Processus de conception énergétique de bâtiments

N°: 2009 ENAM XXXX
Arts et Métiers ParisTech - Campus de Bordeaux
Laboratoire I2M UMR 5295
N°: 2009 ENAM XXXX
2015-ENAM-0022
École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’ingénieur
présentée et soutenue publiquement par
Ernesto Efrén VELÁZQUEZ ROMO
Le 18 septembre 2015
Processus de conception énergétique de bâtiments durables
Doctorat ParisTech
T H È S E
pour obtenir le grade de docteur délivré par
l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers
Spécialité “ Conception ”
Directeur de thèse : Jean-Pierre NADEAU
Co-encadrement de la thèse : Denis BRUNEAU
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Jury
Mme. Nadia SAIYOURI, Professeur, Université de Bordeaux Présidente
Mme. Anne VENTURA, Chargée de recherche HDR, Polytech Nantes Rapporteur
Mme. Catherine SEMIDOR, Professeur, ENSAP Bordeaux Rapporteur
M. Jean-Rodolphe PUIGGALI, Professeur, Université de Bordeaux Examinateur
M. Jean-Pierre NADEAU, Professeur, Arts et Métiers ParisTech Examinateur
M. Denis BRUNEAU, Maître de conférences HDR, Arts et Métiers ParisTech Examinateur
M. Philippe LAGIERE, Directeur scientifique, Nobatek Invité

Table des matières
Nomenclature ........................................................................................................................................... i
Table des figures ....................................................................................................................................... v
Table des tableaux ................................................................................................................................... ix
Introduction générale .............................................................................................................................. 1
Contexte de la recherche .................................................................................................................... 1
Problématique de recherche ............................................................................................................... 2
Apports de la thèse ............................................................................................................................. 3
Organisation du document .................................................................................................................. 4
Chapitre 1 Projet de conception du bâtiment : Etat de l’art ................................................................... 5
1.1. Analyse de la performance énergétique du bâtiment ............................................................ 5
1.1.1. Le bâtiment et sa performance énergétique .................................................................. 6
1.1.2. Méthodes d’évaluation de la performance énergétique du bâtiment ........................... 8
1.1.3. Discussion ...................................................................................................................... 18
1.2. Progression de la connaissance dans le processus de conception du bâtiment ................... 20
1.2.1. Précision et impact de la prise de décisions dans un projet de construction ............... 20
1.2.2. Phases de conception d’un projet de construction en France ...................................... 21
1.2.3. Tendances actuelles dans l’industrie du bâtiment ........................................................ 24
1.2.4. Discussion ...................................................................................................................... 28
1.3. Conclusions ............................................................................................................................ 29
Chapitre 2 Méthodologie d’aide à la décision pour la conception énergétique de bâtiments durables
............................................................................................................................................................... 31
2.1. Principes et logique de la méthodologie ............................................................................... 31
2.2. Sélection d’indicateurs de performance pour la conception énergétique du bâtiment ...... 35
2.2.1. Vision fonctionnelle du bâtiment du point de vue énergétique ................................... 36
2.2.2. Aspects environnementaux ........................................................................................... 39
2.2.3. Aspects économiques .................................................................................................... 42
2.2.4. Aspects sociaux.............................................................................................................. 43
2.2.5. Discussion ...................................................................................................................... 47
2.3. Méthode de calcul des indicateurs de performance............................................................. 48
2.3.1. Définition du périmètre d’analyse................................................................................. 50
2.3.2. Description de la typologie du bâtiment d’étude ......................................................... 55

2.3.3. Modèle de simulation thermique dynamique............................................................... 57
2.3.4. Modèle de calcul des indicateurs environnementaux .................................................. 64
2.3.5. Modèle de calcul des indicateurs économiques ........................................................... 66
2.3.6. Modèle de calcul de l’indicateur de confort hygrothermique ...................................... 69
2.3.7. Modèle de calcul de l’indicateur de confort visuel ....................................................... 70
2.3.8. Modèle de calcul de l’indicateur de confort acoustique ............................................... 72
2.3.9. Modèle de calcul de l’indicateur de qualité de l’air intérieur ....................................... 74
2.3.10. Base de connaissance d’éléments du bâtiment ............................................................ 75
2.3.11. Discussion ...................................................................................................................... 79
2.4. Progression des décisions de conception dans les premières phases de projet .................. 80
2.4.1. Présentation de la logique de progression des décisions de conception ..................... 81
2.4.2. Définition de la configuration de bâtiment de base ..................................................... 88
2.4.3. Illustration de la logique de progression des décisions de conception......................... 90
2.4.4. Discussion ...................................................................................................................... 91
2.5. Conclusions ............................................................................................................................ 91
Chapitre 3 Vers un outil d’aide à la décision pour la conception énergétique de bâtiments durables 93
3.1. Présentation de l’outil d’évaluation de la performance énergétique ................................... 93
3.2. Interface d’entrée de données .............................................................................................. 94
3.2.1. Déclaration de paramètres de simulation ..................................................................... 94
3.2.2. Déclaration des variables de conception ...................................................................... 95
3.3. Base de connaissance de paramètres de simulation ............................................................ 96
3.3.1. Base de données de composants et sources d’énergie ................................................ 97
3.3.2. Base de données météorologiques ............................................................................... 99
3.4. Moteur de calcul des indicateurs de performance énergétique ......................................... 100
3.5. Interface d’exploitation de résultats ................................................................................... 102
3.6. Conclusions .......................................................................................................................... 105
Chapitre 4 Validation de la méthodologie d’évaluation ..................................................................... 107
4.1. Evaluation de la configuration du bâtiment de base .......................................................... 108
4.2. Effet de l’orientation du bâtiment ...................................................................................... 111
4.3. Effet du taux de vitrage des façades ................................................................................... 116
4.4. Effet de la présence d’une façade double peau vitrée........................................................ 121
4.5. Exemple de scénario de conception d’une façade double peau vitrée .............................. 123
4.5.1. Effet du type de vitrage de la façade vitrée ................................................................ 124
4.5.2. Effet de la typologie de l’épaisseur de la cavité d’air entre les façades...................... 126

4.5.3. Effet de la typologie du pourcentage d’ouverture de la façade vitrée ....................... 128
4.5.4. Résultat du scénario de conception ............................................................................ 129
4.6. Conclusions .......................................................................................................................... 130
Conclusion générale et perspectives ................................................................................................... 135
Contexte de la thèse ........................................................................................................................ 135
Contributions ................................................................................................................................... 135
Applications ..................................................................................................................................... 137
Perspectives..................................................................................................................................... 138
Bibliographie........................................................................................................................................ 141
Annexes ............................................................................................................................................... 151