Exploitation des ressources énergétiques de l`environnement par

Exploitation des ressources énergétiques
de l’environnement par des bâtiments :
analyse d’indicateurs de performance et
sensibilité des paramètres d’enveloppe
Lou Chesné
1, 2
, Thierry Duforestel
1
, Jean-Jacques Roux
2
, Gilles Rusaouën
2
1
EDF R&D, Moret-sur-Loing, FRANCE
2
CETHIL, INSA-LYON, Villeurbanne, FRANCE
RÉSUMÉ . La réduction de la consommation énergétique des bâtiments fait surtout appel à
l’isolation. Dans cette optique, l’enveloppe est uniquement considérée comme un vecteur de
pertes d’énergie. Or l’enveloppe d’un bâtiment échange avec les différentes ressources
énergétiques de l’environnement qu’elles soient des sources (soleil) ou des puits d’énergie
(ciel et air). Ce papier propose une méthodologie permettant de quantifier à la fois le
gisement des ressources utiles et l’exploitation qui en est faite par les bâtiments. Pour ce
faire, des indicateurs ont tout d’abord été définis puis appliqués à des bâtiments types. Ils ont
enfin été analysés, notamment par une méthode d’analyse en composantes principales. Une
analyse de sensibilité a également été menée afin de déterminer l’influence des
caractéristiques de l’enveloppe sur l’exploitation des ressources.
ABSTRACT . The main answer to the reduction of building energy consumption is currently
focused on insulation since the building envelop is only considered as a vector of energy
losses. However, environmental resources exchange with the building envelope either they
are heat sources (the sun) or heat sinks (the sky and the air). This paper aims to propose a
new method to quantify both the resources capacity and the ability of the buildings to exploit
them. To do so, indicators have been defined, and then applied to classical buildings. The
results have been analyzed, in particular with a principal component analysis. A sensivity
analysis has also been carried out to evaluate the impact of the envelope characteristics on
the exploitation of the resources.
MOTS-CLÉS : potentiel énergétique, exploitation des ressources, énergies renouvelables
KEY WORDS : energy potential, resources exploitation, renewable energy.

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Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 2
1. Introduction
Depuis les années 1970 et l’émergence de questions relatives à la fois à la
gestion des ressources et à l’utilisation d’énergies non émettrices de gaz à effet de
serre, le bâtiment est devenu un secteur clé. En effet, ce secteur représente environ
40% de la consommation d’énergie au niveau français et européen. Dans ce
contexte, la réduction de la consommation d’énergie notamment pour le chauffage et
le rafraîchissement des bâtiments est un véritable enjeu. La réponse classique est
l’isolation des parois extérieures afin de limiter l’impact de la température extérieure
sur l’ambiance intérieure du bâtiment [MOH 11].
Mais cette solution n’est pas nécessairement la plus pertinente puisqu’en isolant
un bâtiment on le prive également des ressources de l’environnement qui peuvent
être des sources de chaleur (comme le soleil) ou des puits de chaleur (comme l’air
extérieur et le ciel). Dans un précédent article [CHE 11], le potentiel de ces
ressources a été évalué en fonction des besoins énergétiques et la performance des
bâtiments au regard des différentes ressources a été calculée à l’aide d’indicateurs.
Cependant, vu le grand nombre de résultats obtenus pour toutes les parois d’un
bâtiment, une méthode d’analyse plus exhaustive et plus synthétique est requise.
L’analyse en composantes principales (ACP) qui permet de synthétiser les variables
(ici les indicateurs) d’un jeu de données multidimensionnel a donc été utilisée pour
étudier le comportement des parois et les principaux résultats sont présentés dans cet
article.
Dans une première partie, on décrira sommairement la méthode d’évaluation du
potentiel des ressources et de performance des bâtiments en rappelant notamment les
ressources étudiées et la définition des principaux indicateurs. La deuxième partie
sera consacrée à l’analyse en composantes principales des résultats issus des
simulations. Enfin, dans la troisième partie seront présentés les premiers résultats
d’une analyse de sensibilité des indicateurs aux caractéristiques de l’enveloppe d’un
bâtiment.
2. Méthodologie
2.1. Les ressources de l’environnement
Les échanges énergétiques entre un bâtiment et son environnement sont réalisés
soit par ventilation, soit par la face extérieure de son enveloppe par rayonnement ou
convection. Les trois ressources choisies dans cette étude sont le rayonnement
solaire, le rayonnement en grandes longueurs d’ondes avec la voûté céleste et la
ventilation par l’air extérieur. Elles sont décrites plus en détails dans [CHE 11] et le
calcul de leur potentiel total est rappelé dans les équations [1] à [3].
[1]
[2]

