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La simulation thermique dynamique : comment l’utiliser ?

simulation thermique dynamique - infrarouge

La simulation thermique dynamique

S’il est un outil classique de l’énergéticien en phase de conception d’un bâtiment, c’est bien la Simulation Thermique Dynamique (STD). Là où un outil de type réglementaire systématise le recours à des scénarios d’usage conventionnels, le logiciel de STD permet de saisir et modifier tout à la fois :

  • Un modèle énergétique du bâtiment, avec l’ensemble de ses caractéristiques constructives : géométrie, orientations, caractéristiques de parois et de matériaux, inertie, etc.
  • Un climat, quel qu’il soit, réaliste ou non : une moyenne des 20 dernières années, un modèle de canicule ou un climat à température constante, avec ou sans soleil, avec ou sans vent, etc.
  • Des scénarios d’utilisation : on injecte dans le modèle de bâtiment et local par local, des scénarios d’occupation, de puissance dissipée, etc.simulation thermique dynamique - prisme

Le recours à la STD est devenu très courant dans de nombreux projets, tout particulièrement pour, au moins en théorie, détecter et corriger les risques de surchauffe. Elle est donc très souvent demandée dans les phases de conception, en général au même bureau d’étude qui a en charge tous les aspects énergétiques et fluides. En effet, aujourd’hui, la plupart des bureaux d’étude énergétiques proposent des STD (Simulation Thermique Dynamique) réalisées sur une dizaine de logiciels professionnels, comme Pleiades+Comfie, TRNSYS ou Energie +.

En résumé, depuis une dizaine d’année, le postulat est le suivant : il y a risque de surchauffe, faisons des calculs, ainsi les risques seront détectés, et donc réduits.

Génial.

Mais dans ce cas, pourquoi donc la MAF voit-elle arriver en nombre toujours plus grand les recours pour surchauffe critique ? Se passerait-il des choses imprévues ? Pourquoi trouve-t-on autant d’usagers insatisfaits se plaignant de ne pas pouvoir contrôler les ambiances ?

Simuler l’inconnu

Comme je l’ai expliqué par exemple ici, c’est de la correspondance entre l’usage et le fonctionnement naturel de l’enveloppe du bâtiment que dépendent les consommations énergétiques. Or, ce sont dans les phases « amont » de la conception que cet alignement se dessine. C’est donc, en particulier, lors de ces phases que le recours à la STD trouve son principal intérêt.

Malheureusement, ces phases « amont » se caractérisent justement par le fait que l’objet que l’on étudie, c’est à dire l’interaction bâtiment/usager, n’existe pas encore et n’est que partiellement imaginable. C’est problématique, car un logiciel de simulation donne des résultats d’autant plus précis que la définition de l’objet l’est. Plus grave encore, la culture de l’ingénieur est fondée sur l’exhaustivité. Nos cerveaux d’ingénieurs donnent une réponse complète quand le problème est complet. Typiquement, une démarche de calcul de type RT2012 est construite ainsi. C’est une fois le bâtiment finalisé que le calcul final peut être réalisé, et le verdict tombe.

simulation thermique dynamique - goutteAllons plus loin : l’usage, c’est le domaine de l’humain, de l’imprévisible. Une seule chose certaine : il se passera forcément quelque chose que l’on n’a pas prévu, ni même imaginé ! 

Comment alors construire une démarche de simulation sur un outil informatique qui permette à l’énergéticien d’alimenter la démarche de conception en fournissant des informations pertinentes ?

Peut-on trouver une manière de raisonner qui, à partir de l’inconnu, permette de tirer des conclusions valables et constructives pour l’architecte ?

La méthode pointilliste

La réponse la plus classique à cette question est la multiplication des cas simulés. On se dit « plus j’aurai envisagé de cas, moins il restera d’inconnues».

Pour symboliser cette démarche, utilisons une image : nous cherchons à décrire un cercle. Nous pouvons le dessiner en ayant recours à une définition courante : le cercle est l’ensemble des points situés à égale distance du centre. Chaque point que je  dessine me permet de décrire un peu mieux l’objet, d’en avoir une vision plus nette.

simulation thermique dynamique - points

Par analogie,  j’illustre ainsi que chaque nouvelle simulation, chaque nouvelle combinaison d’hypothèses sur l’enveloppe et sur l’usage, me permet de mieux connaître le système bâtiment-usage.

