la colonne j de MID est l’action de la variable i sur la variable j. Ainsi, la somme de la ligne i correspond à l’influence directe de la variable i et la somme de la colonne i à sa dépendance directe.

La matrice des influences indirectes (MII) s’obtient en passant MID à la puissance. L’ensemble des variables voient leur influence et leur dépendance évoluer lorsque les relations indirectes sont prises en compte.

Les systèmes analysés par cette méthode seront soit stable soit instable :

- Stable : le classement des variables par influence et dépendance ne varie plus à partir

d’un certain ordre de passage à la puissance

- Instable : le classement des variables varie à chaque passage à la puissance

17 La méthode MICMAC a été créée par Michel Godet et développée au sein du LIPSOR - Cf M.Godet, Manuel de

prospective stratégique, Tome 2 Editions Dunod 2001 - Cf M.Godet, Creating Futures Scenario Planning as a strategic Management Tool, Editions Economica

70

Figure 10 Position des variables dans le plan Influence Dépendance dans le cas d'un système stable ou instable

La lecture pratique des résultats et leur analyse peut se faire sous plusieurs formes présentées ci-après.

A. Plan direct : plan représentation des variables. L’abscisse correspond leur

dépendance directe et l’ordonnée à leur influence directe.

B. Plan indirect : l’abscisse est la dépendance indirecte et l’ordonnée à l’influence

indirecte (il est conseillé d’atteindre l’ordre de relation indirect où la matrice est

stable)

C. Plan des déplacements : superposition des plans directs et indirects où l’on visualise

les effets du système sur les variables

D. Classement direct et indirect par dépendance

E. Classement direct et indirect par influence

71

Figure 11 Interprétation des plans Influence Dépendance indirects

6.3 La modélisation structurelle préalable à l’analyse

6.3.1 Définition du système et des éléments qui le composent

La première étape de la démarche consiste à définir le système bâtiment sur lequel on travaille. Cette définition est en rapport avec les objectifs de la modélisation que l’on s’est fixé c'est-à-dire ceux de Homes qui veulent à la fois améliorer le confort d’ambiance et l’efficacité énergétique dans le bâtiment. D’un autre côté, il faut avoir une vue la plus exhaustive possible du système pour éviter d’omettre des dimensions impactées par Homes. Cette double exigence peut par moments sembler contradictoire puisqu’on peut être amené à modéliser des éléments et des interactions qui ne sont pas impacté.

Dans le cadre de ce travail de Master, une méthode de modélisation systémique du bâtiment a été mise au point. Nous allons l’utiliser en préalable à l’analyse structurelle du système bâtiment et de son environnement. Cependant, le point de vue adopté jusqu’à maintenant dans ce travail était celui de la physique des ambiances. Le système a ainsi été défini essentiellement par une approche technique et physique. Les éléments retenus dans le système étaient l’ambiance, les équipements ou encore l’enveloppe.

Dans le cadre de cette application d’analyse structurelle, il est nécessaire d’élargir le champ des points de vue. Nous y arriverons en faisant l’exercice de constitution d’un groupe de travail de spécialistes. Il faudra répéter le travail de modélisation structurelle du système mais par le biais d’autres points de vue d’ordre économique, social, architectural ou encore environnemental.

72

6.3.2 Constitution de matrices d’impacts directs

Tout d’abord, il faut définir ce que l’on désigne par une influence direct. Le Manuel de Prospective Stratégique de Michel Godet donne déjà 3 questions qui permettent d’identifier un relation directe :

1) Y a-t-il bien influence directe de la variable i sur la variable j, ou bien la variable n’est-elle pas plutôt de j vers i ?

2) Y a-t-il influence de i sur j ou bien n’y a-t-il pas colinéarité, un troisième variable k agissant sur i et j ?

3) La relation de i à j est-elle directe, ou bien passe-t-elle par l’intermédiaire d’une autre variable r de la liste ?

D’autres considérations d’ordre plus pratique aident au remplissage de la matrice. L’expérience autour de cette méthode a démontré que le taux de remplissage de la matrice devait se situer entre 15% et 25%. Ce taux de remplissage est fortement dépendant des variables que l’on choisit de retenir. Une variable définie de manière trop large pourra être identifiée par le fait qu’elle a une influence sur de nombreuses variables du système. Au contraire, une variable trop restreinte se verra par le fait qu’elle n’a que très peu de relations avec l’ensemble du système. Ce type d’analyse sur MID peut en première approche amener à revenir sur la définition du système et à sa modélisation.

Il s’agit sûrement de l’étape de l’analyse structurelle qui demande le plus de temps. Elle implique des discussions entre les membres du groupe pour décider de l’intensité de chaque interaction si tant est qu’un accord ait été trouvé sur l’existence de l’interaction.

Lorsque l’on construit un modèle structurel du système, on s’aperçoit que plusieurs types de réseaux relient les éléments. Les réseaux présents à l’intérieur et à l’extérieur du système sont très différents les uns des autres. Le mode de fonctionnement de la méthode fait que l’on caractérise l’importance d’un réseau par une note allant de 1 à 3 sans unité. Cela vient nous rappeler seulement que ces chiffres caractérisant les interactions n’ont pas de signification scientifique. Ils indiquent le poids que l’on peut leur attribuer du point de vue d’un décideur ou d’un observateur qui a une vue d’ensemble du système.

L’intérêt mais aussi la difficulté de l’approche se fait ressentir à cette étape. Certaines interactions font l’objet de débats. Suivant la position que l’on occupe dans le jeu d’acteur, on n’a pas la même perception du système et donc des influences qui s’y exercent.

Dans le cadre de cette application, nous ne nous sommes pas appuyés sur un vrai groupe de travail. La méthode choisie pour reproduire le travail d’un groupe d’experts consiste à constituer un modèle et une matrice d’impact direct (MID) pour chaque expert. Ensuite, nous verrons comment il est possible de passer de ces modélisations partielles à une vision relativement globale.

6.3.3 Analyse des résultats : recherche des éléments influents, dépendants et relais du système

La méthode Micmac donne comme résultat à partir d’une matrice d’impact :

1. les classements directs et indirects par influence des variables

2. les classements directs et indirects par dépendance des variables

3. le plan des déplacements

73

Trois catégories de variables nous intéressent particulièrement dans notre objectif de simplification de la complexité du système : les variables influentes, les variables relais et les variables dépendantes (cf figure de la partie 1.1).

Les résultats obtenus paraissent normalement à 80% évidents et auraient pu être prédits sans modélisation. Les 20% restant nous intéressent particulièrement. Il s’agit de « variables cachées ». Dans le plan direct, elles n’apparaissent pas comme appartenant aux trois catégories évoquées ci-dessus. En revanche, elles se déplacent dans le plan après prise en compte des relations indirectes.

Une fois ces résultats obtenus, de nombreuses questions peuvent se poser qui imposent un retour sur les hypothèses avancées au niveau de la modélisation :

- Est-ce-que toutes les variables influentes, relais et dépendantes a priori ressortent après la mise en place de l’analyse structurelle ? Si ce n’est pas le cas, quels sont les effets et « mécanismes » du système qui interviennent ?

- Peut-on expliquer que telle variable a priori faisant partie du « peloton » passe dans une des très catégories clés ?

