Optimisation robuste multicritère pour l’écoconception de bâtiments zéro-énergie

La conception et l’écoconception des bâtiments 

Résumé historique

En tous lieux de la planète, profitant de milliers d’années de recherches, essais et erreurs, les savoir-faire traditionnels ont permis de construire des habitats adaptés à leur environnement, tant par les matériaux employés (terre, pierre, bois, neige) que dans des formes permettant de profiter passivement du microclimat ambiant. L’igloo inuit au Groenland et l’habitat mozabite en Algérie sont deux exemples extrêmes de constructions traditionnelles bioclimatiques qui ont assuré un certain confort thermique à leurs occupants. La première mise sur une gestion efficace de la ventilation malgré un air extérieur à -30°C, grâce notamment à l’emploi d’un siphon thermique dans le tunnel d’entrée. Elle permet ainsi d’atteindre une température d’ambiance de 20°C à l’intérieur. La seconde, malgré des températures pouvant dépasser les 45°C à l’extérieur, profite de l’inertie de murs en terre crue, du tirage thermique naturel et de jarres d’eau poreuses qui assurent une ventilation passive rafraîchissante (Armand Dutreix, 2010). Or, depuis la révolution industrielle et ce qu’elle a permis d’abondance énergétique, les activités de construction se sont accélérées parallèlement à la productivité économique et à la démographie. Les pratiques bioclimatiques et traditionnelles ont peu à peu disparues de nos sociétés au profit de bâtiments plus simples, plus rapides à construire et plus économiques. En 1948 est construite la première maison moderne chauffée à 75 % à l’énergie solaire à Douvres dans le Massachusetts, conçue par la chercheuse du MIT Maria Telkes qui a été très active dans la recherche sur le stockage d’énergie solaire. Mais cette avancée n’arrive pas à s’inscrire dans la dynamique de forte urbanisation de l’époque. Le premier choc pétrolier de 1973 a mis un premier coup d’arrêt à cette tendance et a encouragé la réduction de la consommation d’énergie avec la toute première réglementation thermique du bâtiment française en 1974 qui vise à réduire les déperditions thermiques via une meilleure isolation. C’est aussi à cette époque qu’émergent de plus en plus d’expérimentations et de recherches sur la valorisation de l’énergie solaire et le bioclimatisme (Peuportier, 2008). En 1980, la première maison fonctionnant à l’énergie photovoltaïque est construite à Carlisle dans le Massachusetts à laquelle a également participée Maria Telkes .

En Suède et au Danemark des politiques plus exigeantes rendent obligatoires les bâtiments « basse consommation » dans les années 1980. En 1988 en France, la troisième réglementation thermique intègre un critère de consommation d’eau chaude sanitaire et de chauffage en plus des déperditions. En parallèle Wolfgang Feist et Bo Adamson travaillent sur le concept de maison passive dont le premier prototype émerge en 1991 à Darmstadt (Feist, 2014), misant sur une étanchéité et une isolation très performantes du bâtiment. La réglementation thermique française est modifiée en 2000 pour prendre en compte un critère de confort des occupants. La dernière version en date de la réglementation, la RT2012, impose une consommation énergétique maximum de 50 kWh/m².an et des exigences sur l’efficacité bioclimatique de l’enveloppe, la consommation énergétique du bâtiment et le confort d’été.

Au début des années 1970 émergent les prémices de l’analyse de cycle de vie (ACV), d’abord aux États-Unis puis parallèlement en Europe (Hunt et al., 1996 ; Boustead, 1996).

Aux États-Unis les premiers travaux s’intéressent d’abord à la réduction des déchets solides et de la consommation d’énergie dans les procédés de fabrication industriels, notamment liés aux emballages et contenants jetables ou réutilisables. À cette époque, l’ACV était principalement employée dans le secteur privé et la majorité des études étaient confidentielles. Le secteur public y portait peu d’intérêt à cause du manque de fiabilité des données et résultats et d’une attention portée principalement sur les déchets toxiques et radioactifs. À partir de 1988, la problématique environnementale générale émerge fortement dans le débat public portée par des organisations environnementales qui poussent à l’action les multinationales et décideurs publics. En 1990, la SETAC (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) lance le premier atelier de discussions de professionnels et chercheurs autour de l’analyse de cycle de vie, à l’issue duquel le terme est officiellement adopté. Autour de cette même période, la pratique de l’écoconception de produits gagne en popularité et peut s’appuyer sur une utilisation de l’ACV qui gagne en maturité. La première mise en œuvre de l’ACV pour l’écoconception de bâtiments remonte à 1986 et portait sur l’énergie (Kohler, 1986). En 1997, des travaux de recherche ont permis d’aboutir à un cadre méthodologique de l’ACV de bâtiment (Peuportier et al., 1997). En 1998 est publiée la première norme ISO 14040 de l’ACV. Les dernières normes ISO qui établissent les principes et exigences d’une démarche en ACV datent de 2006 (International Organization for Standardization, 2006a ; 2006b), puis en 2011 est publiée une norme européenne de l’ACV de bâtiments (Comité Européen de Normalisation, 2011).

