« Construire sans simuler revient aujourd’hui à concevoir un avion sans passer par une soufflerie. »
Introduction
Pendant des décennies, les bâtiments ont été dimensionnés à partir de calculs relativement simples.
Les ingénieurs déterminaient principalement :
- les besoins de chauffage ;
- les déperditions thermiques ;
- les coefficients de transmission des parois.
Cette approche était parfaitement adaptée lorsque la principale préoccupation concernait le confort hivernal.
Aujourd’hui, la situation est différente.
Le confort d’été dépend d’une multitude de phénomènes qui évoluent en permanence :
- la position du soleil ;
- les températures extérieures ;
- la vitesse du vent ;
- l’occupation des locaux ;
- les apports internes ;
- l’inertie thermique ;
- la ventilation.
Tous ces paramètres varient heure par heure.
Les calculs statiques deviennent alors insuffisants.
C’est pourquoi les bureaux d’études utilisent désormais des simulations thermiques dynamiques, souvent abrégées STD.
Ces outils permettent de reproduire virtuellement le comportement réel d’un bâtiment sur une année complète, parfois minute par minute.
Ils constituent aujourd’hui l’une des évolutions les plus importantes de la physique du bâtiment.
7.1 Qu’est-ce qu’une simulation thermique dynamique ?
Une simulation thermique dynamique consiste à créer un modèle numérique très précis d’un bâtiment.
Le logiciel calcule ensuite son comportement au fil du temps en tenant compte de très nombreux paramètres.
Contrairement à un calcul classique, il ne fournit pas une valeur unique.
Il simule l’évolution des températures pendant chaque heure de l’année.
Le résultat est une vision extrêmement réaliste du fonctionnement futur du bâtiment.
Les informations utilisées
Le modèle numérique intègre notamment :
- la géométrie complète du bâtiment ;
- l’orientation ;
- les matériaux ;
- les vitrages ;
- les protections solaires ;
- les systèmes de ventilation ;
- les équipements techniques ;
- les scénarios d’occupation.
Le logiciel prend également en compte les données climatiques locales.
7.2 Pourquoi les calculs statiques ne suffisent plus ?
Un bâtiment ne fonctionne jamais dans des conditions constantes.
Prenons une journée estivale typique.
À six heures du matin :
- les murs sont relativement frais ;
- les vitrages ne reçoivent pas encore de soleil.
À midi :
- les façades sud sont fortement exposées ;
- les apports internes augmentent.
En soirée :
- les façades ouest deviennent les plus sollicitées.
Pendant la nuit :
- la ventilation refroidit progressivement la masse thermique.
Chaque heure présente donc une situation différente.
Un calcul unique ne peut pas représenter cette complexité.
L’inertie thermique
Les simulations dynamiques permettent notamment de représenter l’inertie des matériaux.
Un mur en béton n’absorbe pas instantanément la chaleur.
Il se réchauffe progressivement.
Il restitue ensuite cette énergie avec plusieurs heures de retard.
Ce comportement est impossible à représenter correctement à l’aide d’un calcul statique.
Tableau 7.1 – Calcul statique ou simulation dynamique ?
Calcul statique | Simulation thermique dynamique |
Valeur unique | Évolution heure par heure |
Chauffage principalement | Chauffage et confort d’été |
Peu d’interactions | Nombreuses interactions |
Rapide | Plus complexe |
Approche simplifiée | Comportement très réaliste |
7.3 Les données météorologiques
La qualité d’une simulation dépend directement des données climatiques utilisées.
Les logiciels exploitent des fichiers météorologiques contenant notamment :
- la température extérieure ;
- le rayonnement solaire direct ;
- le rayonnement diffus ;
- l’humidité ;
- la vitesse du vent ;
- la direction du vent ;
- la nébulosité.
Ces données couvrent généralement une année complète.
Chaque heure possède ses propres caractéristiques.