74

6.4 Le cas d’étude : un bâtiment de bureau

6.4.1 Pourquoi se limiter un cas d’étude ?

Comme cela a été présenté dans les éléments de contexte de la première partie, le programme Homes vise une grande majorité du parc immobilier européen. L’idéal serait de pouvoir couvrir l’ensemble de ce champ d’étude par la suite. Seulement, il se trouve que très vite il est utile lors des modélisations structurelles de faire des hypothèses. D’un type de bâtiment à l’autre, les éléments présents dans le système et autour ne sont pas les mêmes. Il est facile de se l’imaginer lorsque l’on tente de comparer la structure (au sens de la lecture systémique) d’un hôpital et d’un immeuble de bureau. En revanche, il sera possible ensuite d’adapter certaines parties de la modélisation à d’autres bâtiments.

Ce positionnement permet au moins de se mettre en situation pour le choix des éléments à retenir et sur les relations qu’ils entretiennent. Lorsque la démarche sera arrivée à terme, il s’agira sûrement d’un bâtiment de bureau de référence. Certains bâtiments présentant des usages spécifiques demanderaient des adaptations mais l’essentiel des aspects relatifs à l’utilisation par une entreprise devront être pris en compte.

Il pourrait apparaître que la conséquence de ce mode de pensée serait d’uniformiser le parc immobilier tertiaire sans laisser place à la créativité d’un architecte ou à la prise en compte des conditions climatiques locales. En fait, ce serait faire une mauvaise interprétation de la modélisation structurelle. Lorsque l’on modélise l’enveloppe par exemple, on ne s’attache pas à savoir quelle forme elle possède ou encore de quels matériaux elle est composée. Il faut en rester aux éléments qui la composent : des parois opaques, des parois vitrées ou encore des ouvrants. Ces éléments sont tous présents dans un bâtiment de bureau. Ensuite, si l’on passe à une analyse morphologique du système, il convient de voir les différentes formes que peuvent prendre les éléments du système.

Pour ce qui est des interactions entre les éléments, la question est plus délicate à trancher. Il faut définir une interaction plutôt comme le poids que l’on doit accorder à une relation que comme une grandeur physique de flux. Ce poids peut être relatif à l’ampleur d’un phénomène suscité par une sollicitation d’un élément sur un autre. Etant donné que l’on n’a pas la possibilité d’étudier en détails chaque interaction, on s’en remet aux avis des experts.

Le cas du bâtiment de bureau présente également l’avantage d’être un secteur d’importance tout en comportant des usages plus simples à identifier que dans un logement ou un hôpital.

6.4.2 Composition d’un groupe de travail fondé sur l’évaluation de la qualité de la construction

Le groupe de travail doit être pluridisciplinaire. La modélisation pourra ainsi être la plus complète possible afin de se donner la chance d’entrevoir l’ensemble des enjeux liés à l’intégration des technologies Homes. Cette référence au thème de la qualité dans la construction a l’avantage de présenter les domaines dans lesquels on étudie l’impact de la construction. Cela donne en tout cas des pistes pour déterminer dans quelles directions orienter la modélisation et quels points de vue adopter.

Ce découpage théorique provient d’une étude sur les éco quartiers, sujet devenant de plus en plus d’actualité et où les problématiques de la construction sont centrales.

75

Voici les dimensions de la qualité de la construction retenues pour la constitution d’un groupe de travail18 :

- La qualité urbaine

« Qu’il s’agisse de bâtiments à usage public, de tertiaire ou de logements, l’ensemble de ces critères joue sur la façon dont la population vit l’espace urbain qu’elle occupe : aussi bien en termes de liens sociaux, d’identité culturelle, que d’équité (en particulier pour les équipements collectifs, mais aussi dans le cas des logements, où la notion de mixité sociale et fonctionnelle est intimement liée à celle de qualité urbaine) et, de manière plus générale, en termes de qualité de vie. »

- La qualité sociale la problématique du développement durable se trouve la question de la qualité « Assurer la qualité sociale d’un quartier, en termes de construction ou de rénovation de bâtiments, impose d’en faire un lieu accessible aux personnes aux ressources modestes par une diversité de l’offre de logements et par l’engagement de démarches de maîtrise des coûts de la construction (accès à la propriété à moindre coût, offre suffisante de logements à louer) et de maîtrise des charges payées par les occupants. Cela nécessite également de garantir son accessibilité aux personnes âgées et aux personnes handicapées. Une diversité dans les produits proposés (logement en accession, en locatif privé et social) est à privilégier pour permettre la mobilité résidentielle et favoriser une mixité sociale, ethnique et générationnelle. De nombreux outils peuvent être mobilisés pour ce faire, de la maîtrise du foncier assortie de conditions de cession des lots à l’aide aux opérateurs ou aux personnes, de la mobilisation des organismes constructeurs à l’intégration de critères ad hoc dans les appels d’offre. »

- La qualité d’usage « S’agissant de la construction, la qualité de vie ne peut être nourrie que par une véritable qualité d’usage, pensée pour tous et évolutive. Si la qualité finale d'un équipement ou d’un logement s'apprécie du point de vue architectural, technique, environnemental et économique, elle se mesure surtout par sa capacité à répondre de manière optimale aux différents usages, pratiques et modes de vie de ses occupants. Il s’agit sans doute pour certains d’une évidence, mais il n’est pas inutile de la rappeler, afin d'éviter, comme cela arrive parfois, que des projets pourtant bien pensés techniquement deviennent des obstacles insurmontables à des pratiques souvent ordinaires. La qualité d’usage d’un logement ou d’un équipement prend en compte à la fois : - la qualité fonctionnelle des espaces qui doivent permettre d'assurer dans les meilleures conditions possibles les usages et activités souhaitées.

- son aptitude à assurer le confort des occupants et usagers - la sûreté des locaux et leur surveillance ainsi que la sécurité des occupants - les conditions de maintenance et d’entretien des bâtiments »

- La qualité environnementale et sanitaire « Le bâtiment est un assemblage complexe de composants, produits et matériaux dont on est en mesure aujourd’hui de caractériser l’impact environnemental global sur l’ensemble de leur cycle de vie; au cours de sa vie en œuvre, le bâtiment est également un « système » actif qui consomme de l’énergie et de l’eau, rejette pollution et déchets. »

18 Source : www.ecoquartiers.developpement-durable.gouv.fr/

76

- La qualité économique « Comme à l’échelle du quartier, atteindre la qualité économique d’une opération de construction implique nécessairement de la considérer sur toute sa durée de vie, selon une approche de coût global, combinant coûts de management de projet, d’études et d’investissement mais également coûts d’exploitation du bâtiment. »

Au vue de ces différents aspects, le groupe de travail sera constitué d’acteurs chacun spécialiste sur chacun de ces domaines ou au moins ayant un avis sur chacune de ces questions. Il faut aussi prendre en compte des acteurs pas forcément issus du milieu de la recherche ou des bureaux d’études mais qui ont des intérêts particuliers dans le bâtiment tel que le maître d’ouvrage.

Voici les acteurs qui participeraient à ce groupe de travail :

Acteur de la construction Centre d’intérêt

Architecte programmiste Qualité d’usage, qualité urbaine

Ingénieur bâtiment Qualité environnementale, qualité

économique

Maître d’Ouvrage Qualité économique, autres qualités en

fonction des objectifs de l’opération

Gestionnaire Qualité d’usage, qualité économique

(responsable des coûts d’exploitation)

Sociologue Qualité sociale

Représentant de Homes Qualité environnementale (efficacité

énergétique), qualité d’usage (confort

d’ambiance)

77

6.5 La modélisation multi points de vue

6.5.1 Introduction

Les principes de modélisation du système bâtiment sont ceux de la modélisation structurelle développée dans les parties précédentes. Chaque acteur du groupe de travail réalise sa propre modélisation dans le cadre des principes suivants:

Le système bâtiment est constitué d’éléments inter reliés

L’environnement doit être modélisé avec approximativement le même nombre de variables

Les relations sont quantifiées par des valeurs entières de 0 à 3 :

0 : pas de relation

1 : influence faible

2 : influence moyenne

3 : influence forte

- La modélisation réalisée est fait dans l’optique où le système a une finalité. Celle-ci change

d’un point de vue à l’autre. Il est utile de la préciser pour comprendre le sens des interactions

retenues.

