Projet ANR-13-VBDU-0003 – INTENSE : INTégration ENergétique des Systèmes et de l’Enveloppe des bâtiments : développement d’une méthodologie et d’un outil de conception optimisant la performance globale.
Programme : Villes et Bâtiments Durables (VBD)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Gilles FRAISSE (Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnemnt)
Partenaires : ALBEDO ENERGIE; ARMINES CES ARMINES Centre Efficacité énergétique des Systèmes de Mines ParisTech; CEA-INES Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives; FAURE FAURE; Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble; Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes; Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
Montant : 894480.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Conception optimisée des bâtiments sur leur cycle de vie, intégrant les performances énergétiques, économiques, environnementales et de confort.Les bâtiments à haute performance énergétique mettent en oeuvre davantage de moyens pour la réduction des besoins et la production d'énergie d'origine renouvelable. Leur conception nécessite de réaliser une optimisation multicritère prenant en compte le cycle de vie et les coûts financiers. L'approches traditionnelle de conception par étape (sobriété, efficacité, énergies renouvelables) laisse la place désormais à des approches globales prenant en compte toute la complexité du problème.
Développement d'une méthodologie d'optimisation de la conception basée sur les algorithmes génétiques et les modèles de substitution de type krigeage.Les bâtiments du futur seront producteurs d’énergie et viseront donc à valoriser au mieux les différentes sources renouvelables pour satisfaire les besoins énergétiques du bâtiment liés au secteur d’activité et aux occupants. La gestion des différentes sources énergétiques et du stockage, le confort des occupants dans des bâtiments fortement isolés doivent être optimisés lors de la conception. C’est aussi le cas des critères environnementaux et financiers qui ne peuvent pas être négligés. Cette volonté de rechercher l'efficacité globale se résume dans la notion d’intégration énergétique. Le projet INTENSE va permettre de développer une méthodologie qui sera implantée au sein d'un outil informatique destiné aux concepteurs (bureaux d'études et architecte) et aux chercheurs développant par exemple de nouveaux systèmes de contrôle-commande.L’intégration énergétique des systèmes et de l’enveloppe du bâtiment est un problème d’optimisation multicritère extrêmement complexe qui n’a jamais été traité avec une approche aussi complète que celle envisagée dans le projet INTENSE : - Modélisation dynamique « fine » permettant de prendre en compte le comportement de l’ensemble des systèmes énergétiques et des compositions d’enveloppe du bâtiment. - Optimisation multicritère globale sur la durée de vie : ACV, confort (thermique et visuel), énergie et financier. Le nombre de combinaisons possibles est très important, entre les sources disponibles localement, les systèmes et les caractéristiques d’enveloppe envisageables. La méthode d’optimisation retenue est basée sur les algorithmes génétiques du fait de la difficulté de définir un optimum global. Comme de nombreuses configurations seront simulées sur de longues périodes, nous implémenterons des méthodes d’optimisation spécifiques faisant intervenir des modèles de substitution (krigeage) afin de réduire les temps de calcul. L'optimisation robuste permettant de traiter les incertitude sera par ailleurs abordée.
Description et enchaînement des tâches entre les différents partenaires.L’état de l’art (tâche 1) va aider à la mise en place de la méthodologie d’intégration énergétique (tâche 2), incluant le choix des différentes configurations retenues des systèmes et des enveloppes de bâtiments. Les modèles associés seront développés dans la tâche 3. La tâche 4 concernera l’élaboration des différentes fonctions de performance. Ces tâches vont conduire à l’élaboration (tâche 5) de l’outil d'intégration énergétique (OIE)  qui sera testé et validé sur un bâtiment (immeuble collectif d’habitation). A chacune de ces tâches sera associée un ou plusieurs livrables, fournis à des dates prédéfiniesLa thèse LOCIE (co-encadrement LGCB) permettra de développer et de mettre en œuvre au sein de l’OIE la méthodologie d’intégration énergétique des systèmes et de l’enveloppe du bâtiment, en étroite collaboration avec les autres partenaires. Concernant l’enveloppe, la thèse s’appuiera sur un Post-Doc au LGCB pour la prise en compte de l’éclairage et le rôle de l’occupant dans le paramétrage des systèmes de régulation. La thèse s’appuiera bien évidemment sur les développements informatiques de l’OIE (sous-traitance prévue au G2ELAB) qui permettront de faire le lien entre les outils de simulation (LOCIE, LGCB, CEA), les outils d’optimisation et d’aide à la décision (G2ELAB : Post-doc et sous-traitance), et les outils d’ACV (ARMINES). Compte tenu de la diversité des systèmes énergétiques, le CEA contribuera au développement des modèles de systèmes multifonctionnels et systèmes solaires combinés. Par son expertise, le CEA participera étroitement à la méthodologie d’optimisation des systèmes couplés au bâtiment.