Les années météorologiques de référence
Les simulations utilisent souvent des années météorologiques types.
Ces fichiers représentent une année statistiquement représentative du climat local.
Pour les études de résilience climatique, il est également possible d’utiliser :
- des années particulièrement chaudes ;
- des scénarios climatiques futurs ;
- des vagues de chaleur extrêmes.
Cette approche devient de plus en plus fréquente.
7.4 Les paramètres simulés
Une simulation thermique dynamique calcule simultanément un très grand nombre d’informations.
Par exemple :
- la température de chaque pièce ;
- les besoins de chauffage ;
- les besoins de refroidissement ;
- les températures des parois ;
- les apports solaires ;
- les consommations énergétiques ;
- les périodes de surchauffe.
Ces résultats permettent de comparer différentes solutions avant même la construction.
Exemple
Deux versions d’une même maison sont simulées.
Dans la première :
- aucune protection solaire.
Dans la seconde :
- des screens extérieurs sont installés.
La simulation montre immédiatement :
- la réduction des températures intérieures ;
- la diminution des besoins de climatisation ;
- l’amélioration du confort.
Cette comparaison est obtenue sans réaliser le moindre chantier.
7.5 Les logiciels utilisés
Plusieurs logiciels de référence sont utilisés dans les bureaux d’études.
Parmi les plus connus figurent :
- DesignBuilder ;
- EnergyPlus ;
- TRNSYS ;
- IES VE ;
- IDA ICE.
Chaque outil possède ses spécificités.
Tous reposent cependant sur les mêmes principes physiques.
Ils utilisent des modèles mathématiques validés par la recherche scientifique.
Tableau 7.2 – Domaines d’application
Objectif | Simulation thermique dynamique |
Confort d’été | ★★★★★ |
Besoins de chauffage | ★★★★★ |
Besoins de refroidissement | ★★★★★ |
Étude des protections solaires | ★★★★★ |
Comparaison de variantes | ★★★★★ |
Analyse des canicules | ★★★★★ |
Étude de cas
Une école doit être construite dans la province de Namur.
Deux variantes sont étudiées.
Variante A
- grandes baies vitrées ;
- aucune protection solaire.
Variante B
- mêmes vitrages ;
- brise-soleil orientables ;
- ventilation nocturne ;
- forte inertie.
La simulation montre que :
- la variante A dépasse fréquemment 30 °C en été ;
- la variante B reste la plupart du temps sous 26 °C sans climatisation.
Le coût supplémentaire des protections solaires est largement compensé par l’absence de système de refroidissement actif.
Cette étude illustre parfaitement l’intérêt des simulations réalisées dès la phase de conception.
Encadré – Erreur fréquente
Croire qu’une simulation thermique dynamique fournit une vérité absolue.
Une simulation reste un modèle.
Sa qualité dépend :
- des données d’entrée ;
- des hypothèses retenues ;
- de la précision du modèle.
Elle ne remplace jamais l’expérience de l’ingénieur.
Elle constitue un outil d’aide à la décision particulièrement puissant.
L’œil du certificateur PEB
Les simulations thermiques dynamiques prennent une place croissante dans les projets complexes.
Elles permettent de démontrer objectivement l’efficacité d’une stratégie passive avant même le début des travaux.
Leur utilisation devrait se généraliser au cours des prochaines années, notamment dans les bâtiments publics et les constructions à très haute performance énergétique.
Pour le certificateur, elles représentent également un excellent moyen de comprendre les causes réelles des surchauffes observées sur le terrain.
Transition
Une simulation thermique dynamique peut fournir des milliers de résultats.
Encore faut-il savoir les interpréter.
Dans la prochaine section, nous apprendrons à analyser les principaux indicateurs utilisés par les bureaux d’études :
- températures opératives ;
- degrés-heures d’inconfort ;
- fréquence des surchauffes ;
- puissance de refroidissement ;
- consommation annuelle.