Remarques :

Un élément peut être de natures diverses : une personne, une entité, un équipement ou

un objet

Un phénomène tel que les déperditions ou la consommation énergétique ne sont pas

des éléments à proprement dit. Il s’agit de processus résultant d’une activité dans un

ou plusieurs éléments.

Dans les paragraphes suivants est exposée la modélisation retenue pour chaque point de vue. Elles comportent une liste de variable, une représentation graphique non exhaustive de la structure du système et la matrice d’influence directe (MID).

78

6.5.2 Ingénieur bâtiment

Il est responsable d’études techniques voire techno-économiques sur les problématiques d’optimisation de la performance énergétique du bâtiment mais aussi de confort d’éclairage et de confort acoustique. Certains sont également spécialistes sur les questions de structure.

La finalité du système de son point de vue: Optimiser la conception ou la réhabilitation d’un bâtiment sur des critères essentiellement techniques mais également économiques. Le thème de la consommation énergétique et des impacts environnementaux sont aujourd’hui parmi ses premières priorités.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Ouvrants Ouvrants

2 Parois vitrées Par vitr

3 Parois opaques Par op

4 Ventilation Ventil

5 Equipements d'ambiance Eq amb

6 Equipements d'alimentation Eq alim

7 Equipements de bureautique Eq bur

8 Ambiance Amb

9 Occupant Occ

10 Luminaires Lumi

11 Climat Climat

12 Soleil Soleil

13 Végétation et cours d'eau Vég

14 Formes de l'environnement urbain Urb

15 Transports Trans

16 Météo Météo

Figure 12 Variables structurelles du point de vue de l'ingénieur bâtiment.

79

Figure 13 Matrice d'Influence Directe du point de vue d'un ingénieur bâtiment.

80

6.5.3 Architecte programmiste

Il est responsable d’apporter une réponse architecturale aux besoins des usagers en tenant compte des contraintes d’ordre divers. .

La finalité du système de son point de vue: Assurer le confort, la santé et la sécurité de l’occupant.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Site Site

2 Sûreté Sûreté

3 Accès Accès

4 Enveloppe Env

5 Espaces de vie Esp vie

6 Equipements de confort d'ambiance

Eq amb

7 Equipements de bureautique Eq bur

8 Equipements de confort esthétique

Eq esth

9 Occupants Occ

Figure 14 Variables structurelles du point de vue de l'architecte programmiste.

Figure 15 MID du point de vue d'un architecte programmiste.

81

6.5.4 Maître d’ouvrage

Il est décideur et financeur de l’opération. Les choix effectués sur tous les plans tant techniques, juridiques ou financiers retournent de sa responsabilité.

La finalité du système de son point de vue: Optimiser les différents objectifs qu’il s’est fixé sur des domaines allant de l’intégration architecturale à la qualité environnementale. La rentabilité économique du projet sur le long terme est une contrainte importante.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Etat Etat

2 Réglementation technique du bâtiment

Reg tech

3 Subventions de l'état Sub Etat

4 Collectivités locales Coll loc

5 Réglementations locales Rég loc

6 MO MO

7 Programme Programme

8 MOE MOE

9 Projet Projet

10 Contrôleur technique Ctrl tech

11 Quartier Quartier

12 Ville Ville

13 Société Société

14 Economie Economie

15 Economie locale Eco loc

16 Fournisseurs d'énergie Fourn éner

17 Usagers Usagers

18 Gestionnaire Gest

19 Environnement Envnmt

Figure 16 Variables structurelles du point de vue du maître d'ouvrage.

82

Figure 17 MID du point de vue du maître d'ouvrage.

83

6.5.5 Gestionnaire

Il est responsable de maintenir le niveau de performance du bâtiment.

La finalité du système de son point de vue: Résister sur la durée du cycle de vie.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Enveloppe Env

2 Ambiance Amb

3 Météo Météo

4 Occupants Occupants

5 Gestionnaire Gest

6 Mobilier Mobilier

7 Equipements Equip

8 Entreprise de maintenance

Ent maint

Figure 18 Variables structurelles du point de vue du gestionnaire

Figure 19 MID du point de vue du gestionnaire

84

6.5.6 Sociologue

Il ne vient pas en tant qu’acteur du terrain. Sa spécialité l’amène à réfléchir sur l’interaction entre le bâtiment et la société.

La finalité du système de son point de vue: Intégrer au mieux les besoins des usagers suivant leur origine sociale.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Espaces de vie Esp vie

2 Espaces d’activités Esp act

3 Abords Abords

4 Accès Accès

5 Ville Ville

6 Quartier Quartier

7 Architecture de l’enveloppe Archi env

8 Occupants Occupant

9 Société Société

10 Image du bâtiment de l’entreprise

Im bât ent

Figure 20 Variables structurelles du point de vue du sociologue.

Figure 21 MID du point de vue d'un sociologue.

85

6.5.7 Homes

L’entreprise Schneider Electric dans le cadre du programme Homes a pour objectif de concevoir puis commercialiser des contrôleurs qui optimiseront l’efficacité énergétique et le confort de l’usager.

La finalité du système de son point de vue: se réguler pour maintenir une ambiance en adéquation avec les besoins des usagers avec une efficacité énergétique optimale.

N° Intitulé long Intitulé court

1 Ambiance Ambiance

2 Enveloppe Enveloppe

3 Architectures de contrôle Archi ctrl

4 Equipements d'ambiance Eq amb

5 Equipements de réseau Eq rés

6 Equipements d'alimentation centrale

Eq alim

7 Equipements de bureautique Eq bur

8 Occupants Occupants

9 Météo Météo

10 Atmosphère Atmo

Figure 22 Variables structurelles du point de vue de Homes

Figure 23 MID du point de vue d'un représentant de Homes.

86

6.6 Vers une modélisation systémique

Une discussion au sein d’un groupe de travail permet de passer des modélisations par acteur à un modèle structurel plus global. L’objectif reste d’avoir un point de vue macro partagé par l’ensemble de la chaîne des acteurs pour répondre à des problématiques qui concernent de nombreux acteurs tels que l’efficacité énergétique ou le confort de l’occupant.

6.6.1 Les variables du modèle structurel global

Chaque acteur du groupe de travail fictif a choisi les variables qu’il estime pertinentes pour traiter du système bâtiment. Il a donc du faire des choix d’échelle de représentation et d’éléments constitutifs du système. Ce choix a été fait en vue d’aboutir à un objectif ou une finalité à laquelle le bâtiment doit aboutir.

Plusieurs questions se posent alors au sein du groupe de travail :

Quel finalité doit remplir le système bâtiment modélisé et dans quel optique doit être réalisé la modélisation structurelle ? Dans notre cas d’application, l’objectif global est en fait double. Il faut assurer l’efficacité énergétique tout en améliorant le confort thermique de l’occupant.

Quelle échelle retenir pour la modélisation ? A cette question, il n’est pas facile de répondre tout de suite. Des éléments de détail qui sont considérés comme non pertinents d’un certain point de vue, peuvent se révéler influents ou très dépendants sous d’autre point de vue.