Les étapes de la phase de conception

La conception d’un bâtiment se déroule en plusieurs étapes, depuis le programme jusqu’au lancement de la construction.

Programmation et études préalables

Le maître d’ouvrage évalue les besoins, les objectifs et les contraintes de son projet avec l’aide d’une assistance à maîtrise d’ouvrage. Les études de diagnostic sont réalisées par des géomètres et ingénieurs. Les spécificités du projet sont inscrites dans un programme qui définit les objectifs, les contraintes, les exigences de qualité sociale, urbanistique, architecturale, fonctionnelle, technique, économique, d’insertion dans le paysage et de protection de l’environnement. Ce programme contient notamment la hiérarchie des objectifs, les performances à atteindre, l’affectation des espaces, les contraintes de délais et de coûts.

Concours ou esquisse

L’équipe de maîtrise d’œuvre composée de l’architecte et des bureaux d’études propose les premiers plans et premières maquettes du projet. Cette étape permet de vérifier la faisabilité du programme souhaité par le maître d’ouvrage et l’insertion du projet dans le site. L’équipe de maîtrise d’œuvre peut proposer différentes options de conception et réalise leurs premières estimations financières. Si le maître d’ouvrage est satisfait des études d’esquisses il peut décider de poursuivre les travaux dans la phase d’avant-projet.

Avant-projet sommaire (APS)

Le projet et le budget sont réajustés et adaptés, par exemple pour répondre à certaines réglementations. Des concertations avec les usagers peuvent être réalisées.

Avant-projet détaillé (APD) 

Les caractéristiques architecturales et techniques définitives sont arrêtées. L’ensemble des travaux est précisé, le planning et les estimations financières sont finalisés et le dossier de demande de permis de construire est constitué.

Permis de construire

Le dossier de demande de permis de construire est soumis aux autorités compétentes. Il contient les documents techniques, plans, définitions des matériaux, réseaux, fluides, documents administratifs et juridiques, et attestation de conformité avec la réglementation thermique. Le projet doit respecter les règles locales d’urbanisme concernant notamment : l’implantation de la construction, sa fonction, son aspect extérieur et l’aménagement de ses abords.

Études phase projet 

Une fois le permis reçu, l’équipe de maîtrise d’œuvre prépare les plans détaillés de tous les niveaux du bâtiment ainsi que les façades, les perspectives et les mesures. Ce plan doit être le plus compréhensible et détaillé possible car il servira à établir le dossier de consultation des entreprises (DCE). Les entreprises s’appuient sur ce dossier pour établir leurs devis en fonction des interventions sur le chantier qui ont été fixées. Le maître d’œuvre choisit les entreprises sur la base de leurs propositions financières et techniques. Le chantier de construction peut alors démarrer.

Quelle place pour l’écoconception en phase de conception ? 

Les étapes de la programmation, de l’esquisse et de l’APS offrent le plus de liberté et d’incertitudes dans les choix de construction. Ils ont par conséquent une influence majeure sur les performances futures du bâtiment. Dans les étapes ultérieures certains choix de conception seront difficiles, voire impossibles à modifier comme par exemple l’orientation du bâtiment ou la forme du bâti qui ont pourtant des conséquences très importantes sur les performances énergétiques et environnementales du projet. Il sera possible de corriger des défauts de conception durant ces étapes ultérieures grâce à divers dispositifs techniques, mais cette solution peut s’avérer coûteuse, lourde à mettre en œuvre et d’une efficacité incertaine. L’écoconception doit donc être intégrée dans le projet le plus tôt possible. Néanmoins cette intégration connaît plusieurs freins identifiés par Lamé et Leroy (2015) et Lamé et al. (2017) à partir d’entretiens avec des professionnels de la construction et de l’écoconception :
➤ Les motivations environnementales des acteurs du projet sont inégales. Ils n’ont pas les mêmes sensibilités et intérêts pour la réduction des impacts environnementaux. De plus, l’écoconception peut s’accompagner de l’idée qu’elle augmente les coûts et la complexité du projet sans réel retour sur investissement pour l’entreprise. Haned et al. (2014) ont réalisé une étude auprès de 119 entreprises françaises et canadiennes de divers domaines d’activité. Pour 96% d’entre-elles l’écoconception a eu un impact positif (45%) ou neutre (51%) sur leur rentabilité. Par ailleurs, les retombées ne sont pas seulement économiques, elles sont aussi sociales, améliorent l’image publique et la capacité à innover. Même si elle génère de la rentabilité, l’écoconception nécessite un coût d’investissement plus élevé qui n’est pas toujours possible pour les PME. Un certain nombre d’entreprises interrogées par Haned et al. (2014) évoquent le besoin d’avoir plus d’accompagnement de la part des pouvoirs publics, que ce soit de nature financière, ou par des programmes de formation et de sensibilisation à l’écoconception.
➤ Il existe des difficultés techniques et un manque de compétences. L’écoconception requiert l’utilisation d’outils dédiés, souvent basés sur l’analyse de cycle de vie, qui implique l’usage de bases de données qui peuvent être coûteuses ou incomplètes. Le manque de standardisation représente une difficulté pour les acteurs : il n’existe pas de cadre de référence auquel le projet pourrait être comparé. De plus, il manque des outils opérationnels qui fournissent une aide réelle à la décision multicritère.
➤ L’écoconception est une approche qui ne s’insère pas assez tôt dans le processus de conception. Les outils actuels sont considérés comme lourds et peu adaptés aux phases amont de conception où l’information concernant le bâtiment est encore incomplète et incertaine. Aujourd’hui, les outils ACV sont le plus souvent utilisés pour évaluer a posteriori des solutions de conception. Or, une expertise suffisante de l’écoconception et des outils permet de contourner ces problèmes et de faire des propositions dès le début de la conception .