Exploitation des ressources énergétiques de l’environnement par des bâtiments : analyse d’indicateurs de
performance et sensibilité des paramètres d’enveloppe 3
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[3]
2.2. Les indicateurs
2.2.1. A l’échelle du bâtiment
Deux familles d’indicateurs ont été définies, afin d’évaluer d’une part le
potentiel des ressources, et d’autre part l’exploitation de ces ressources par les
bâtiments. Le calcul de ces indicateurs, explicité dans [CHE 11], est basé sur la
comparaison entre le comportement des bâtiments dans leur environnement avec et
sans la ressource évaluée. On rappelle ici ceux qui sont utilisés dans la suite de
l’analyse :
- Le potentiel concomitant est égal à chaque instant au potentiel total si les
besoins sans la ressource existent, sinon il est nul.
- Le potentiel exploité est égal à la différence entre les besoins sans la
ressource et les besoins avec la ressource.
- Le taux d’exploitation de la ressource est le rapport du potentiel exploité sur
le potentiel concomitant.
- Le taux de couverture des besoins par la ressource est le rapport du potentiel
exploité sur les besoins sans la ressource.
- Le taux de génération des besoins contraires est la part des besoins
antagonistes à la ressource et générés par elle.
2.2.2. A l’échelle des parois
Ces indicateurs ont ensuite été déclinés à l’échelle des parois :
- Le potentiel concomitant est le potentiel total reçu par la paroi lorsque les
besoins de la zone thermique délimitée par la paroi existent, sinon il est nul
- Le potentiel exploité par la paroi est égal à la différence entre le flux
d’énergie utile dans la simulation sans ressource et dans la simulation avec
ressource.
- Le taux d’exploitation, de couverture et de génération gardent la même
définition qu’à l’échelle du bâtiment.
2.3. Les simulations numériques
Des simulations ont été réalisées sur un modèle CLIM2000 [RON 93] des
maisons INCAS de l’INES à Chambéry, dont la description complète peut être
trouvée dans [BRUN 09]. La maison individuelle est modélisée dans deux versions :
non isolée (construite avant 1974) et très bien isolée (type BBC). Deux types de
climats français sont testés : le climat de Trappes et le climat de Marseille.

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3. Analyse en composantes principales (ACP)
Une Analyse en Composantes Principales est menée sur les différents indicateurs
obtenus à l’échelle des parois pour le soleil. Le principe de l’ACP est dans un
premier temps brièvement présenté (pour un approfondissement de la méthode, voir
[ESC 08]), puis les résultats analysés.
3.1. Principe de l’ACP
L’analyse en composantes principales est une méthode d’analyse de données dite
factorielle qui vise à synthétiser l’information contenue dans un jeu de données
multidimensionnel. Pour ce faire, on cherche les sous-espaces propres qui
représentent le mieux le nuage de points des individus et on représente les variables
et les individus dans les plans factoriels définis par les premiers vecteurs propres.
Les données sont préalablement centrées et réduites afin d’obtenir une meilleure
représentation graphique d’une part (coïncidence du centre de gravité du nuage de
point avec l’origine des axes) et d’éviter une surreprésentation de l’une ou l’autre
des variables d’autre part. Cela permet notamment de représenter les variables dans
un cercle unitaire, la norme de chaque variable étant égale à son écart-type, soit 1.
Deux variables étant corrélées si elles sont « proches » l’une de l’autre en termes de
distance euclidienne, le coefficient de corrélation entre elles sera égal au cosinus de
l’angle formé par les deux vecteurs les représentant. Autrement dit on peut déduire
de l’angle entre les variables la relation qui existent entre elles :
- Angle de 90° : pas de corrélation entre les variables,
- Angle de 0° ou 180° : corrélation positive ou négative respectivement.
Les individus peuvent enfin être représentés dans le même plan factoriel en
traçant notamment les ellipses de confiance des différentes occurrences : des ellipses
qui ne se coupent pas traduisent des comportements singuliers des différentes
occurrences.
3.2. Résultats à l’échelle des parois : Analyse en composantes principales
L’analyse en composante principale va permettre d’analyser les résultats à
l’échelle des parois. En effet, on dispose d’un jeu de données de :
- 64 individus (2 zones, 2 types de parois, 2 météos, 2 isolations, 4
orientations)
- 4 variables quantitatives (potentiel concomitant, taux d’exploitation, taux de
couverture, taux de génération).
3.2.1. ACP sur toutes les parois
On réalise une première ACP sur toutes les parois sans distinction (figure 1).
L’ACP ne donne pas vraiment de corrélation entre le potentiel concomitant et les
différents indicateurs de performance même si deux tendances semblent se dégager.
En effet, les ellipses de confiance d’une part des deux versions de bâtiment, et
d’autre part des deux types de paroi, sont clairement séparées. On peut donc signaler
les comportements singuliers suivants :

Exploitation des ressources énergétiques de l’environnement par des bâtiments : analyse d’indicateurs de
performance et sensibilité des paramètres d’enveloppe 5
- Les fenêtres exploitent mieux le potentiel solaire que les murs.
- Les parois BBC permettent de mieux couvrir les besoins à l’aide du soleil
que les parois avant 1974.
Figure 1. Résultats de l’ACP sur toutes les parois
On va donc chercher à préciser le comportement de ces différents types de parois
entre restreignant l’échantillon :
- D’une part aux murs ou aux fenêtres,
- D’autre part aux parois BBC ou aux parois avant 1974.
3.2.2. ACP sur les fenêtres
Les résultats de l’ACP réalisée uniquement sur les fenêtres sont beaucoup plus
concluants (figure 2). Le taux d’exploitation est très clairement anti-corrélé au
potentiel concomitant, ce qui signifie que les fenêtres qui ont le potentiel le plus
important sont celles qui l’exploitent le moins bien (dans l’ordre : Sud, Ouest, Est et
Nord). En revanche le taux de couverture n’est pas du tout lié au potentiel
concomitant et les fenêtres qui exploitent bien le potentiel solaire ne permettent pas
nécessairement de bien couvrir les besoins de chauffage de la zone concernée. On
peut également remarquer que les fenêtres BBC ont un meilleur taux de couverture
que les fenêtres avant 1974.
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1.0 0.0 0.5
1.0
Dim 1 (38.18%)
Dim 2 (33.03%)
potentiel concomitant
taux exploitation
taux couverture
taux generation
surface
Dim 1 (38.18%)
Dim 2 (33.03%)
-2
-1
0
1
2
3
-3 -2 -1 0 1 2
MaTr
meteo
-3 -2 -1 0 1 2
E
NOS
orient
-3 -2 -1 0 1 2
FM
type
-3 -2 -1 0 1 2
av74
bbc
version