Le plus difficile à percevoir sont les éléments qui semblent inutiles à tous les acteurs présents et qui pourtant se révèlent primordiaux à un niveau global. Par exemple, l’élément « atmosphère » a pendant très longtemps mis de côté et pendant tout le 20ème siècle, le recours aux énergies fossiles n’était que rarement remis en question.

Sur quels éléments, est-il pertinent de s’arrêter en vue de la finalité globale?

Les choix des éléments dans les premiers essais doivent être le plus large possible pour éviter de mettre trop vite de côté des éléments clés. Le risque de cette démarche est de prendre en compte des éléments au départ injustifiable directement. Les conclusions donneront raison ou tort aux choix du groupe de travail. De toute façon, les conséquences ne sont pas dramatiques au niveau des résultats car les variables inutiles apparaîtront dans la partie des variables exclues. Cependant, une vision trop large nuira au déroulement des débats car le risque est de ne plus avoir à l’esprit la finalité globale du système et que les intervenant soient perturbés par des variables parasites dont ils ne comprennent l’impact.

87

Pour la suite de l’exercice d’application, la constitution de la liste des variables a été faite en agglomérant toutes les variables évoquées par chacun des acteurs sans en mettre de côté a priori. Dans cet exemple simpliste, de nombreuses variables sont revenues au cours des débats. Cela montre d’une certaine manière la nécessité d’une approche interdisciplinaire puisque les modèles s’entrecroisent.

Les deux tableaux suivants présentent le passage d’une liste de variable sans consensus à une liste issue d’une réflexion collective. Le premier tableau montre par le jeu de couleur quelles sont les variables communes à plusieurs acteurs. Le deuxième tableau agrège les variables et présente la liste retenue pour le système global. Les variables colorées sont celles partagées par plusieurs acteurs.

88

Tableau 6 Liste des variables évoquées par tous les acteurs avant des discussions.

N° Intitulé long Intitulé court Thème

1 Ouvrants Ouvrants Thermicien

2 Parois vitrées Par vitr Thermicien

3 Parois opaques Par op Thermicien

4 Ventilation Ventil Thermicien

5 Equipements d'ambiance Eq amb Thermicien

6 Equipements d'alimentation Eq alim Thermicien

7 Equipements de bureautique Eq bur Thermicien

8 Ambiance Amb Thermicien

9 Occupant Occ Thermicien

10 Luminaires Lumi Thermicien

11 Climat Climat Thermicien

12 Soleil Soleil Thermicien

13 Végétation et cours d'eau Vég Thermicien

14 Formes de l'environnement urbain Urb Thermicien

15 Transports Trans Thermicien

16 Météo Météo Thermicien

17 Site Site Programmiste

18 Sûreté Sûreté Programmiste

19 Accès Accès Programmiste

20 Enveloppe Env Programmiste

21 Espaces de vie Esp vie Programmiste

22 Equipements de confort d'ambiance Eq amb Programmiste

23 Equipements de bureautique Eq bur Programmiste

24 Equipements de confort esthétique Eq esth Programmiste

25 Occupants Occ Programmiste

26 Enveloppe Env Gestionnaire

27 Ambiance Amb Gestionnaire

28 Météo Météo Gestionnaire

29 Occupants Occupants Gestionnaire

30 Gestionnaire Gest Gestionnaire

31 Mobilier Mobilier Gestionnaire

32 Equipements Equip Gestionnaire

33 Entreprise de maintenance Ent maint Gestionnaire

34 Etat Etat MO

35 Réglementation technique du bâtiment Reg tech MO

36 Subventions de l'état Sub Etat MO

37 Collectivités locales Coll loc MO

89

38 Réglementations locales Rég loc MO

39 MO MO MO

40 Programme Programme MO

41 MOE MOE MO

42 Projet Projet MO

43 Contrôleur technique Ctrl tech MO

44 Quartier Quartier MO

45 Ville Ville MO

46 Société Société MO

47 Economie Economie MO

48 Economie locale Eco loc MO

49 Fournisseurs d'énergie Fourn éner MO

50 Usagers Usagers MO

51 Gestionnaire Gest MO

52 Environnement Envnmt MO

53 Espaces de vie Esp vie Sociologue

54 Espaces d'activités Esp act Sociologue

55 Abords Abords Sociologue

56 Accès Accès Sociologue

57 Ville Ville Sociologue

58 Quartier Quartier Sociologue

59 Architecture de l'enveloppe Archi env Sociologue

60 Occupants Occ Sociologue

61 Société Société Sociologue

62 Image du bâtiment et de l'entreprise Im bât ent Sociologue

63 Ambiance Ambiance Homes

64 Enveloppe Enveloppe Homes

65 Architectures de contrôle Archi ctrl Homes

66 Equipements d'ambiance Eq amb Homes

67 Equipements de réseau Eq rés Homes

68 Equipements d'alimentation centrale Eq alim Homes

69 Equipements de bureautique Eq bur Homes

70 Occupants Occupants Homes

71 Météo Météo Homes

72 Atmosphère Atmo Homes

90

Tableau 7 Liste des variables après discussions et consensus

N° Intitulé long Intitulé court Acteur concerné

1

Ouvrants Ouvrants Thermicien, programmiste (enveloppe), gestionnaire (enveloppe), Homes (enveloppe)

2

Parois vitrées Par vitr Thermicien, programmiste (enveloppe), gestionnaire (enveloppe), Homes (enveloppe)

3

Parois opaques Par op Thermicien, programmiste (enveloppe), gestionnaire (enveloppe), Homes (enveloppe)

4

Ventilation Ventil Thermicien, programmiste (enveloppe), gestionnaire (enveloppe), Homes (enveloppe)

5

Equipements d'ambiance Eq amb Thermicien, programmiste, gestionnaire (équipements), Homes

6 Equipements d'alimentation Eq alim Thermicien, Homes

7 Equipements de bureautique Eq bur Thermicien, programmiste, Homes

8

Ambiance Amb Thermicien, programmiste, gestionnaire, sociologue, Homes

9

Occupant Occ Thermicien, gestionnaire, MO, sociologue, Homes

10 Luminaires Lumi Thermicien

11 Sûreté Sûreté Programmiste

12 Accès Accès Programmiste

13

Equipements de confort esthétique

Eq esth Programmiste, gestionnaire (mobilier)

14 Gestionnaire Gest Gestionnaire, MO

15 Projet Projet MO

16 Espaces d'activités Esp act Sociologue

17 Architecture de l'enveloppe Archi env Sociologue

18 Architectures de contrôle Archi ctrl Homes

19

Climat Climat Thermicien, Homes, MO (environnement)

20 Soleil Soleil Thermicien

21 Végétation et cours d'eau Vég Thermicien

22

Formes de l'environnement urbain

Urb Thermicien, MO (ville, quartier), sociologue (ville, quartier), programmiste ( site)

23 Transports Trans Thermicien

24 Météo Météo Thermicien, gestionnaire, Homes

25 Entreprise de maintenance Ent maint Gestionnaire

91

26 Etat Etat MO

27

Réglementation technique du bâtiment

Reg tech MO

28 Subventions de l'état Sub Etat MO

29 Collectivités locales Coll loc MO

30 Réglementations locales Rég loc MO

31 MO MO MO

32 Programme Programm

e MO

33 MOE MOE MO

34 Contrôleur technique Ctrl tech MO

35 Société Société MO, sociologue

36 Economie Economie MO

37 Economie locale Eco loc MO

38 Fournisseurs d'énergie Fourn éner MO

39 Abords Abords Sociologue

40

Image du bâtiment et de l'entreprise

Im bât ent Sociologue

6.6.2 Un consensus nécessaire sur les interactions

Une fois la liste des variables arrêtée, on peut passer à la discussion sur les interactions. Dans cet exemple, nous avons fixé un code couleur (cf légende ci-dessous) relatif désormais à l’acteur concerné par l’interaction. Les cases de couleur « Orange vif » sont celles où plusieurs acteurs ont un avis.