Ces indicateurs permettront au lecteur de comprendre les rapports de simulation et d’évaluer objectivement la qualité thermique d’un bâtiment.
7.2 Comment interpréter une simulation thermique dynamique
Réaliser une simulation thermique dynamique représente aujourd’hui une étape essentielle dans la conception d’un bâtiment performant.
Cependant, la qualité d’une simulation ne dépend pas uniquement du logiciel utilisé.
Elle dépend également de la capacité à interpréter correctement les résultats.
Une simulation moderne produit parfois plusieurs milliers de pages de données.
Sans méthode d’analyse, il devient difficile d’identifier les informations réellement utiles.
Cette section a pour objectif d’expliquer les principaux indicateurs utilisés dans les études thermiques.
À la fin de ce chapitre, le lecteur sera capable de comprendre les conclusions d’un rapport de simulation et de dialoguer efficacement avec un bureau d’études.
7.2.1 La température de l’air
Le premier résultat fourni est généralement la température de l’air intérieur.
Il s’agit de la température mesurée par un thermomètre placé au centre d’une pièce.
Cet indicateur est simple à comprendre.
Il présente toutefois une limite importante.
Le confort thermique ne dépend pas uniquement de cette température.
Deux pièces affichant exactement 25 °C peuvent procurer des sensations très différentes.
Pourquoi ?
Parce que les parois qui nous entourent influencent également les échanges de chaleur avec notre corps.
C’est pourquoi les ingénieurs utilisent un indicateur plus représentatif :
la température opérative.
7.2.2 La température opérative
La température opérative combine :
- la température de l’air ;
- la température moyenne des surfaces environnantes.
Elle représente beaucoup mieux la sensation réellement perçue par les occupants.
Prenons deux exemples.
Exemple A
Air :
25 °C
Murs :
25 °C
La sensation est très agréable.
Exemple B
Air :
25 °C
Toiture :
33 °C
Baie vitrée :
36 °C
Le rayonnement des surfaces chaudes augmente fortement l’inconfort.
La température opérative devient nettement supérieure à la température de l’air.
Les occupants ont chaud malgré un thermomètre affichant une valeur correcte.
Cette notion est fondamentale.
Tableau 7.3 – Température de l’air ou température opérative
Indicateur | Représentation du confort |
Température de l’air | Moyenne |
Température opérative | Excellente |
Les études de confort utilisent presque toujours la température opérative.
7.2.3 Les degrés-heures d’inconfort
La plupart des réglementations modernes ne se contentent plus de vérifier la température maximale atteinte.
Elles analysent également :
- la durée des surchauffes ;
- leur intensité.
Pour cela, elles utilisent souvent les degrés-heures d’inconfort.
Le principe est simple.
Chaque heure pendant laquelle la température dépasse une valeur de référence est comptabilisée.
Plus la température dépasse ce seuil, plus le nombre de degrés-heures augmente.
Exemple
Supposons une température limite fixée à 26 °C.
Pendant une heure :
- la pièce atteint 28 °C.
Le dépassement est de :
2 °C.
Cette heure représente donc :
2 degrés-heures.
Si cette situation dure cinq heures :
Le total atteint :
10 degrés-heures.
Cet indicateur reflète beaucoup mieux le confort réel qu’une simple température maximale.
7.2.4 Les heures de surchauffe
Un autre indicateur très utilisé est le nombre d’heures pendant lesquelles une température est dépassée.
Par exemple :
- nombre d’heures au-dessus de 25 °C ;
- nombre d’heures au-dessus de 26 °C ;
- nombre d’heures au-dessus de 28 °C.
Cette approche permet de comparer facilement plusieurs variantes de projet.
Exemple pratique
Deux solutions sont simulées.
Variante A
210 heures au-dessus de 26 °C.
Variante B
38 heures au-dessus de 26 °C.
Même si les températures maximales restent proches, la seconde variante procure un confort nettement supérieur.
