De la construction bioclimatique à la garantie de performance : Retours d'expériences et simulations numériques en conditions estivales

From bioclimatic construction to building performance assessment : Experimental feedback and numerical simulations in summer conditions

• Auteur / Autrice : Arnaud Jay
• Direction : Étienne Wurtz, Monika Woloszyn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil et Sciences de l'Habitat
• Date : Soutenance le 24/06/2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Mora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sihem Guernouti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Antczak, Stéphane Ginestet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Architecture et climat

Constructions -- Économies d'énergie

Mots clés libres

Performance énergétique

Bâtiment bioclimatique

Garantie de performance

Expérimentation

Simulation

Energy performance

Bioclimatism

Performance assessment

Experimentation

Simulation

Résumé

Le secteur du bâtiment représentant en Europe 40% des consommations énergétiques et 36% des émissions de gaz à effet de serre, il est primordial de réduire ses consommations énergétiques pour réduire son impact environnemental. Les projections mondiales prédisent que les consommations de climatisations vont être supérieures aux consommations de chauffage. Ainsi, assurer le confort en climat chaud / période estivale en minimisant les consommations énergétiques est l’un des défis pour espérer atteindre les objectifs fixés. Ce manuscrit va dans ce sens au travers de travaux selon deux axes.Premièrement, il s’intéresse au bioclimatisme et aux solutions passives qui visent à prendre en compte les caractéristiques de l’environnement proche pour améliorer le confort des occupants tout en réduisant les consommations d’énergie. Pour cela, l’étude s’appuie sur l’analyse de plusieurs cas d’études numériques et expérimentaux de maisons individuelles performantes en analysant l’influence et l’impact de différents paramètres que sont la gestion des apports solaires, la sur-ventilation nocturne et l’inertie thermique sous différentes sollicitations climatiques estivales. Ces études permettent de confirmer le rôle positif de ces composantes sur le confort thermique pour cette typologie de de bâtiments performants et de donner des ordres de grandeurs à partir des cas d’études. En premier lieu, la gestion des apports solaires est la plus impactante pour limiter les apports internes dans le logement. La sur-ventilation nocturne, quand le climat le permet, est très efficace pour évacuer la chaleur emmagasinée la journée (apports internes, renouvellement d’air hygiénique, apports solaires non contrôlés) et a un impact sur la température d’air intérieure sur toute la journée. L’inertie thermique permet dans la plupart des cas d’apporter de la résilience au bâtiment, d’être moins sensible à une gestion non optimale de celui-ci et décuple l’impact de la sur-ventilation nocturne.Le second axe s’intéresse à la mesure de la performance des bâtiments qui est une étape clé au cours du cycle de vie du bâtiment pour s’assurer de ses consommations réelles. Cela peut permettre de trouver les clés pour réduire les consommations et faire progresser la filière sur les bonnes pratiques. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à la mesure de la performance intrinsèque de l’enveloppe à l’achèvement de travaux. Les méthodes actuelles de mesures sont toutes réalisées en chauffant le bâtiment, ce qui ne permet pas de réaliser les tests en période trop chaude sans risquer d’endommager le bâtiment ou ses équipements. L’objectif de ce travail est d’explorer une méthode alternative en climatisant le bâtiment au lieu de le chauffer. Des expérimentations à différentes échelles d’une cellule du mètre cube à une maison individuelle ont été réalisées ainsi qu’une approche numérique pour valider la faisabilité d’une telle méthode. Une méthode de co-cooling est proposée et reprend en grande majorité les principes du co-heating avec comme principale modification l’utilisation d’une température extérieure équivalente avec une régression linéaire simple.Enfin, plusieurs perspectives à ces travaux sont esquissées reliant notamment ces deux axes. La mesure et la garantie de performance des solutions passives du bâtiment seront discutés. Cela intégrera l’évaluation de la gestion des apports solaires, de la ventilation naturelle, de l’inertie thermique effective, et des couplages entre ces solutions dont un couplage entre ventilation naturelle, brassage d’air et climatisation en dernier recours. D’autre part, une réflexion sera amenée sur les atouts et limites du bioclimatisme pour répondre au défi du changement climatique qui va faire varier de façon non négligeable l’environnement d’un bâtiment au cours de son cycle de vie semble nécessaire.

With the building sector accounting for 40% of Europe's energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions, it is vital to reduce energy consumption in order to reduce environmental impact. Global forecasts predict that air conditioning consumption will exceed heating consumption. Ensuring comfort in hot climates/summer periods while minimizing energy consumption is therefore one of the challenges to face to meet these targets. This manuscript takes a two-pronged approach.Firstly, it looks at bioclimatism and passive solutions, which aim to take into account the characteristics of the immediate environment to improve occupant comfort while reducing energy consumption. To this end, the study is based on the analysis of several numerical and experimental case studies of high-performance single-family homes, analyzing the influence and impact of different parameters such as solar gain management, night-time ventilation and thermal inertia under different summer climatic conditions. These studies confirm the positive role of these components on thermal comfort, and provide orders of magnitude based on case studies. First and foremost, solar gain management has the greatest impact on limiting internal gains in the home. Ventilation at night, climate permitting, is highly effective in removing heat stored during the day (internal gains, hygienic air renewal, uncontrolled solar gains) and has an impact on indoor air temperature throughout the day. In most cases, thermal inertia adds resilience to the building, making it less sensitive to non-optimal building management, and increases the impact of night-time ventilation tenfold.The second area concerns the measurement of building performance, which is a key stage in the life cycle of a building, enabling us to ascertain actual consumption levels, find the keys to reducing them and help the industry move forward with best practices. In this manuscript, we focus on measuring the intrinsic thermal performance of the building envelope upon completion. Current measurement methods are all carried out by heating the building, which makes it impossible to carry out tests in excessively hot weather without risking damage to the building or its equipment. The aim of this work is to explore an alternative method by air-conditioning the building instead of heating it. Experiments at different scales, from a cubic-meter cell to a single-family home, have been carried out, along with a numerical experimental design to validate the feasibility of such a method. A co-cooling method is proposed, largely based on the principles of co-heating, with the main modification being the use of an equivalent outdoor temperature with a simple linear regression.Finally, a number of prospects for this work are outlined, linking these two parts in particular. Firstly, measuring and guaranteeing the performance of passive building solutions by assessing the management of solar gain, natural ventilation and effective thermal inertia, coupling these solutions and, as a last resort, coupling natural ventilation, air circulation and air conditioning. On the other hand, we need to consider the advantages and limitations of bioclimatism in order to meet the challenge of climate change, which will cause significant variations in a building's environment over the course of its life cycle.