0 Architecte programmiste

0 Gestionnaire

0 Ingénieur bâtiment

0 Maître d'Ouvrage

0 Sociologue

0 Points de discussion

Figure 24 Code couleur utilisé sur la MID du système global.

Figure 25 Matrice des influences directes pour le système global.

93

6.7 Les résultats de la méthode

6.7.1 Analyse des matrices à l’aide de MICMAC

Afin d’analyser le système global, nous nous appuierons sur le plan des déplacements des

variables dans le plan influence-dépendance, les classements directs et indirects par influence

et les classements directs et indirects par dépendance.

Figure 26 Plan des déplacements avant l'intégration de Homes.

94

Lecture du plan des déplacements avant l’intégration de Homes

Les variables influentes :

La météo et le soleil

Les variables relais :

L’ambiance, les occupants

Les variables dépendantes :

Les équipements d’ambiance

Les variables de tête du peloton :

Les équipements de bureautique, les ouvrants, les parois vitrées

Figure 27 Plan des déplacements après intégration de Homes.

95

Lecture du plan des déplacements après l’intégration de Homes

Les variables influentes :

La météo, les architectures de contrôle et le soleil

Les variables relais :

L’ambiance, les occupants

Les variables dépendantes :

Les équipements d’ambiance

Les variables de tête du peloton :

Les équipements de bureautique, les ouvrants, les parois vitrées

6.7.2 Synthèse et critique des résultats

La première remarque que l’on peut faire sur ces résultats en comparant les deux plans de déplacement semble être que la structure du système tel qu’il a été modélisé n’est pas perturbée par l’intégration de Homes dans le bâtiment de bureau. Il constitue un élément influent de plus pour le système avec la météo et le soleil. Au passage, on constate qu’il s’agit alors du seul élément influent interne au système puisque la météo et le soleil font partie de l’environnement.

Le seul élément réellement dépendant est l’ensemble des équipements d’ambiance. Pour ce qui est des deux éléments relais : on retrouve l’occupant et l’ambiance. En effet, l’occupant est un acteur influent qui a la possibilité de commander une grande partie des éléments du système mais son état de satisfaction et sa grande sensibilité aux conditions intérieures de tout ordre le rend dépendant. L’ambiance est confirmée comme un carrefour notamment de flux physiques.

A la vue du déroulement de la constitution du modèle, les résultats n’ont rien d’étonnant. Ce travail ne s’appuie pas sur l’interdisciplinarité. Le côté thermique du système ressort. Les variables d’ordre économique, social ou urbain qui ont été introduites dans la dernière partie de ce Master sont pour la plupart exclues. Deux possibilités sont à envisagées : soit faire un retour sur le choix de ces variables, soit réévaluer leurs impacts directs sur le système. Le manque de connaissance dans un domaine fait passer inévitablement à côté d’interactions. Des variables a priori influentes ont été mises de côté telle que les variables économiques et celles de la fourniture d’énergie qui est directement lié.

Egalement, il est possible de remettre en question le poids de Homes dans le système. Si l’on devait prendre au pied de la lettre les résultats obtenus à ce stade, les équipements de contrôle sont un élément clé à considérer pour traiter l’efficacité énergétique et l’amélioration du confort. En tout cas, ils surpassent en influence les éléments de l’enveloppe quel qu’il soit.

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6.7.3 Perspectives

Ce travail gagnerait en intérêt et en cohérence s’il était alimenté par un véritable groupe de travail. L’équilibre entre les points de vue est une question importante à traiter qui n’a pas été encore abordée. Il en est de même du poids relatif de chaque interaction.

Les conditions de mise en place de la démarche d’analyse structurelle ont été établies tout au long de cette dernière partie de Master. Les perspectives seraient de voir comment faire respecter l’équilibre des points de vue si l’on considère que chaque aspect et chaque acteur a une influence sur l’efficacité énergétique et le confort.

En conclusion de cette partie, nous soulignerons la richesse de cette méthode qui permet de confronter des éléments du bâtiment qui ne sont pas inter reliés de manière évidente. Le point faible réside, on l’aura vu dans les personnes qui renseignent les matrices d’impact. Si l’impact direct est évalué en dépit de toute justification cohérente, des résultats éloignés de la réalité ressortent. Les erreurs commises lors de ces notations sont difficilement évaluables, ce qui fait que l’on ne sait pas à quel point, il est possible de s’appuyer sur les résultats. La seule compétence des experts est le gage de la précision des résultats.

Afin de vérifier la robustesse de la méthode, l’idée serait de faire travailler plusieurs groupes de travail sur un même bâtiment pour voir les variations au niveau des conclusions.

97

CONCLUSION

Ce MASTER aura été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre le LASH (Laboratoire des Sciences de l’Habitat) et l’entreprise Schneider Electric. Le premier résultat que l’on peut en retenir est la mise au point d’une démarche de modélisation globale du bâtiment. Par des outils simples inspirés de la systémique, il a été possible de représenter les phénomènes physiques complexes qui ont cours dans un bâtiment. La démarche systémique propose d’étudier ces différent phénomènes en interaction les uns avec les autres. Cette vue système d’un objet permet de mieux appréhender les comportements dynamiques a priori difficilement interprétables par des méthodes analytiques.

Deux points de vue exposés dans la littérature systémique ont été mis en œuvre : les points de vue structurel et fonctionnel. Le premier donne la vision du système comme d’un ensemble d’éléments reliés par des réseaux relativement stable dans le temps. La deuxième définit le système plutôt comme un ensemble de processus qui agit sur des flux. Les outils définis pour décrire chaque point de vue sont a priori faciles d’accès puisqu’ils ne nécessitent pas d’avoir des connaissances pointues en énergétique, en éclairagisme ou encore en mécanique des fluides. Cette exigence a été imposée par la démarche systémique elle-même puisque ce mode de pensée se veut transdisciplinaire. De plus, les modèles développés jusqu’à maintenant l’ont été sous forme graphique. Ce format a l’avantage de donner une vision globale du comportement et de la structure d’un système.

La démarche adoptée s’est faite dans un contexte bien particulier : le projet Homes de Schneider Electric. Les deux objectifs principaux de ce programme sont la réduction de la consommation énergétique globale d’un bâtiment et l’amélioration du confort. Les modélisations sont ainsi restées orientées vers ces objectifs globaux. Les éléments et les processus pris en compte ont tous une incidence plus ou moins direct sur la gestion énergétique et le confort de l’occupant.

Les représentations graphiques du système bâtiment ont du être accompagnées d’un glossaire. Cet outil supplémentaire était l’une des demandes de départ de l’entreprise. Elle est venue du fait que le projet s’attaquait à un domaine a priori complexe sur lequel plusieurs cultures professionnelles interviennent. La mise en place d’un vocabulaire commun apportera la possibilité d’échanger sur un projet qui se veut transversal.