C’est long et fastidieux. De même qu’il faut beaucoup, beaucoup de points pour dessiner le cercle (et même… une infinité), une telle méthode peut conduire à faire de très nombreuses simulations. Quitte à s’y perdre…

En toute rigueur, il s’agira de simuler tous les scénarios possibles d’utilisation, dans tous les locaux. La lumière est-elle allumée ou éteinte ? Une, deux, cinq personnes ? Combien de temps restent-elles dans cette pièce ? Combien d’appareils dégagent de la chaleur ? etc…

Avantages et inconvénients

L’avantage ? La démarche est systématique (il suffit de faire varier chacun des paramètres), et ne demande pas spécialement de réflexion (on essaie tout…). En fait, elle peut même être automatisée, c’est à dire se passer d’un cerveau humain.

Elle présente néanmoins des inconvénients majeurs :

  • simulation thermique dynamique - fuiteElle est longue et peu efficace. Dans un contexte réel, avec un architecte qui attend des réponses et un maître d’ouvrage qui mesure son budget, il est difficile d’atteindre ainsi un résultat de qualité. La rapidité exige de réduire le nombre de cas simulés, et donc… la netteté du tracé !
  • Il y a des “fuites dans le modèle”. Le cercle dessiné est partiel, et comporte donc des « trous ». Il y aura toujours un cas manquant, quelque chose que l’on n’a pas vu. Et selon la loi de Murphy, il est probable que ce sera un cas problématique.
  • Il y a beaucoup de « déchet ». Le tracé nécessite de très nombreux points, chacun d’un faible intérêt. On amasse de nombreuses informations de faible valeur, en gardant l’espoir que la somme de ces éléments peu intéressants produira une information de qualité.

Vous surprendrais-je en vous disant que cette démarche est, de loin, la plus fréquente ? Il existe heureusement une démarche différente pour aborder la simulation thermique dynamique, une approche qui permet, en quelques simulations, de fournir rapidement les informations pertinentes.

L’approche par les tangentes

Pour l’illustrer, nous allons utiliser une autre définition du cercle, par l’enveloppe de ses tangentes. Cela revient à dire que le tracé d’une série de droites peut permettre de dessiner un cercle, dont ces droites sont les tangentes.

simulation thermique dynamique - tangentes

 

Tout comme dans le cas précédent, la description parfaite du cercle demanderait une infinité de tangentes.

Mais il y a une différence fondamentale: très tôt, après quelques tracés bien choisis (donc quelques simulations), on a « fermé » le domaine que l’on cherche à décrire. Il n’y a plus de « fuite ». La poursuite du travail sera du raffinement, apportant de la précision à l’image.03,

simulation thermique dynamique - domaine de volÀ quoi cela correspond-il dans la pratique réelle de la simulation thermique dynamique ? À dire qu’il est plus pertinent de chercher rapidement à border le domaine que de perdre du temps sur une infinité de cas possible, mais sans intérêt. Ce qui nous intéresse, c’est la frontière entre le gérable et l’ingérable. Ce n’est pas le domaine du possible qui nous intéresse, c’est sa frontière. On cherche à définir, pour le bâtiment, l’équivalent du « domaine de vol » d’un avion. On appelle ainsi différents graphiques permettant de délimiter les conditions (de vitesse, de charge, etc.) dans lesquelles un avion peut voler.

J’appelle aussi cela la « méthode du crash test »

La méthode du crash-test : le retour de l’humain chez l’ingénieur

Cette philosophie est proche de celle utilisée dans la certification des voitures : il est impossible de simuler l’ensemble des accidents de voiture possibles. Les autorités ont donc défini un nombre fini de cas estimés suffisant pour « border le domaine ». Si la voiture passe ces tests, on estime qu’elle se comportera correctement dans tous les autres cas.