7.2.5 Les besoins de refroidissement
Les logiciels calculent également l’énergie nécessaire pour maintenir une température donnée.
Cette valeur est généralement exprimée en :
kWh/an.
Elle permet :
- de dimensionner les équipements ;
- de comparer plusieurs stratégies passives ;
- d’évaluer les consommations futures.
Plus cette valeur est faible, plus le bâtiment est performant.
Tableau 7.4 – Principaux indicateurs
Indicateur | Utilité |
Température de l’air | Information générale |
Température opérative | Évaluation du confort |
Température maximale | Analyse des pics de chaleur |
Degrés-heures | Intensité des surchauffes |
Nombre d’heures critiques | Durée des inconforts |
Besoins de refroidissement | Dimensionnement énergétique |
7.2.6 Les courbes horaires
Les rapports présentent souvent des graphiques montrant l’évolution de la température heure par heure.
Ces courbes permettent d’identifier :
- le moment où débute la surchauffe ;
- la vitesse de réchauffement ;
- l’efficacité de la ventilation nocturne ;
- l’influence du soleil.
Leur interprétation apporte souvent davantage d’informations qu’une simple valeur annuelle.
Un exemple
Une courbe montre que :
- la température atteint son maximum à 18 heures.
Une autre variante atteint son maximum :
- à 22 heures.
Cette différence traduit généralement un effet d’inertie plus important.
Le bâtiment stocke davantage la chaleur avant de la restituer.
L’analyse devient alors beaucoup plus fine.
7.2.7 Les simulations comparatives
L’un des principaux intérêts des simulations réside dans la comparaison de plusieurs variantes.
Le bureau d’études peut tester successivement :
- différentes protections solaires ;
- plusieurs vitrages ;
- plusieurs isolants ;
- diverses stratégies de ventilation.
Quelques heures de calcul remplacent parfois plusieurs semaines d’essais sur chantier.
Cette méthode réduit considérablement les risques d’erreur.
Étude de cas
Une maison passive est simulée selon quatre variantes.
Variante 1
Aucune protection solaire.
Variante 2
Screens extérieurs.
Variante 3
Screens + ventilation nocturne.
Variante 4
Screens + ventilation nocturne + forte inertie.
Les résultats montrent une diminution progressive :
- des températures maximales ;
- des heures de surchauffe ;
- des besoins de refroidissement.
La quatrième solution obtient les meilleurs résultats.
Elle permet de supprimer totalement la climatisation.
Cette étude illustre parfaitement l’intérêt des comparaisons successives.
Encadré – Erreur fréquente
Comparer uniquement la température maximale.
Deux bâtiments peuvent atteindre exactement 29 °C.
Pourtant :
- le premier reste à cette température pendant dix minutes ;
- le second pendant huit heures.
Le niveau de confort n’a évidemment rien de comparable.
L’analyse doit toujours intégrer la durée des surchauffes.
L’œil du certificateur PEB
Lorsqu’une simulation met en évidence un risque de surchauffe, la première réaction ne devrait jamais être d’augmenter la puissance de climatisation.
Il est beaucoup plus pertinent d’identifier la cause du problème.
Dans la majorité des cas, quelques modifications de conception suffisent :
- amélioration des protections solaires ;
- optimisation de la ventilation ;
- augmentation de l’inertie ;
- adaptation des vitrages.
Cette approche permet généralement d’obtenir de meilleurs résultats tout en réduisant les consommations futures.
Transition
Les simulations thermiques dynamiques sont aujourd’hui devenues un outil incontournable.
Mais leur utilisation dépasse largement le simple calcul énergétique.
Dans la prochaine section, nous verrons comment elles permettent d’optimiser un projet dès les premières esquisses architecturales, en guidant les choix de l’architecte, de l’ingénieur et du maître d’ouvrage.