D’autres perspectives ont été ouvertes avec cette modélisation. Des exploitations plus ou moins directes des modèles mis en place pourraient voir le jour. La modélisation structurelle est une démarche qui a déjà été utilisée dans d’autres disciplines. La méthode Micmac permet à partir de cette modélisation d’identifier les éléments influents, relais ou dépendants du système.

A partir de la modélisation fonctionnelle, il est envisageable de simuler le comportement dynamique du système après traduction des modélisations sur des logiciels de simulation dynamique. A termes, il est envisageable de tester des stratégies de contrôle des équipements sur de longue période. En effet, aujourd’hui les performances énergétiques d’un bâtiment sont évaluées sur un an. Il faut également avoir conscience que l’une des difficultés dans la gestion de l’énergie et du confort dans un bâtiment provient des sollicitations variables de son environnement et des occupants. Mettre en place une gestion rationnelle de l’énergie demande d’avoir une connaissance assez fine de l’ensemble des flux qui circulent dans le bâtiment.

Des stratégies de contrôle de l’ambiance intérieure et de l’énergie peuvent se révéler contre productives si l’ensemble des éléments influents ne sont pas pris en compte et si à chaque action que l’on entreprend, on n’a pas conscience des différents processus déclenchés. Cette piste a été évoquée par la mise en place d’une analyse croisée de la modélisation structurelle et fonctionnelle. A chaque processeur est associé plusieurs processus de natures diverses.

Enfin, ces modélisations mettent en évidence les différentes configurations sous lesquelles Homes pourrait intervenir dans un bâtiment. Les équipements intervenant dans le confort d’ambiance et les consommations d’énergie sont multiples. En conséquence, les architectures de commandes qui pourraient être pertinentes sont tout aussi nombreuses. D’où la nécessité de

98

développer des outils d’analyse de ces multiples configurations. Cela passe par la mise au point de plusieurs critères d’évaluation dont le confort et la consommation énergétique feront partie obligatoirement. D’autres aspects peuvent intervenir comme le coût de l’installation, sa mise en œuvre sur chantier, …

Quelque soit le devenir de la démarche mise en place dans ce MASTER, elle aura réussi à soulever de nombreuses problématiques auxquelles le projet Homes sera confrontée. Pour qu’elle soit utilisée par la suite dans le cadre du projet, il faudrait que les acteurs se l’approprient et que des outils complémentaires soient développés.

* * * * *

99

BIBLIOGRAPHIE

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CEA. Le systémographe. Méthode Sagace.

CSTB ADEME. Bâtiment 2030. Quels bâtiments pour l’avenir ?

DURAND Daniel. La systémique. Collection Que sais-je ? Ed PUF. 1979. 126 P.

DE ROSNAY Joël. Le macroscope. Vers une vision globale. Ed du Seuil. 1975. 346 P.

GODET Michel, Manuel de prospective stratégique, Tome 2 Ed Dunod. 2001. 359P.

GUARRACINO Gérard. Cours Utilisation Rationnelle de l’Energie. 3ème Année ENTPE. Tome 1 & Tome 2. 2007

Grenelle de l’environnement. Rapport du comité opérationnel : Rénovation des Bâtiments Existant. 2007.

HUSAUNNDEE Amhad M.I. Modélisation des installations de génie climatique en environnement de simulation graphique. Thèse de Doctorat ENPC CSTB. 1998. 156 P.

KUZNIK Frédéric. Modélisation en thermo-aéraulique du bâtiment. Cours OBE2 Master MEGA. 2007.

SALEM Talal. Intégration des composants solaires thermiques actifs dans la structure bâtie. Thèse LASH. 2007. 397 P.

LEMOIGNE Jean-Louis. La théorie du système générale. Théorie de la modélisation. Collection Les classiques du réseau Intelligence de la complexité. 1994. 338 P. www.mcxapc.org

MICHEL Pierre. Domotique et habitat. Essai de lecture systémique. Thèse de doctorat. 1994. 137 P.

Mission Interministérielle pour la Qualité des Constructions Publiques. Architecture et HQE. Avril 2003. 83 P.

REFERENCES INTERNET

www.wikipedia.fr

www.legrenelle-environnement.fr

www.csbat.net

www.prebat.net

www.ecoquartiers.developpement-durable.gouv.fr

TEXTES NORMATIFS

Critères d’ambiance intérieure pour la conception et l’évaluation de la performance énergétique des bâtiments couvrant la qualité de l’air intérieur, la thermique, l’éclairage et l’acoustique, Août 2007, NF EN 15251 E 51-762

100

101

ANNEXES

102

ANNEXE A : ANALYSE SYSTEMIQUE D’UN BATIMENT

REEL SITUE A GRENOBLE SUR LE SITE DE L’ENTREPRISE

1. Méthode mise en place

L’objectif est de procéder à l’analyse systémique du bâtiment. C’est la première étape

de ce que l’on une approche systémique.

Les étapes suivantes consisteront à procéder :

- D’une part à la modélisation du système bâtiment : précision des

interactions entre éléments du système (influence et dépendance) qui

passe par une détermination plus fine des liaisons

- D’autre part à la simulation du comportement du système afin de vérifier

son « pouvoir d’expression » dans le cadre du projet Homes.

Pour en venir à l’analyse systémique, elle peut se faire selon deux points de vue : le

structurel et le fonctionnel.

En analyse structurel, un système est décrit grâce aux concepts théoriques suivants :

- Les éléments

- La frontière

- Les réseaux

- Les réservoirs

En analyse fonctionnel, les concepts retenus sont les suivants :

- Les flux

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- Les sources

- Les puits

- Les centre de décision ou « vannes »

- Les boucles de rétroaction

- Les délais

Dans la représentation globale du système, les deux points de vue sont conjugués pour avoir une vision globale du comportement et de percevoir les interactions entre structure et fonctionnement.

Un autre point de vue peut être adopté dans la démarche systémique : l’historique du système.

Pour un bâtiment suivant l’échelle de temps à laquelle on se situe, le système évolue bien. Dans les méthodes d’analyse du cycle de vie, il y a 4 périodes : la conception, la mise en œuvre, l’exploitation, la démolition. En période d’exploitation, le comportement du bâtiment se distingue suivant que l’on est en hiver ou en été et même le jour ou la nuit. Ce point de vue passe par la caractérisation de l’état des éléments ou réseaux suivant ces différentes périodes.

2. Application au cas d’un bâtiment du site de Schneider Electric

2.1 le point de vue structurel

2.1.1 Les éléments

Habillage intérieur

Cloisons séparatives (parement bois+isolement phonique)

Faux plafond

Isolation thermique localisée (sous les fenêtres)

Habillage enveloppe

Ouvertures vitrées (menuiserie aluminium, double vitrage)

Stores à commande manuelle

Etanchéité (joints, évacuation d’eau pluviale)

Réseaux VRD

Réseau électrique

Réseau de communication (téléphonie, Ethernet)

Réseau Gaz

Réseau eau chaude

Réseau liquide frigorifique

Réseau distribution d’eau potable

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Réseau d’eaux usées

Réseau ventilation

Structure « Gros Œuvre »

Ossature Poteaux / poutres

Cage d’escalier (voiles béton + escaliers + paliers)

Plancher (poutrelles + hourdis)

Fondation

Toiture terrasse

Eléments de chauffage

Chaudière gaz affectée au bâtiment (sous-sol)

Climatisation centralisée

Emetteur (radiateur) combiné chaud + froid + soufflerie

Capteur de température extérieur ( ?)