Table des matières

Introduction
1 Problématique et état de l’art
1.1 La conception et l’écoconception des bâtiments
1.1.1 Résumé historique
1.1.2 Les étapes de la phase de conception
1.1.3 Quelle place pour l’écoconception en phase de conception ?
1.2 Le bâtiment zéro-énergie
1.2.1 Le bâtiment zéro-énergie d’après la réglementation européenne
1.2.2 Cadre de définition du bâtiment zéro-énergie dans la littérature
1.2.3 Le bâtiment zéro-énergie dans la réglementation française
1.3 L’analyse de cycle de vie
1.3.1 Les étapes de l’ACV
1.3.2 Méthodes en ACV de bâtiment
1.3.3 Intégration de l’ACV de bâtiment en phase de conception
1.4 L’optimisation multicritère de bâtiment
1.4.1 Notions en optimisation multicritère
1.4.2 Application de l’optimisation multicritère au bâtiment
1.5 Incertitudes et écoconception robuste
1.5.1 Incertitudes et prospective en ACV
1.5.2 Incertitudes en écoconception de bâtiment
1.5.3 Méthodes d’aide à la décision et de conception robuste
1.5.4 Applications des méthodes aux bâtiments
Conclusion du chapitre 1
2 Développements en ACV et en optimisation multicritère
2.1 Principaux outils utilisés
2.1.1 Simulation énergétique dynamique avec Pleiades+Comfie
2.1.2 Analyse de cycle de vie avec Pleiades ACV EQUER
2.1.3 Modèle de système électrique dynamique
2.1.4 Algorithme d’optimisation NSGA-II
2.2 Améliorations apportées à la fiabilité des outils
2.2.1 Mise à jour des méthodes de caractérisation
2.2.2 Mise à jour des données d’inventaire
2.2.3 Échantillonnage de la population initiale
2.3 Cas d’étude
2.3.1 Contexte
2.3.2 Présentation du cas d’étude
2.3.3 Modélisation en SED et en ACV
Conclusion du chapitre 2
3 Optimisation multicritère de bâtiment zéro-énergie
3.1 Problème d’optimisation multicritère initial
3.1.1 Présentation du problème
3.1.2 Données économiques
3.1.3 Analyse des résultats
3.2 Influence de l’espace de décision
3.2.1 Présentation du problème
3.2.2 Espace de décision
3.2.3 Comparaison des variantes constructives
3.2.4 Adaptation de l’algorithme d’optimisation
3.2.5 Analyse des résultats
3.2.6 Choix d’une solution optimale
3.3 Influence de la contrainte zéro-énergie primaire
3.3.1 Présentation du problème
3.3.2 Coefficient d’énergie primaire du mix électrique
3.3.3 Analyse des résultats
Conclusion du chapitre 3
4 Méthode prospective d’ACV dynamique du bâtiment
4.1 Fondements de la méthode
4.1.1 Contexte de l’écoconception robuste
4.1.2 Grandeurs d’intérêt robustes
4.1.3 Paramètres incertains sélectionnés
4.1.4 Approche proposée
4.2 Évolution du climat
4.2.1 Données climatiques en SED de bâtiment
4.2.2 Données climatiques futures
4.2.3 Méthode de morphing
4.2.4 Implémentation
4.2.5 Résultats
4.2.6 Limites
4.3 Évolution du système électrique
4.3.1 Méthode de développement
4.3.2 Hypothèses sur l’import et les systèmes solaires PV
4.3.3 Résultats
4.3.4 Limites
4.4 Scénarios de cycle de vie du bâtiment
4.4.1 Scénarios de cycle de vie du bâtiment
4.4.2 Implémentation pour l’optimisation multicritère robuste
Conclusion du chapitre 4
Conclusion

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