Nous découvrirons que quelques heures de simulation peuvent parfois éviter des erreurs qui coûteraient plusieurs dizaines de milliers d’euros une fois le bâtiment construit.
7.3 Utiliser la simulation thermique dynamique comme outil d’aide à la conception
La simulation thermique dynamique ne sert pas uniquement à vérifier qu’un bâtiment respecte une réglementation.
Son intérêt principal est ailleurs.
Elle constitue aujourd’hui un véritable outil d’aide à la conception.
Les projets les plus performants utilisent la simulation dès les premières esquisses architecturales.
L’objectif n’est pas de corriger un projet terminé.
Il est de construire un projet performant dès le départ.
Cette approche change profondément la manière de concevoir les bâtiments.
Au lieu de prendre des décisions sur la base de règles générales, l’équipe de conception peut mesurer objectivement les conséquences de chaque choix.
Chaque modification devient quantifiable.
7.3.1 La simulation dès les premières esquisses
Autrefois, les simulations étaient réalisées lorsque le projet était pratiquement terminé.
À ce stade, les possibilités de modification étaient très limitées.
Aujourd’hui, les meilleurs bureaux d’études interviennent beaucoup plus tôt.
Dès les premières esquisses, ils peuvent comparer :
- plusieurs implantations ;
- différentes orientations ;
- plusieurs formes architecturales.
Quelques heures de simulation permettent déjà d’identifier les solutions les plus prometteuses.
Exemple
Deux maisons identiques sont étudiées.
La seule différence concerne leur orientation.
Dans la première :
- le séjour est orienté plein sud.
Dans la seconde :
- le séjour est orienté sud-ouest.
La simulation montre immédiatement une augmentation sensible des risques de surchauffe dans la seconde variante.
Une simple rotation du bâtiment permet donc d’améliorer durablement le confort.
7.3.2 Tester plusieurs variantes
L’un des grands avantages de la simulation est sa rapidité.
Une fois le modèle créé, il devient possible de modifier un paramètre à la fois.
Par exemple :
- remplacer un vitrage ;
- ajouter un débord de toiture ;
- modifier la couleur de la façade ;
- changer un matériau d’isolation.
Le logiciel calcule immédiatement les conséquences.
Cette méthode permet d’identifier les interventions les plus efficaces.
Une démarche scientifique
Chaque hypothèse est testée.
Chaque résultat est mesuré.
Les décisions reposent sur des données objectives plutôt que sur des intuitions.
Cette approche scientifique constitue aujourd’hui la référence dans les projets de haute performance énergétique.
Tableau 7.5 – Exemples de variantes étudiées
Élément modifié | Impact étudié |
Orientation | Apports solaires |
Surface vitrée | Risque de surchauffe |
Facteur solaire | Confort d’été |
Débord de toiture | Protection solaire |
Isolation | Besoins énergétiques |
Inertie | Déphasage thermique |
Ventilation nocturne | Température maximale |
Végétation | Microclimat |
7.3.3 Identifier les solutions les plus rentables
Toutes les améliorations n’ont pas le même coût.
Toutes ne produisent pas les mêmes bénéfices.
La simulation permet donc de comparer :
- les gains thermiques ;
- les investissements nécessaires.
Cette analyse économique est particulièrement intéressante.
Elle montre souvent que certaines interventions très simples produisent des effets beaucoup plus importants que des équipements coûteux.
Exemple
Une simulation compare trois solutions.
Variante A
Triple vitrage très performant.
Variante B
Double vitrage avec screens extérieurs.
Variante C
Triple vitrage avec screens.
Les résultats montrent que les screens procurent un gain plus important que le remplacement du vitrage.
Le maître d’ouvrage peut ainsi orienter son budget vers la solution la plus efficace.
7.3.4 Optimiser la puissance des installations
Les simulations permettent également de réduire le coût des installations techniques.
En diminuant les apports de chaleur :
- les besoins de climatisation diminuent ;
- les équipements deviennent plus petits ;
- les coûts d’investissement baissent.
