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La simulation renforce le confort des bâtiments

Youssef Belgnaoui

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- Le laboratoire Simbad vient d'être inauguré au CSTB de Marne-la-Vallée. Il s'appuie sur des outils de simulation afin de répondre au confort des occupants.

Éclairage, chauffage, ventilation, régulation, climatisation... Autant de fonctions qui exigent la mise au point d'équipements adaptés à l'architecture du bâtiment et à son environnement. Désormais, les constructeurs pourront faire appel au laboratoire Simbad dont vient de se doter le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) de Marne-la-Vallée (Seine-et-Marne) pour tester leurs matériels.

Tester les automatismes

Avec Simbad, plus besoin de bâtiments ni même d'équipements pour mener ces investigations. Comme son nom l'indique (ou presque) ce laboratoire est un SIMulateur de BAtiments et D'équipements. Il s'appuie sur des modèles numériques.

Les outils informatiques peuvent être configurés pour décrire une pièce, une maison individuelle, une école ou un bâtiment de bureaux. Les installations de chauffage, de climatisation, de ventilation d'eau chaude sanitaire, d'éclairage ainsi que les stores de protection solaire peuvent être représentés.

Les industriels et les maîtres d'ouvrage sont invités à s'appuyer sur ces simulateurs pour développer et évaluer les automatismes qui adaptent le fonctionnement des systèmes de chauffage, de ventilation, de climatisation et d'éclairage aux besoins des occupants et en fonction de leur environnement.

La bibliothèque de composants de génie climatique Simbad Building and HVAC toolbox est au coeur de ces systèmes de simulation. Cette boîte à outils, développée par le CSTB dans l'environnement Matlab/Simulink (le plus répandu dans le domaine du contrôle/commande), autorise la construction des différents simulateurs disponibles dans le laboratoire. Elle contient toutes les briques de fonctions de base : régulateur, chaudière, vanne, centrale de traitement de l'air, luminaire, émetteur, chauffage électrique, stockage d'eau chaude, capteur solaire, stores, etc.

Le comportement de chacun de ces équipements a été modélisé à partir d'équation d'état, d'équation physique décrivant la fonction de l'équipement. Les comportements thermiques du plancher, des matériaux isolants selon leur épaisseur, des fenêtres et des portes ont également été modélisés. Du coup, « nous sommes capables de modéliser une pièce, différentes typologies de pavillons ou de bâtiments ou même d'une tour de la Défense. Nous pouvons analyser de quelle manière le système évolue en fonction de différents paramètres climatiques, l'épaisseur des murs, le type de fenêtres, etc. Notre objectif est de tester les automatismes chargés de la régulation du chauffage, de l'aération, de la climatisation et de l'éclairage pour vérifier qu'ils font bien ce que nous leur demandons », indique Hossein Vaezi Nejad, ingénieur du département développement durable, division automatismes et gestion de l'énergie au CSTB.

Le logiciel permet de simuler non seulement le fonctionnement de tout équipement mais aussi le climat extérieur, l'ensoleillement et le flux des personnes qui entrent et sortent du bâtiment. « Il est ainsi possible de chahuter le système en passant d'une température extrême à l'autre (de l'hiver à l'été en quelques minutes) pour voir si le système de régulation suit », poursuit Hossein Vaezi Nejad. Pendant le test, les consignes de température, les vitesses de soufflage et autres paramètres peuvent être modifiés afin d'observer le comportement thermique du bâtiment et des pièces modélisées. L'industriel fabriquant le matériel peut simuler le bâtiment dans les différentes conditions qui l'intéressent (suroccupation en hiver par exemple) et ainsi voir comment cela va réagir. Les essais s'effectuent en temps réel. Le banc de test peut tourner plusieurs semaines pour évaluer le système en hiver, en mi-saisons, en été et en fonctionnement dégradé (coupure de bus, sonde en panne, température extrême, etc.)

Grâce à cet environnement de simulation, les industriels peuvent notamment évaluer le comportement des régulateurs d'ambiance et des optimisateurs de relance.

