Éco-conception d'un habitat durable et modulable sous les contraintes énergétiques et architecturales : Applications aux éco-containers

Eco-design of sustainable and modular housing under energy and architectural constraints : the case of containers

• Auteur / Autrice : Feriel Mustapha
• Direction : El-Hadj Kadri, Moumen Darcherif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 24/11/2020
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Président / Présidente : Ali Zaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El-Hadj Kadri, Ali Zaoui, Rafik Belarbi, Didier Defer, Ikram El Abbassi, Abdelhak Kaci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafik Belarbi, Didier Defer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoconception

Mots clés libres

Architecture container

Efficacité énergétique

Simulation thermique dynamique

Optimisation morpho-Énergétique

Morphologie modulaire

Algorithmes

Container architecture

Energy efficiency

Dynamic thermal simulation

Modular morphology

Algorithms

Morpho-Energetic optimization

Résumé

La réduction de la consommation énergétique dans le secteur résidentiel est devenue une préoccupation mondiale et a suscité l’intérêt d’un nombre considérable de recherches. Dans cette optique, les principes d’application de l’architecture bioclimatique et la démarche passive ont vu le jour. L’objectif de ces approches étant énergétique et implicitement économique. Partant de cette motivation, l’architecture container représente un bon point de départ, étant donnée son faible coût, sa reconversion rapide et sa large adaptation aux différentes typologies d’habitation, ajouter à cela la possibilité de recycler des containers déjà usés.Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont permis, tout d’abord, de définir un modèle de cellule container habitable, conformément à la règlementation thermique française pour la région de Trappes France, en subissant des modifications sur son enveloppe originelle. Cette dernière a été repensée en termes de matériaux isolants et d’ouvertures, en s’inspirant de l’architecture bioclimatique, afin d’assurer un confort thermique aux futurs occupants. Cette étape a été dument menée au travers de simulation thermique dynamique via le solveur Trnsys. La définition de cette cellule container a ensuite fait l’objet d’une seconde étude portant sur sa nature combinatoire. En effet, l’architecture container est caractérisée par l’assemblage de cellule. Ce dernier a été traité dans ce travail en imposant des conditions d’assemblage, dans le but de dénombrer les possibilités géométriques combinatoires via un algorithme récursif implémenté dans l’environnement Matlab. Ensuite, les morphologies résultantes se sont vues associé à un profil énergétique élémentaire suivant une approche morpho-énergétique, afin de pouvoir quantifier la demande de chauffage annuelle ainsi que le rayonnement relatif à chaque géométrie. Ces profils énergétiques sont le fruit d’une collecte de données via des simulations thermiques dynamiques via Trnsys. Ce travail a pour objectif d’aboutir à une optimisation morpho-énergétique de l’archétype container suivant des conditions définies.L’optimisation de cette typologie de construction est fonction du nombre de morphologies, basée sur le critère de minimisation des besoins énergétiques, l’optimal dépend premièrement du nombre de cellule qui la compose puis de sa géométrie. Cette approche s’est concrétisée par un algorithme. La fiabilité de l’approche morpho-énergétique est démontré au moyen d’un comparatif des résultats générer par le duo simulation/optimisation. La morphologie optimale est ensuite analysée sous l’angle architectural. Grace à cette contribution, nous avons pu avoir une vision globale sur toutes les possibilités géométrique et énergétique, ainsi, les concepteurs d’un projet d’habitation, peuvent choisir la géométrie combinatoire en container qui convient aux cahiers des charges urbain tout en ayant un bilan prévisionnel annuel de la consommation énergétique.

Reducing energy consumption in the residential sector has become a global concern and has attracted considerable research interest. With this in mind, the application principles of bioclimatic architecture and the passive approach have emerged. The objective of these approaches is energy efficient and implicitly economic. Based on this motivation, container architecture represents a good starting point, given its low cost, its rapid conversion and its wide adaptation to different types of housing.The works carried out within the framework of this thesis allowed, first of all, to define a model of habitable container cell, in accordance with the French thermal regulations for the region of Trappes France, by undergoing modifications on its original envelope. The latter was rethought in terms of insulating materials and openings, inspired by bioclimatic architecture, in order to ensure thermal comfort for the future occupants. This step was duly carried out through dynamic thermal simulation using the Trnsys solver. The definition of this container cell was then the subject of a second study on its combinatorial nature. Indeed, the container architecture is characterized by the cell assembly. The latter was treated in this work by imposing assembly conditions, with the aim of enumerating the combinatorial geometrical possibilities via a recursive algorithm implemented in the Matlab environment. Then, the resulting morphologies were associated with an elementary energy profile following a morpho-energetic approach, in order to quantify the annual heating demand and the radiation relative to each geometry. These energy profiles are the result of data collection via dynamic thermal simulations, again via Trnsys. The aim of this work is to achieve a morpho-energetic optimization of the container archetype according to defined conditions.The optimization of this construction typology is a function of the number of morphologies, based on the criterion of minimizing energy requirements. The optimum depends firstly on the number of cells that make it up and secondly on its geometry. This approach is embodied in an algorithm. The reliability of the morpho-energetic approach is demonstrated by comparing the results generated by the simulation/optimization duo. The optimal morphology is then analyzed from an architectural perspective. Thanks to this contribution, we were able to have a global vision of all the geometric and energy possibilities, so that the designers of a housing project can choose the combinatorial container geometry that suits the urban specifications while having a forecast annual balance of energy consumption.