Contexte :
La quête de la très basse consommation conduit à une sophistication de plus en plus grande de l’ensemble des composants d’un bâtiment, aussi bien de l’enveloppe que des systèmes énergétiques. Ces composants sont souvent couplés entre eux et interagissent les uns avec les autres, ce qui conduit au constat que « l’optimum global n’est pas la somme des optimums » des différents composants. La détermination d’un optimum global de conception, loin d’être intuitive, peut prendre en compte des critères variés tels que les propriétés physiques et la géométrie du bâtiment, le coût environnemental, le niveau de confort visé, l’ensemble des contraintes techniques et juridiques, tout en tenant compte le plus fidèlement possible des données liées à l’occupation du bâtiment et du site.

Objectif :
L’objectif de cette thèse est de définir des méthodes permettant la détermination d’un tel optimum de conception et de valider ces méthodes via leur implémentation dans des outils de conception / simulation. Les outils existants, comme par exemple TrnOpt, permettent aujourd’hui de déterminer les valeurs optimales d’un jeu de paramètres d’un modèle en faisant directement appel à des outils de simulation dynamique comme TRNSYS. Ce type d’approche est doublement limitée, d’une part, par les limites de modélisation du logiciel de simulation énergétique utilisé (par exemple la non prise en compte des masques solaires dans TRNSYS, devant être pris en considération dans la version 17) et, d’autre part, par le fait que l’optimisation se fait sur un modèle déjà déterminé et implémenté.
En d’autres termes, l’optimum est recherché en faisant des études paramétriques autour des données d’entrées d’un seul projet TRNSYS, la géométrie (ou la topologie) du bâtiment ne pouvant être prise en compte dans cette recherche d’optimum car elle nécessite de recréer un projet TRNSYS à chaque fois. Or, les choix effectués dans les premières phases d’un projet, déjà au niveau de l’esquisse architecturale, déterminent en grande partie les performances énergétiques du projet final. Le besoin se fait donc sentir de développer des approches permettant de guider les choix techniques et architecturaux dans toutes les phases de conception d’un bâtiment. Cela conduit à étudier des formulations génériques des problèmes d’optimisation posés qui puissent être appliquées à des types de modèles divers. Cela conduit aussi à étudier les manières les mieux adaptées de coupler les outils de CAO, de simulation dynamique et de calcul 2D/3D en vue de la résolution de problèmes d’optimisation spécifiques, comme par exemple l’optimisation de la forme architecturale dans une perspective de conception bioclimatique. En particulier, il sera nécessaire d’étudier la variation du modèle topologique et son couplage avec l’outil de simulation. Les méthodes développées seront mises en œuvre et validées au travers d’une implémentation dans une chaîne d’outils complète de modélisation 2D/3D intégrant des noyaux de calcul (dont TRNSYS) et modeleurs déjà existants et reposant sur les travaux antérieurs de standardisation et d’échange de données entre logiciels (cf. norme ISO IFC, GBXML et NBDM). Elles utiliseront l’ensemble des informations géométriques, topologiques et sémantiques contenues dans la maquette numérique du bâtiment.

Résultats attendus :
Cette thèse permettra :
- De lever des verrous scientifiques liés à l’optimisation du bâtiment, dans une approche systémique globale
- De contribuer à l’enrichissement d’outils de simulation numérique disponibles, comme TRNSYS, avec des méthodes d’optimisation d’ensemble
- D’améliorer le niveau d’interopérabilité entre outils de simulation dynamique et CAO
- De fournir des éléments de réponse sur l’interaction entre les différents composants d’un bâtiment et l’efficacité globale des assemblages. Compétences souhaitées : Thermique des enveloppes et des systèmes, outils de simulation et de calcul.