Régulateur de la puissance de chauffe en fonction de la température extérieure

Eléments de ventilation

Bouches d’extraction VMC

Entrée d’air par ventilation naturelle sur toutes les fenêtres

Défauts d’étanchéité

Eléments électricité

Prises

Interrupteur

Alimentation éclairage

Commande radiateur

Eléments d’occupation

Occupants

Mobilier (Meubles, « papiers »…)

Végétation

Equipements

Eléments de sécurité incendie

Extincteurs

Trappes de désenfumage

105

Eléments d’accessibilité

Ascenseurs

Plans inclinés

(Parmi les flux, il faut considérer les flux de personne afin que le système réponde

au mieux aux activités humaines : point de vue du programmiste et de

l’architecte)

2.1.2 La frontière

Elle est délimitée par les éléments de structure :

- les parois vitrées et les éléments de l’ossature

- la toiture terrasse

- les fondations

- les extrémités des réseaux d’alimentation et d’évacuation générale

En termes techniques, il s’agit de tous les éléments de l’enveloppe et des extrémités des réseaux qui traversent cette enveloppe.

La frontière délimite ce que l’on appelle le milieu, le climat ou l’ambiance intérieur. C’est en fait le volume d’air contenu à l’intérieur des limites physiques de l’enveloppe.

Les jonctions entre l’ossature interne et l’enveloppe constituent ce que l’on appelle des ponts thermiques. Ils ne sont pas éléments de construction liés à la solidité de l’ouvrage mais à son fonctionnement thermique. Ils sont à cheval sur plusieurs éléments de solidité.

2.1.3 Les réseaux

Réseau électrique

Réseau de communication (téléphonie, Ethernet)

Réseau Gaz

Réseau eau chaude

Réseau liquide frigorifique

Réseau distribution d’eau potable

Réseau d’eaux usées

Réseau ventilation

106

2.1.4 Les réservoirs

En premier lieu, nous avons répertorié les réservoirs évidents que l’on peut observer sur le

site directement. Dans un deuxième temps, il ne faut pas oublier tous ces éléments dont le

rôle premier n’est pas d’être réservoir mais qu’ils le sont malgré tout. Par exemple, on peut

citer les éléments de la structure qui emmagasinent le rayonnement solaire même si au

départ ils ont pour rôle premier d’assurer la solidité de l’ouvrage.

Réservoirs répertoriés parmi les éléments « physiques » relevés

Réservoir d’Eau chaude (sanitaire+chauffage ?) Réservoir de liquide frigorifique Serveurs, disques durs individuels (réservoir d’information) Batteries des équipements Réservoir de déchets (corbeilles individuelles, contenaires spécifiques selon les types de déchets à l’entrée du bâtiment)

Réservoir par rapport aux « fluides » identifiés dans le bâtiment

Réservoir d’humidité (ou chaleur latente)

Structure enveloppe (la quantité d’humidité diminue lorsque la puissance de chauffage augmente) Structure interne (planchers, cages d’escalier, …) Mobilier (fauteuils, papier)

Réservoir de chaleur sensible

Structure du bâtiment à inertie thermique lourde Air intérieur

Réservoir de polluants volatils

Air intérieur Air du réseau de ventilation Matériaux

Remarque : l’air intérieur constitue un espace de réservoir pour 4 « fluides » :

- la chaleur sensible

- l’humidité

- l’oxygène

- les polluants (CO2, les COV-composants organiques volatils,…)

2.2 Le point de vue fonctionnel

2.2.1 Les flux

Ils sont identifiés en partie dans l’analyse structurelle lorsque nous avons répertorié les réseaux. A chaque réseau est associé un fluide. Ensuite, il ne faut pas oublier les fluides qui circulent dans le bâtiment sans qu’il y ait de réseau physique spécifique. Les réseaux sont constitués de plusieurs éléments relevés qu’il faut associer.

Ainsi, on identifie une des premières difficultés de cette analyse : si l’échelle de description est trop grande, certains réseaux ne peuvent être perçus. A défaut, on en saisit que des parties,

107

des éléments. Par exemple si l’on en reste à la description élément par élément de la structure « gros œuvre », on ne perçoit pas les réseaux constitués par ces éléments pour la circulation de l’air dans le bâtiment : les pièces, les couloirs, les plenums au-dessus des faux plafonds…

Inversement, si l’échelle reste trop petite, on ne perçoit que les réseaux sans percevoir les éléments qui les constituent : vannes ou centre de décision, réservoirs…

Revenons maintenant à la description des fluides constituant les flux de l’analyse fonctionnelle :

- fluides des réseaux identifiés :

Eau chaude, eau glacée, électricité, gaz, information (téléphonique ou

internet), eau potable, eaux usées, air de ventilation

- fluides dans réseaux non identifiés :

Air intérieur, polluants, chaleur sensible, humidité, rayonnement

thermique

2.2.2 Les sources

Distribution urbaine d’eau potable

Approvisionnement en liquide frigorigène par transport

Distribution urbaine de gaz

Compteur électrique/Alimentation générale EDF

Nœud du réseau de fibre optique urbain haut débit

Air extérieur

2.2.3 Les puits

Tout à l’égout

Air extérieur

2.2.4 Les centres de décision ou vannes

Les ouvertures (règle le flux d’air par ouverture/fermeture)

Les commandes de chauffage (règle la puissance de chauffe)

Les parois (règle le flux de chaleur sensible entre deux réservoirs

d’air)

Les stores (règle le flux de chaleur et de lumière du au

rayonnement solaire)

2.2.5 Les boucles de régulation

Bien que ce ne soit pas l’objectif principal de cette première

étape de l’analyse systémique, on a commencé à identifier

quelques boucles de régulation qui existent dans le bâtiment.

108

Conduction à travers les parois : flux de chaleur sensible auto

régulé en fonction de la température extérieure et la

température intérieure.

Echanges radiatifs des parois extérieures avec l’environnement

régulés en fonction du niveau d’ensoleillement, de l’heure de la

journée, du niveau de pollution de l’atmosphère,…

Tirage thermique régulé par la vitesse et l’orientation du vent

extérieur mais aussi par les températures intérieures et

extérieures.

Niveau d’humidité de l’air intérieur régulé en fonction de la

température intérieure, de l’humidité relative de l’air extérieur

introduit dans le bâtiment, de l’activité des occupants, du

phénomène de désorption du mobilier,….

On voit bien que la description des boucles de régulation

nécessite d’associer aux éléments, aux réservoirs, aux sources des

variables d’état qui caractérisent les niveaux ou les débits des

flux qui les traversent.

2.2.6 Les délais

Ils caractérisent directement les temps de réponse des boucles de

régulation. Il est pour l’instant un peu tôt pour en parler.

109

3. Ajustements de l’analyse

Pourquoi un ajustement ?

Des phénomènes ne peuvent être représentés avec les éléments précédents : les

mouvements d’air par exemple.

Quel ajustement ?

Pour rendre compte du comportement global du bâtiment, il faut également changer

d’échelle.

Dans l’analyse précédente, on a mis en évidence ce point avec la circulation des flux

d’air. Il est nécessaire de créer des systèmes composés de plusieurs éléments définis

auparavant :

- Système « pièce » composé de plusieurs éléments de la structure

« enveloppe », des structures d’habillage intérieur (faux plafond, cloisons

séparatives,…) : ce système peut être classé dans la catégorie réservoir.

- Système « couloir » et « cheminée » : il s’agit ici de réseaux de circulation

d’air

- Système « pièce traversant » l’air traverse la pièce

- Système « zone » composé de plusieurs pièces

- Système « étage » composé de plusieurs zones

Avec cette définition, on garde potentiellement la possibilité de décrire le

fonctionnement du bâtiment une échelle plus petite.

