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1 LEPTAB - Laboratoire d-Etude des Phénomènes de Transfert Appliqués aux Bâtiments

Abstract : The building sector represents the most energy consuming sector in France with 43% of final energy consumption and 25% of greenhouse gases emission. Thus, efforts should be taken to promote new buildings construction and existent buildings thermal renovation satisfying low energy building criterions.The main target of this work is to set up a methodology to carry out parametrical studies during the design process of a low energy building. The methodology consists of using numerical simulation tools and the design of experiments method DOE to develop polynomial models to evaluate the energy efficiency and summer thermal comfort of buildings. The polynomial models simplify parametrical studies by replacing numerical simulation tools to find out solutions to get to low energy buildings. The methodology is used to improve the energy efficiency of a small typical French office building, called Beethoven, to achieve a low energy building suitable for the French climate condition.The first chapter presents the state of art of low energy buildings. The state of art work deals with low energy buildings labels and projects realization, as well as HVAC systems and building envelope concepts.The second chapter treats with numerical models development in the MATLAB-SIMULINK environment and its integration in the SIMBAD models library. These models are useful to set up the methodology. A few studies carried out using the developed models to evaluate low energy buildings and HVAC systems performance, are also presented.The third chapter deals with the presentation of the office building characteristics and the underlying principles of the design of experiments method. The thermal characteristics of the office building are chosen according to the French thermal regulation guidelines. These characteristics are considered as a reference configuration to evaluate the energy efficiency improvements of the low energy office building. The energy efficiency of the office building for the reference configuration is evaluated with respect to the eight climate contexts defined by the French thermal regulation. This ables us to retain only three representative climates to achieve this work. An application example of the design of experiments method is performed in order to validate the choice of this method for the design methodology.The fourth chapter deals with the development of polynomial models. The potential and limits of the design of experiments method is evaluated to model the building energy efficiency and thermal comfort via polynomial models. This leads us to define an application strategy of the design of experiments method in the frame work of low energy building numerical design studies. Then, the polynomial models are used to perform a sensitivity analysis for energy efficiency of the office building as well as solutions analysis for building envelope and HVAC systems in order to get to a low energy building with respect to the three climates.In the last chapter, the polynomial models are used to identify solutions for the office building envelope and HVAC systems characteristics in order to get to a low energy building with respect to the guidelines of the French label Effinergie and the German label Passivhaus. The low energy configurations are compared to the reference configuration in terms of energy consumption, summer thermal comfort and CO2 gases emission.The developed methodology simplifies the parametric study to find out solutions to improve the energy efficiency of buildings, by performing graphical diagrams for solutions selection. It ables to study a large number of solutions, which could reach millions depending on the number of parameters. The methodology results show satisfying agreements with the numerical simulation results. Thus it could be used to develop design tools for low energy buildings construction and existent buildings thermal renovation.

Résumé : En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d-énergie parmi les secteurs économique, avec 43% de l-énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s-avère donc nécessaire de réduire l-impact environnemental de ce secteur en promouvant la construction des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d-énergie.L-objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d-énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l-évaluation des performances énergétique et du confort thermique d-été des bâtiments, à l-aide de la méthode des plans d-expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux permettent de simplifier les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d-énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux.Dans le premier chapitre, nous présentons l-état de l-art des bâtiments à basse consommation d-énergie et à énergie positive, dans le but de dresser un bilan de connaissances sur le contexte énergétique français, sur les labels mis en place en France et à l-étranger, sur les projets réalisés et sur les techniques utilisées pour concevoir des bâtiments à basse consommation d-énergie.Ensuite, nous nous focalisons dans le second chapitre, sur le développement de modèles numérique nécessaires à l-élaboration de la méthodologie. Les modèles sont développés dans l-environnement MATLAB-SIMULINK et intégrés dans la bibliothèque SIMBAD, dédiée à la simulation numérique en thermique du bâtiment afin de participer à son développement. De plus, nous présentons des études d-évaluation énergétiques de systèmes spécifiques aux bâtiments à basse consommation d-énergie qui illustrent l-utilisation des modèles numériques développés.Un cas d-étude est défini dans le troisième chapitre ainsi que les contextes climatiques à considérer, les principes de base de la méthode des plans d-expériences et un exemple de son application. Le cas d-étude considéré est un immeuble de bureaux, nommé Beethoven, dont les caractéristiques de base seront choisies selon les exigences de la réglementation thermique. Ces caractéristiques constituent la configuration de référence qui est améliorée en suivant la méthodologie développée. L-analyse des huit zones climatiques définies par la réglementation thermique et l-évaluation des performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence par rapport à ces climats, permettent de sélectionner trois climats représentatifs pour la suite du travail. Enfin, un exemple d-application de la méthode des plans d-expériences pour une optimisation énergétique de la configuration de référence permet de justifier le choix de cette méthode.Le début du quatrième chapitre est consacré au développement des modèles polynômiaux pour l-évaluation des performances énergétique et du confort thermique d-été du bâtiment Beethoven. Nous débutons ce chapitre par une évaluation des limites de la méthode des plans d-expériences pour déterminer ces modèles polynômiaux. Il en découle une méthodologie générale d-application de la méthode des plans d-expériences afin de développer des modèles polynômiaux pour réaliser des études de conception de bâtiment à basse consommation d-énergie. Ensuite, nous effectuons, à l-aide de ces modèles, une étude de sensibilité pour le bâtiment Beethoven et une analyse de solutions pour concevoir un bâtiment à basse consommation d-énergie selon divers critères énergétiques.Dans le dernier chapitre, nous présentons un exemple d-application des modèles polynômiaux développés pour identifier des solutions pour la conception de l-enveloppe et des systèmes du bâtiment Beethoven, afin d-obtenir un bâtiment à basse consommation d-énergie, selon les critères du label Français Effinergie et du label Allemand Passivhaus. Les configurations basse consommation d-énergie obtenues sont comparées par rapport à la configuration de référence en termes de performances énergétiques, de confort thermique d-été et d-émissions CO2.La méthodologie que nous proposons permet d-identifier, de manière simple et rapide, des solutions pour concevoir des bâtiments à basse consommation d-énergie. Les solutions sont sélectionnées à l-aide d-abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, déterminées à l-aide des modèles polynômiaux. La détermination de toutes ces configurations serait difficile voire impossible à réaliser directement à l-aide de la simulation numérique, sans avoir recours à des modèles polynomiaux, d-où l-avantage d-une telle méthodologie.Enfin, cette méthodologie constitue une base robuste pour le développement d-outils d-aide à la décision, destinés aux différents acteurs du secteur du bâtiment pour la conception des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d-énergie.

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Keywords : Low energy buildings design methodology building energy efficiency optimization parametrical studies design of experiments method low energy building design tools numerical simulation tools

Mots-clés : Bâtiments à basse consommation d-énergie bâtiments à énergie positive optimisation énergétique de bâtiments méthodologie de conceptions de bâtiment études paramétriques plans d-expériences outils d-aide à la décision outils de simulation numérique





Autor: Fadi Chlela -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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