Cette optimisation est particulièrement intéressante dans les bâtiments tertiaires.
Les économies réalisées sur les équipements compensent parfois une partie importante des investissements consacrés aux stratégies passives.
7.3.5 Les simulations de canicule
Les logiciels modernes permettent désormais de simuler des épisodes climatiques extrêmes.
Par exemple :
- plusieurs jours consécutifs à 35 °C ;
- des nuits tropicales ;
- des scénarios climatiques correspondant à l’horizon 2050 ou 2100.
Cette approche permet de vérifier que le bâtiment restera confortable pendant toute sa durée de vie.
La conception ne repose plus uniquement sur le climat actuel.
Tableau 7.6 – Questions auxquelles répond une simulation
Question | Réponse obtenue |
Les protections solaires sont-elles suffisantes ? | Oui / Non |
Une climatisation est-elle nécessaire ? | Oui / Non |
Quelle puissance installer ? | Valeur optimisée |
Quelle orientation est préférable ? | Comparaison objective |
Quelle solution est la plus rentable ? | Analyse coût / performance |
Le bâtiment résistera-t-il aux canicules futures ? | Évaluation possible |
7.3.6 Les limites de la simulation
Malgré ses nombreuses qualités, la simulation thermique dynamique ne constitue pas un outil magique.
Ses résultats dépendent directement :
- de la qualité du modèle ;
- des données météorologiques ;
- des hypothèses d’occupation.
Si ces hypothèses sont irréalistes, les résultats le seront également.
L’expérience de l’ingénieur reste donc indispensable.
La simulation ne remplace jamais le jugement technique.
Elle vient le compléter.
Étude de cas
Une commune prévoit la construction d’une nouvelle bibliothèque.
Les premières simulations révèlent des risques importants de surchauffe dans la salle de lecture.
Plusieurs variantes sont alors étudiées.
Variante 1
Ajout de climatisation.
Variante 2
Ajout de protections solaires.
Variante 3
Protections solaires.
Ventilation nocturne.
Toiture végétalisée.
Les résultats montrent que la troisième variante réduit les besoins de refroidissement de près de 70 %.
La puissance de la climatisation peut alors être fortement diminuée.
Le coût supplémentaire des protections est largement compensé par la réduction des équipements techniques.
Cette approche illustre parfaitement l’intérêt économique des simulations réalisées dès la phase de conception.
Encadré – Erreur fréquente
Utiliser la simulation uniquement pour vérifier la conformité réglementaire.
La véritable valeur d’une simulation apparaît lorsqu’elle est utilisée comme un outil d’optimisation.
Elle permet d’améliorer le projet bien avant le début des travaux.
Plus elle intervient tôt, plus son impact est important.
L’œil du certificateur PEB
Les simulations thermiques dynamiques deviennent progressivement un outil incontournable dans les projets les plus ambitieux.
Elles permettent de justifier objectivement les choix techniques et d’éviter des erreurs difficiles à corriger une fois le bâtiment construit.
Dans les années à venir, leur utilisation devrait se généraliser, notamment dans les bâtiments publics, les écoles, les hôpitaux et les constructions à haute performance énergétique.
Elles constituent aujourd’hui l’un des meilleurs investissements qu’un maître d’ouvrage puisse réaliser en phase de conception.
Transition
Après avoir étudié les méthodes de simulation, il reste à découvrir comment ces outils sont utilisés dans les projets les plus innovants.
Le prochain chapitre présentera une série d’études de cas réels, issues de maisons passives, d’immeubles de bureaux, d’écoles et de bâtiments publics.
Nous analyserons les choix techniques réalisés, les résultats obtenus et les enseignements qui peuvent être transposés à d’autres projets.
Cette approche permettra de passer définitivement de la théorie à la pratique, en montrant comment les principes développés dans cet ouvrage sont appliqués sur le terrain.