La tâche du designer énergétique sera donc de découvrir et d’explorer ces cas limites. Ils concernent certes un peu le bâtiment, mais surtout son usage. Il s’agit des situations d’usage dont on imagine, pour une enveloppe donnée, qu’elles feront « sortir » le bâtiment du domaine acceptable.

Pour l’énergéticien qui manipule le logiciel, un point est fondamentalement différent. L’application de cette méthode lui demande de s’impliquer, en tant que personne, dans la compréhension de ce système bâtiment-usager. Nous avons dit qu’il s’agit de bien choisir les quelques cas pertinents. Cela, seul un cerveau humain peut le faire.

“La machine artefact est constituée d’éléments extrêmement fiables[…] Toutefois, la machine dans son ensemble est beaucoup moins fiable que chacun des éléments pris isolément. […] Par contre, il en va tout autrement de la machine vivante (auto-organisée). Ses composants sont très peu fiables […] il y a donc, à l’opposé, grande fiabilité de l’ensemble et faible fiabilité des constituants.” – Edgar Morin, Introduction à la pensée complexe.

Le système bâtiment-usager est, selon les termes d’Edgar Morin, une machine vivante, que seul un être vivant et sensible peut aborder dans sa complexité. Pour construire ces cas limites, il s’agit en effet de se projeter dans le modèle et d’imaginer les cas (non fournis par le logiciel, bien sûr !) qui s’avèreraient problématiques. C’est une exploration quasi-maniaque de tout ce qui pourrait arriver et qui pourrait faire flancher le système.

La démarche est inhabituelle, parce qu’elle pose à l’envers la plupart des questions. Ainsi, on se demande « quelle configuration pourrait créer une surchauffe ? » plutôt que « quelles mesures mettre en place pour limiter la surchauffe ? ».

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Le glissement vous semble anecdotique ? Il est fondamental, parce qu’à l’inverse de ce qu’un ingénieur réfléchit habituellement. On ne cherche plus des solutions, mais des problèmes !

Enfin, cela se révèle déstabilisant parce que le plus gros du travail n’est plus la conduite de la simulation elle-même, ni même l’analyse de son résultat. Le plus difficile s’avère être la description des hypothèses, que l’on ne peut trouver qu’en se projetant en situation. Il ne s’agit pas de subtilités techniques ou de bidouilles de logiciel ! Pas moyen de débattre sur un forum d’expert de ces recherches qui se font dans l’intimité, dans une projection du concepteur dans le bâtiment encore virtuel.

Petit exemple

Prenons un cas classique, comme l’évaluation des risques de surchauffe d’un bâtiment de logements collectifs. Le résultat, classique également, consiste à vérifier qu’en mettant en place des protections solaires mobiles, le bâtiment restera dans la zone de confort.

La méthode “pointilliste” s’en contente souvent, concluant, simulation thermique dynamique à l’appui, qu’il faut prévoir d’installer de telles protections. Si le bureau d’études pense  à la « prise en compte de l’usager », il précisera même qu’il faut penser à expliquer aux habitants comment et pourquoi s’en servir. Ce sera le prétexte à un paragraphe dans le « livret d’accueil ».

A l’inverse, la méthode « par les tangentes » invite à se poser la question suivante : si un seul des habitants ne ferme pas ses volets, que se passe-t-il ? Le bâtiment est-il toujours en sécurité ? Souvent la réponse est non : un seul logement en surchauffe « emmène » tous les autres avec lui. En effet, l’enveloppe étant très bien isolée, les logements sont tous « thermiquement solidaires ».

simulation thermique dynamique - plage

Il s’agit donc d’un cas critique, et c’est bien là que le véritable travail commence.

Quelles sont les raisons pour lesquelles un seul logement resterait non protégé ? Elles sont quasi-infinies : télécommande en panne, moteur cassé, coupure de courant, habitants en vacances ou partis en déplacement professionnel, etc.

Tous ces cas limites, aussi réalistes que probables (sur 150 moteurs de volets, il y en a toujours qui cassent, non ?) mettent en péril l’ensemble du système. En réalité, une conception énergétique « réaliste » consiste à voir quels facteurs de conception (architecturale, technique ET organisationnelle) permettent de limiter le risque si jamais l’une de ces situations survenait. Pardon : lorsque l’une de ces situation surviendra. Car le cas NORMAL, c’est celui qui n’est pas nominal. On est en plein dans l’étude de la « robustesse » du bâtiment devant les imprévus.