Résumé de la soumission : Dans le cadre du projet INTENSE, nous développons une méthodologie et un outil informatique évolutif dédié à l’intégration énergétique du bâtiment (enveloppe et systèmes énergétiques) grâce au couplage d’outils de simulation dynamique, d’optimisation multicritère (algorithmes génétiques), d’analyse du cycle de vie et d’aide à la décision. Nous traiterons les problématiques d’interopérabilité entre logiciels lors du développement de l’Outil d’Intégration Energétique (OIE).L’objectif du projet est de définir la méthodologie et d’élaborer l’OIE conduisant à la meilleure performance globale définie avec une approche multicritère (ACV, confort, énergie et financier) en considérant la durée de vie complète du bâtiment. A partir de l’ensemble des combinaisons possibles, l’OIE permettra aux bureaux d’études et architectes de définir un ensemble de solutions optimales de systèmes et caractéristiques d’enveloppe (seule la géométrie est supposée connue) présentant la meilleure efficacité globale en tenant compte des sources et besoins énergétiques. L’outil d’aide à la décision permettra au décideur de faire un choix en toute connaissance de cause. L’OIE offrira également la possibilité d’optimiser avec une approche globale tout type de système innovant ou produit du bâtiment développés par les laboratoires et industriels. Nous nous baserons sur une modélisation dynamique permettant de prendre en compte des facteurs importants comme le contrôle-commande et l’interaction entre l’occupant et le bâtiment. La méthode permettra d’envisager simultanément toutes les combinaisons de systèmes et caractéristiques d’enveloppe retenues. Le problème d’optimisation à traiter est extrêmement complexe de part la diversité des solutions envisageables, des nombreuses interactions (systèmes, enveloppe, extérieur, occupants), du nombre de critères et de l’échelle temporelle (plusieurs décennies). Afin de limiter les durées de calcul, nous réaliserons des études de sensibilité sur la complexité des modèles tandis que les méthodes d’optimisation seront adaptées. La technique des micro-algorithmes génétiques sera ainsi considérée. Les verrous scientifiques sont essentiellement d’ordre méthodologie. L’OIE développé permettra de satisfaire les besoins énergétiques des occupants (chaleur, froid, électricité) en utilisant la meilleure combinaison possible entre les sources disponibles localement, les systèmes envisageables et la composition de l’enveloppe du bâtiment, en interaction avec l’occupant et l’environnement extérieur. Sachant qu’il n’est pas possible de traiter sur la durée du projet toutes ces configurations, l’OIE sera évolutif (nouveaux modèles de systèmes et d’enveloppes). Nous illustrerons l’intérêt de l’outil à travers un cas d’étude (immeuble collectif d’habitation). Ce type d’outil optimisant la conception du bâtiment avec une approche globale et « fine » par la modélisation n’existe pas pour l’instant. L’OIE est basé sur une méthodologie assez générale, puisqu’elle peut s’appliquer à des projets en phase d’esquisse avec des modèles dégradés, et sur des bâtiments aussi bien du secteur tertiaire que résidentiel. L’approche habituelle de conception (sobriété, efficacité et énergies renouvelables) n’est pas suffisante dans le cas des bâtiments du futur qui seront à énergie positive. Il devient indispensable d’optimiser l’efficacité avec une approche globale et multicritère, sachant que l’énergie grise devient un poste important de consommation. Les outils actuellement disponibles sont seulement des briques de la démarche complète d’intégration énergétique proposée dans INTENSE.    Une nouvelle tâche de l’Agence Internationale de l’Energie est en cours de montage sur le thème de l’intégration énergétique. Cette tâche est portée par F. Haghighat de l’Université Concordia. Le projet INTENSE sera l’occasion pour deux des partenaires de participer directement à son montage et de contribuer à son fonctionnement.
Résultats : • Participation à l’annexe 31 de l’AIE (ECES) « Energy Storage with Energy Efficient Buildings and Districts : Optimization and Automation » : responsabilité de la Tâche B (Optimization) intitulée « Optimization : methodologies and tools to optimize the total performance (energy, environmental, and economical) of whole systems  » 
• Organisation d’un Workshop (17 June) sur l’optimisation globale des bâtiments lors de la Conférence IBPC (International Building Physics Conference, 14-17 June 2015, Torino, Italy).
• Participation à un ouvrage collectif : « Techniques d’optimisation », chapitre de l’ouvrage « Utilisation des outils de simulation energetique des batiments » réalisé sous la direction de B. Peuportier, Ecole des Mines de Paris
Perspectives : • Définition d’une méthodologique générale intégrant l’optimisation, la simulation dynamique, les modèles de krigeage et la prise en compte d’incertitudes pour la conception optimisée multicritère des bâtiments. Le couplage des logiciels a été réalisé entre TRNSYS (Simulation) et MATLAB (optimisation, krigeage, incertitudes).
• Optimisation liée au cycle de vie : les outils COMFIE  (STD) et NovaEquer (ACV), déjà chaînés, sont utilisés. L’objectif étant d'automatiser la gestion des simulations, les calculs sont couplés au logiciel de statistiques R. 
• Etude de cas : modélisation d’un bâtiment collectif d’habitation. Des variantes ont été proposées pour les systèmes et l’enveloppe. Ces différents cas seront optimisés en se basant sur la méthodologie développée. 
• Les différents outils utilisés doivent pouvoir être intégrés à l’outil final d’optimisation. Des solutions d’inter-operabilité entre différents logiciels sont testées dans l’environnement CADES.
Publications et brevets : •  Poster : I. Axaopoulos, J. Silva, G. Fraisse, B. Souyri, S. Rouchier. Développement d'une méthodologie et d'un outil de conception optimisant la performance énergétique globale des systèmes et de l'enveloppe des bâtiments. Poster. Journées Nationales sur l'Énergie Solaire, Campus université Perpignan, 1-3 juillet 2015                                                       •  F. Wurtz et G. Fraisse, « Techniques d’optimisation », chapitre de l’ouvrage réalisé sous la direction de B. Peuportier, Ecole des Mines de Paris. « Énergétique des bâtiments et simulation thermique », Ouvrage collectif, EDITIONS EYROLLES,  Coordination : B. Peuportier, 2016, ISBN : 978-2-212-14275-4, 444 p.                                               •  G. Fraisse. Vers une optimisation globale de la conception des bâtiments. CNRS-Fedesol, Section “Bâtiment solaire” , Savoie Technolac, 7 décembre 2015