Il en est de même pour des échelles plus grandes. On peut répertorier un plus grand

nombre d’éléments qui seront soit des réservoirs, soit des réseaux soit des centres de

décision qui auront une influence sur le comportement des sous-systèmes et donc des

systèmes. Pour l’instant ce travail n’a pas été fait par défaut d’information : les plans des

réseaux, la documentation technique sur les équipements de chauffage et de ventilation

n’étaient pas accessibles.

110

ANNEXE B : ESSAIS DE MODELISATION SYSTEMIQUE

Transfert de chaleur sensible (modélisation structurelle) Fonction globale du système n°1 : Assurer une température de l’air adaptée au confort de

l’occupant. Assurer : le refroidissement des parois et de l’air intérieur en été et le

réchauffement des parois et de l’air intérieur en hiver

Réseau où la chaleur est transmise par convection

Réseau où la chaleur est transportée par l’air (ventilation, cheminées,

ouvertures, ...)

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Eau chaude / glacée

Masse d’air (ambiance intérieure)

Equipements électroménager (équipements)

VMC simple flux (équipements)

UTA (équipements)

Convecteur (équipements)

Enveloppe

Chaleur

Chaleur

Occupant Luminaire (équipement)

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Ouverture Occultation

Parois opaques

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

Câble électrique

111

Transferts radiatifs GLO (modélisation structurelle)

Fonction globale du système n°2 : Assurer des températures de surface et des émissions

radiatives des équipements adaptés au confort de l’occupant

Parois verticale α,ρ, ε propriétés du matériau

Paroi vitrée

Plafond

Occupant

Plancher

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Enveloppe

Panneau rayonnant (équipement climatique) part de rayonnement dans l’émission d’énergie (maxi 60%)

Rayonnement (W/m²)

Luminaire (équipement lumineux)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

112

Transferts aérauliques et d’humidité (modélisation structurelle)

Fonction globale du système n°3: Assurer un renouvellement de l’air adapté au confort de

l’occupant par la réduction: - de l’humidité absolue dans la masse d’air- de la concentration

de polluants (CO2, COV, ...)

Mobilier

UTA (équipement climatique et de ventilation) débit (D), HR

VMC simple flux

(équipement de ventilation) débit (D)

Végétation intérieure

Masse d’air (ambiance intérieure)

Humidité

Occupants

Air humide

Air humide

Air humide

Humidité

Air humide

Sol

Humidité

Atmosphère (environnement)

Air humide

Air humide

Air humide

Air humide

Air humide

Masse d’air intérieure voisine

Enveloppe

Ouverture Occultation

Parois opaques

Câble électrique

Câble électrique

113

Transfert de chaleur sensible (modélisation fonctionnelle)

Fonction globale du système n°1 : Assurer une température de l’air adaptée au confort de

l’occupant dans l’ambiance intérieure. Assurer : le refroidissement des parois et de l’air

intérieur en été et le réchauffement des parois et de l’air intérieur en hiver.

Flux de chaleur transmis par convection

Flux de chaleur transporté par l’air (ventilation, cheminées,

ouvertures, ...)

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Chaleur

Produire de la chaleur corporelle

Produire de la chaleur par effet joule dans les luminaires

1. Réchauffer l’air intérieur et le renouveler par des unités de traitement d’air 2. Refroidir l’air et le renouveler par des unités de traitement d’air

Réchauffer l’air intérieur par des convecteurs

Perdre de la chaleur par la ventilation mécanique

Produire de la chaleur dans les équipements électriques par effet joule

Suivant les modes de fonctionnement : 1. Perdre de la chaleur vers l’environnement 2. Récupérer de la chaleur de l’environnement 3. Stocker de la chaleur dans la masse 4. Déstocker de la chaleur

Flux électrique

Répartir l’air chaud dans le volume intérieur par convection naturelle

Flux électrique Flux

électrique

Suivant les modes de fonctionnement : 1. Gain d’air froid 2. Gain d’air chaud 3. Déperdition d’air chaud 4. Déperdition d’air froid Flux

électrique

Chaleur

114

Transferts radiatifs GLO (modélisation fonctionnelle)

Fonction globale du système n°2 : Assurer des températures de surface et des émissions

radiatives des équipements adaptés au confort de l’occupant

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²) Rayonne

ment (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Rayonnement (W/m²)

Emettre un rayonnement GLO par l’intermédiaire d’un panneau rayonnant

Emettre un rayonnement GLO du fait de la haute température du luminaire

Emettre et recevoir un rayonnement GLO au niveau du plafond.

Emettre et recevoir un rayonnement GLO au niveau des murs. T surface intérieure (°C)

Transmettre, réfléchir, absorber et émettre un rayonnement GLO au niveau des vitrages.

Absorber et réémettre le rayonnement GLO provenant de l’environnement et du vitrage.

Emettre et recevoir un rayonnement GLO au niveau du plancher.

Emettre et recevoir un rayonnement GLO au niveau de l’occupant.

115

Transferts aérauliques et d’humidité (modélisation fonctionnelle)

Fonction globale du système n°3: Assurer un renouvellement de l’air adapté au confort de

l’occupant par la réduction: - de l’humidité absolue dans la masse d’air- de la concentration

de polluants (CO2, COV, ...)

Humidité

Air humide

Air humide

Air humide

Humi dité

Air humide

Humidité

Atmosphère

Air humide

Air humide

Air humide

Air humide

Air humide

Extraire l’air intérieur D=f(...)

Introduire de l’air neuf. D=f(...) Humidifier ou déshumidifier de l’air introduit. HR=f(...)

Générer de l’air humide (source) Absorber l’air humide (puits)

Filtrer les passages d’air humide et d’humidité entre l’ambiance intérieure et le milieu extérieur. D1=f(...), D2=f(...), D3=f(...), ...

Assurer une qualité d’air acceptable par l’occupant.

Emettre et absorber de l’air humide par la végétation (désorption et absorption)

Emettre et absorber de l’air humide par les occupants. (Désorption et absorption)

Emettre et absorber de l’air humide par le mobilier. (Désorption et absorption)

Emettre et absorber de l’humidité au niveau du sol

Emettre et absorber de l’air humide au niveau de la masse d’air de la zone voisine

Flux électrique

116

ANNEXE C : MODELISATION STRUCTURELLE DU

SYSTEME BATIMENT PAR CHAQUE ACTEUR DU GROUPE

DE TRAVAIL

Figure 28 Modélisation Micmac du point de vue de l'ingénieur bâtiment.

117

Figure 29 Modélisation du point de vue de l'architecte programmiste.

118

Figure 30 Modélisation structurelle du point de vue du gestionnaire.

119

Figure 31 Modélisation structurelle du point de vue du maître d'ouvrage

120

Figure 32 Modélisation structurelle du point de vue du sociologue

121

ANNEXE D : PLANS DES DEPLACEMENTS POUR CHAQUE

MODELISATION D’ACTEUR CONSIDEREE

INDEPENDAMMENT

Figure 33 Plan des déplacements du point de vue Ingénieur Bâtiment

122

Figure 34 Plan des déplacements du point de vue de l'architecte programmiste

123

Figure 35 Plan des déplacements du point de vue du Maître d'ouvrage

124

Figure 36 Plan des déplacements du point de vue du gestionnaire

125

Figure 37 Plan de déplacement du point de vue de Homes

126

Figure 38 Plan des déplacements du point de vue du sociologue