Il s’agit, en reprenant les mots de Jacques Repussart (directeur de l’IRSN), « d’imaginer l’inimaginable » (écouter cette passionnante émission, vers 9 minutes). Si on ne le fait pas, toutes proportions gardées sur les conséquences, on agit avec la même attitude qu’un constructeur ou exploitant de système nucléaire affirmant que l’accident est impossible.

Encore un exemple ?

simulation thermique dynamique - bureauL’apparition d’une puissance dissipée importante et continue dans un logement est un cas classique de surchauffe imprévue. Le travailleur à domicile fortement informatisé, tel l’architecte indépendant ou le graphiste, est un bon exemple de ce genre de « générateur ».

Grossièrement, dans un bâtiment basse consommation, la chaleur dissipée par son activité est équivalente à la puissance de chauffage du logement. Elle survient bien sûr été comme hiver, on n’éteint pas les ordinateurs le printemps arrivé.

Que faire alors, en tant que concepteur, exploitant ou vendeur d’un tel logement ou ensemble de logements ? D’un coté, rien ne nous dit qu’il y aura  un jour un architecte ou un fou de jeux vidéo dans tel ou tel appartement. Mais si le cas survient, alors que fait-on ? Ajuste-t-on le bâtiment et/ou ses systèmes (négociation sur le bâtiment) ? Ou vaut-il mieux pratiquer une sélection pour interdire les travailleurs à domicile (négociation sur l’usage)… pour leur bien, évidemment ! Ce que permet la simulation thermique dynamique, c’est de quantifier. On pourra ainsi dire : « au-delà de 200 W électriques dans les chambres, il y aura un  problème ! »

Le rôle du designer énergétique est bien plus d’alerter les autres acteurs du projet (architectes, maître d’ouvrage etc.), sur ces potentialités de scénario et les solutions envisageables. Les réponses seront multiples, parfois imparfaites, mais… on ne pourra pas dire qu’on ne savait pas !

Le quotidien comme formation

Le paradoxe, c’est que le meilleur maître en la matière, c’est la vie quotidienne. Ce ne sont ni les formations théoriques, ni les livres ou les grands principes. L’expérience s’acquiert de manière très goethéenne, dans la curiosité pour les infinies variations de cas, dans tous les lieux, lors de toutes les rencontres et visites. C’est ce qui va permettre au designer énergétique de se constituer une collection de cas envisageables ou possibles. Une véritable “culture énergétique”. Il y a là une totale perméabilité entre pratique professionnelle et vie quotidienne.

Lorsque je donne des formations, je demande souvent par jeu : « connaissez-vous la puissance dissipée par un réfrigérateur ?  un ordinateur ? un groupe d’enfants excités ? ». Je suis toujours frappé des réponses données par des étudiants en énergétique ou des professionnels expérimentés. Elles varient souvent d’un facteur… 100 !

Et vous, que répondriez-vous spontanément ? La réponse la plus fréquente pour le réfrigérateur se situe entre 500 et 1000 W. Suffisant pour se faire cuire des oeufs à l’arrière de l’appareil. Je vous laisse chercher la bonne réponse 🙂

Se constituer une culture énergétique du quotidien à travers les catalogues de magasins d’électroménager n’est pas anodin et devrait faire partie des réflexes de base, car le quotidien… c’est ce qui va habiter notre futur bâtiment !

En forme de conclusion

simulation thermique dynamique - 2CVJ’aime me souvenir de l’histoire de la 2CV. Le cahier des charges initial donné par l’ingénieur Pierre Boulanger au bureau d’études Citroën était :

« Faites étudier par vos services une voiture pouvant transporter 2 cultivateurs en sabots, 50 kg de pommes de terre ou un tonnelet à une vitesse de 60 km/h, pour une consommation de trois litres au cent. La voiture pourra passer dans les plus mauvais chemins ; elle devra pouvoir être conduite par une conductrice débutante et avoir un confort irréprochable. Son prix devra être inférieur au tiers de celui de la traction avant 11 CV. Le point de vue esthétique n’a aucune importance. »

N’est-ce pas très différent des programmes techniques que reçoivent aujourd’hui les architectes ? N’est-ce pas plus parlant que “atteindre un niveau BEPOS +” ?