Gérer la consommation électrique au plus juste

Ces dispositifs permettent de calculer à quelle heure le chauffage ou la climatisation doivent être lancés de manière à ce que la température intérieure d'un lieu soit conforme au confort qu'attendent les personnes qui y travaillent ou qui y vivent, lorsqu'elles arrivent dans le bâtiment. Ils peuvent aussi tester le fonctionnement des délesteurs. Cela permet d'optimiser la consommation électrique d'un bâtiment en arrêtant certains équipements quand la consommation dépasse le niveau de puissance souscrit. « Nous travaillons avec les industriels pour établir des stratégies de délestage pertinentes. Lorsque la consommation dépasse la puissance souscrite, il faut éviter de tout éteindre. Nous devons arrêter momentanément certains équipements et réduire la consommation de certains autres sans nuire au confort. D'ailleurs, les industriels viennent ici chercher notre connaissance du bâtiment et de son comportement thermique. Nous ne leur apprenons pas grand-chose sur le fonctionnement intrinsèque de leur centrale de production d'air, leur chaudière, etc. », explique Mireille Jandon, ingénieur du département développement durable, division automatismes et gestion de l'énergie au CSTB. Dans l'univers réel du bâtiment, les fonctions interagissent. Avec ce type d'outils, il est possible de mettre en évidence que des éléments au fonctionnement complexe sont parfois difficiles à régler et peuvent générer des conflits. Il faut aussi tenir compte du comportement des usagers du bâtiment. Si un ventilo-convecteur change de vitesse quinze fois par heure pour maintenir une consigne, les perturbations acoustiques qui en découlent risquent de nuire au confort des usagers de la pièce. « S'ils sont gênés, ils vont l'arrêter ou le limiter. Donc, si on constate ce genre de dysfonctionnement, on l'indique au fabricant. Au final, les problèmes que l'on rencontre en émulation/simulation, on les retrouve systématiquement sur le terrain », note Hossein Vaezi Nejad.

LES QUATRE OUTILS DE SIMBAD

- Qualisim est un laboratoire virtuel dédié aux PME qui développent des appareils de régulation. Il a été conçu sur la base d'un cahier des charges élaboré par Delta-Dore, Trilogie et Napac. Ce simulateur permet aux entreprises ne disposant pas d'équipes spécialisées de réduire les essais longs et coûteux en cellules d'essais traditionnelles. - Simbad GTB est un banc d'essai, développé en partenariat avec EDF, dédié au test de systèmes complets de gestion technique du bâtiment. Il permet de tester les systèmes dans des conditions proches des conditions d'utilisation réelles des systèmes. - Simtest est un banc d'essai pour évaluer les performances des systèmes de régulation de chauffage et de climatisation selon les projets de normes européennes. Il a été développé en partenariat avec Siemens, Danfoss, Invensys et Honeywell. Il classifie la performance des régulateurs en simulant leur environnement de fonctionnement. - Simtrain forme les utilisateurs sur le fonctionnement des systèmes de régulation et leurs conséquences sur le confort et la consommation énergétique. Ce logiciel est le fruit de deux centres de recherche (CSTB et TNO) et de deux établissements (École des mines de Paris, et Christelijke Hogeschole Windesheim).

UNE SALLE EXPÉRIMENTALE POUR DES TESTS IN SITU

- Les simulations accélèrent les développements mais elles doivent toutefois être complétées par des tests réels. Pour cela Simbad dispose d'une salle expérimentale. Équipée et meublée comme un bureau, cette pièce accueille des prototypes d'équipements intelligents qui pourront être testés in situ. Elle est utilisée actuellement pour le test de prototypes pilotant la climatisation, les protections solaires et l'éclairage, développés en partenariat avec Siemens, Somfy et Legrand. « Notre objectif est de prendre en considération l'occupant. Lui offrir un confort à moindre coût quand il est présent et réaliser des économies d'énergie lorsqu'il est absent », explique Mireille Jandon du CSTB. Un certain nombre de scénarios ont été définis. En cas de baisse de luminosité, le store s'ouvre avant d'activer l'éclairage ou se ferme pour éviter l'éblouissement ou pour limiter l'apport extérieur de chaleur lorsque la pièce est climatisée. Les automatismes des différents équipements et diverses sondes (éclairage, présence, niveau d'ensoleillement extérieur) dialoguent entre eux pour gérer les différents niveaux de consigne. « Mais l'utilisateur doit pouvoir déroger à tout cela et prendre le contrôle si cela ne lui convient pas », note Mireille Jandon. Du coup, le CSTB a développé différentes interfaces grâce auxquelles l'utilisateur peut intervenir. Ces réglages personnalisés peuvent être réalisés à partir de différentes télécommandes, d'un assistant personnel (PDA) ou encore depuis son PC de bureau à l'aide d'une interface virtuelle accessible via l'intranet.

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