E2 - BVD > Opération 2 : Énergétique du Bâtiment
La philosophie
Au niveau énergétique, de nouveaux enjeux dans le bâtiment sont apparus, que ce soit en termes de réduction d’énergie, d’autosuffisance énergétique ou de lutte contre le changement climatique. La directive européenne 2010/31/UE, qui demande que pour 2020 tous les nouveaux bâtiments construits en Europe soient à consommation d’énergie quasi nulle et de renforcer la réhabilitation thermique du parc de façon à obtenir en 2050 une réduction par 4 de la demande énergétique totale du secteur bâti, en est un bon exemple. Pour le bâtiment, ce changement de paradigme, qui le fait passer du secteur le plus énergivore à un secteur à demande énergétique quasi nulle, voire de production énergétique, demande des efforts de recherche et de développement décuplés. Ce contexte nous a conduits à définir pour cette opération trois thèmes de recherche. Le premier thème s’intéresse au bâtiment à différentes échelles : les matériaux (où on retrouve la problématique de l’humidité), les composants d’enveloppe (avec l’intégration de nouvelles fonctionnalités) et le bâtiment dans son ensemble. Le deuxième thème est dédié aux systèmes énergétiques : production de chaleur, d’électricité, rafraîchissement… avec l’utilisation prioritaire des énergies renouvelables, et à la gestion de ces systèmes. Le dernier thème se situe à l’échelle du quartier et notamment du couplage microclimat urbain – systèmes énergétiques.
Thème 1 – Matériaux, Composants d’enveloppe, Conception intégrée et optimisation multicritères des bâtiments
À l’échelle microstructurale du matériau, devant la complexité morphologique du problème, il est indispensable de développer des techniques expérimentales innovantes. Sur le volet modélisation, la prédiction numérique a mis en évidence la nécessité de prendre en compte l’effet mémoire qui influe sur les évolutions instantanées de l’hygrométrie. Cet effet peut avoir plusieurs sources (matériaux à double échelle de porosité, non équilibre local ou encore hystérésis entre adsorption et désorption d’humidité). Composants d’enveloppe - Les performances énergétiques des bâtiments ne peuvent plus s’évaluer uniquement à partir des propriétés physiques à l’échelle du matériau et en ne considérant que les transferts thermiques au sein des parois. Les constructions non conventionnelles (ossatures bois, parois en terre, isolants biosourcés) ou anciennes en sont un bon exemple. Dans ce cadre, le laboratoire développera de nouveaux outils de caractérisation thermo-hydrique et de diagnostic de parois afin d’évaluer les risques hygrothermiques lors d’une rénovation. Par ailleurs, l’enveloppe du bâtiment (murs, fenêtres, toitures) évolue vers un objet plus complexe et multifonctionnel qui lui permet d’assurer de nouvelles fonctionnalités telles que le stockage, l’apport d’air neuf, la production d’énergie et la valorisation de ressources énergétiques renouvelables. Nous envisageons, à travers des études numériques et expérimentales qui seront menées sur les nouvelles façades « test » de la plateforme Tipee, de quantifier les apports énergétiques de ces nouvelles parois « multifonctions » et d’en évaluer l’impact sur le confort hygrothermique. Conception intégrée et optimisation multicritères des bâtiments - L’optimisation multicritères, par exemple par algorithme évolutionnaire, ouvre de nouvelles perspectives de développement pour la conception et la réhabilitation des bâtiments intégrant les systèmes, les occupants, etc. La numérisation de la filière bâtiment et le développement du BIM (Building Information Model) doivent permettre l’émergence de ces méthodes de conception intégrée pour le bâtiment. Ces développements passent par la mise en place de modèles de calcul interopérables et donc l’automatisation de processus de conception et d’échange de données. La conception intégrée des bâtiments doit également prendre en compte son intégration aux réseaux énergétiques. De nouvelles contraintes et opportunités apparaissent avec l’augmentation de la part du renouvelable dans les mix énergétiques nationaux, ainsi que l’émergence des objets connectés. Les bâtiments deviennent à la fois consommateurs et producteurs d’énergie et différentes solutions peuvent être envisagées pour favoriser le développement des « réseaux intelligents » (autoconsommation, stockage, modulation…). Enfin, les effets du changement climatique et les modèles reconnus par le GIEC permettront d’aborder la conception intégrée avec les notions de variabilité climatique et de durabilité des solutions techniques, en particulier pour les techniques de rafraîchissement passif.
Thème 2 - Efficacité énergétique des systèmes
Consécutivement aux nouvelles réglementations et directives européennes, les besoins énergétiques dans le secteur du bâtiment évoluent. Ceci se traduit en particulier par une réduction des besoins de chauffage et une augmentation des besoins d’électricité. Par conséquent, nous envisageons d’étudier expérimentalement et numériquement de nouvelles solutions, telles que des systèmes basés sur le potentiel d’utilisation du vecteur air pour le chauffage de bâtiments fortement isolés. Une attention particulière sera aussi portée sur l’exploitation des énergies renouvelables et la production d’énergie décentralisée, notamment par le biais d’études réalisées sur une plateforme de micro-cogénération de chaleur et d’électricité fonctionnant à partir de l’énergie solaire, et sur la gestion « intelligente » des différentes sources d’énergie, que ce soit au sein d’un même bâtiment ou en lien avec d’autres bâtiments.
Thème 3 - Interaction bâtiment-microclimat urbain
Les modèles existant sont généralement limités soit à des approches thermo-radiatives, éventuellement couplées à des outils de CFD, soit à des approches énergétiques du quartier sans prise en compte du microclimat local. Sur la base de modèles réduits pour les bâtiments et systèmes, un couplage avec l’environnement extérieur par une approche zonale (EnviBatE) mais aussi l’intégration du fonctionnement précis des systèmes (Dimosim) sont envisagés par une collaboration étroite avec le CSTB. À l’échelle du quartier et pour les espaces habités, la prise en compte du comportement des occupants est également un paramètre important qui sera pris ici en compte, et qui doit intégrer à terme les effets de feedback liés à la qualité de l’environnement urbain.