Pour ma part, j’aimerais travailler sur des bâtiments où l’on me dirait… Voyons…

« Faites étudier à l’architecte un logement pouvant accueillir un musicien et une étudiante, parfois leurs amis, dans une ambiance chaleureuse pour moins de 50 € de consommations énergétiques par mois. Madame est asthmatique, la ventilation devra enlever les odeurs de frites en moins de 8 mn. Le logement supportera une finale de Roland Garros avec 10 invités au mois de juin par 26°C extérieur, et aura un prix inférieur au prix de marché ».

A moi, alors, d’interpréter de quelle manière mener une série de simulations permettant de valider les cas qui fonctionnent, et ceux qui ne fonctionnement pas.

Comme quoi, même un designer énergétique a des rêves !

pascal

Pascal est designer énergétique depuis plus de 15 ans, avec des expériences variées dans les domaines du bâtiment, des vêtements et équipements. Il est également musicien et écrivain, et habite en Savoie (France).

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Christophe Corbet - 29 juin 2017 Reply

Salut Pascal,
Lu et approuvé ! Ca fait 10 ans que je bosse dans la partie en rénov’ et sur de l’accompagnement en autoconstruction à vocation passive, je touche de moins en moins à l’ordinateur… Ta philosophie (construire la maison autour des besoins/attentes/comportements) est bien la plus efficace, c’est sûr !
Et ton mail m’a permis de rigoler un peu à propos des gore-tex… vais-je être trempé ou avoir froid. Ou les 2 ? Le fameux dilemme de l’alpiniste en face nord…
Je fais suivre ton article et je me répends dessus lors de mes formations Feebat :o)
Bien à toi, bonne continuation
Christophe Corbet

Johan - 15 mai 2017 Reply

Bonjour Pascal,

Je suis tout à fait d’accord avec votre remarque sur l’ingénieur “tête dans le guidon” qui ne voit dans la variation paramétrique que l’espace vectoriel de ce qu’il a à sa disposition pour le projet et non pas de ce qui peut arriver malgré lui. Du coup, il ne cherche qu’à tendre vers un optimum et laisse de côté ce qui n’est pas désirable.

De plus en plus, les variations paramétriques (et régressions par alogorithmes génétiques) sont utilisées eu audit pour “calibrer” des modèles de STD, c’est-à-dire en déterminer les paramètres. Ceci montre cela. Souvent les paramètres trouvés sont insoupçonnés initialement.

Avec l’expérience de tels audits, l’expérience de l’ingénieur (et des autres) se construit pour définir les limites de simulation plus résilientes. Les logiciels automatisant la simulation tels Virtual Environment (www.iesve.com) sont extrêment puissants mais ne servent à rien sans un humain, doué de pensée créative, de recul et de sens critique pour les diriger.

Merci pour vos réflections.

Johan

    pascal - 16 mai 2017 Reply

    Merci Johan,
    L’apparition de nouvelles dimensions “comportement” dans certains logiciels laisse en effet espérer quelque chose de plus “souple”… mais je conserve l’inquiétude que cela évite une fois de plus au manipulateur de s’immerger dans la dimension humaine.
    A bientôt !

    Pascal

      Eric - 16 mai 2017 Reply

      Bonjour,

      En effet les logiciels évoluent pour traiter ces problématiques. Nous développé le module AMAPOLA (http://www.izuba.fr/logiciel/amapola) pour Pleiades qui intègre un volet « comportement des usagers ».
      Cet outil ne prétend pas répondre à toutes les réflexions que vous soulevez. Il propose une approche probabiliste, qui présente des similitudes avec l’approche que vous nommez pointilliste mais aussi quelques nuances de taille.

      Il s’agit de simuler une grande variété de cas possibles avec leurs probabilités. En schématisant sur l’exemple d’un T2 à Paris : on a 1 % de chances qu’il soit habité par une personne seule, retraitée, qui souhaite une T° de confort de 23°C, qui possède en tout et pour tout une cafetière ; et on a 10% de chances d’avoir une famille avec un enfant, qui se chauffe à 20°C, qui possède de nombreux appareils électriques etc.
      Ici je donne des chiffres au hasard mais en pratique nos modèles sont basés sur des stats représentatives, p.ex. le recensement de la population ou l’Enquête Equipement des Ménages de l’INSEE…
      Des cas insolites vont être simulés. Même pas besoin de les inventer, ils existent dans la réalité donc dans les stats ! (genre 5 personnes dans un studio).

      On a aussi la possibilité de contextualiser la simu. Si on sait que le logement est habité par un couple, alors pas besoin de le simuler avec 1 ou 6 habitants. Ce faisant on réduit l’incertitude sur les résultats.

      Les données de contexte sont renseignées de façon compréhensible : « le couple est locataire, ils ont entre 30 et 40 ans, ils travaillent tout les deux, ils possèdent un lave linge etc. ». Le modèle se charge ensuite de générer des scénarios variés et réalistes correspondant à ces entrées. Pas besoin de saisir des W/m² entre 8h et 9h le dimanche matin !

      Le lancement des simus est automatisé (choix des entrées, exécution en parallèle) donc ce n’est pas rébarbatif et on dispose d’outils d’analyse des résultats (on ne se retrouve pas à comparer les résultats des simus deux à deux). Au final l’analyse et l’expertise humaine sont toujours indispensables pour conclure. Si l’outil nous dit qu’il y a 20% de chances que le seuil d’inconfort soit dépassé, est-ce acceptable ? Et 5% ?

      Si vous voulez en savoir plus voici un lien vers un article avec un exemple (https://filesender.renater.fr/?s=download&token=2678fd2c-52e4-d5a2-903a-0c15177b97f6) et (pour les plus motivés) vers ma thèse (https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01144461/document).

      A noter qu’AMAPOLA proposera bientôt des modèles de comportement des usagers dans les bâtiments tertiaires.

      Bien à vous,

      Eric

Yves - 15 mai 2017 Reply

Salut Pascal,

Merci beaucoup pour cet articule, je vais relayer.

Dans ta liste de moteurs de calcul disponibles, tu peux ajouter COMETH du CSTB (http://www.cometh-cstb.fr/home.aspx) , que nous intégrons depuis le début d’année en plus de Energyplus.

Mais quelque soit l’aeronef utilisé, il faut un pilote aux commandes pour naviguer avec discernement, et l’expérience est fondamentale, je souscris!

A bientôt!

Yves

    pascal - 16 mai 2017 Reply

    Merci Yves de l’ajout de cette référence de logiciel. Et à bientôt pour de nouvelles aventures.
    Pascal

Jacques ALLIER - 15 mai 2017 Reply

Merci pour cet article les pieds sur terre et tellement empreint de bon sens. Quelle simplification des programmes qui se réduiraient à l’usage en vue et non à une traduction de l’usage par différentes obligations de moyens, d’outils et de règlements!
L’informatique et ses outils actuels présentent l’énorme inconvénient d’être immédiatement en phase d’exécution en ayant tendance à supprimer les phases d’esquisse et d’avant projet.
Or les erreurs les plus magistrales se situent au début de la conception. Force est de constater que les outils nécessairement simples et plus limités que les outils cités sont très rares. A ma connaissance, seule l’école d’ingénieurs du Valais s’est lancé sur cette piste avec le logiciel Bsol.

    pascal - 16 mai 2017 Reply

    Bonjour Jacques,
    vous avez tellement raison de mentionner l’importance de ces phases très “amont” dans la conception. elles sont tellement paradoxales, car il faut trouver beaucoup de réponses, avec fort peu d’informations !
    C’est un peu comme si les outils très détaillés que nous avons avaient la capacité de nous perdre dans les détails, perdant ainsi l’orientation globale…
    A bientôt pour de nouvelles réflexions.

    Pascal

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