Fiabilité des prévisions des performances énergétiques des bâtiments – FIABILITE

Ce projet de recherche fondamentale associe des équipes complémentaires d’origines académique et industrielle des domaines du bâtiment, de l’automatique et du génie électrique, avec des compétences diverses aussi bien sur le plan de la modélisation que des méthodes numériques ou expérimentales. De plus, la présence d’organismes développeurs d’outils de simulation assurera le transfert des méthodes développées vers des outils déjà opérationnels afin de rendre familières et utilisables en pratique les notions de fiabilité et d’incertitude dans le milieu professionnel.
Par ailleurs, le projet se décompose en différentes tâches. La tâche 1 concerne la coordination du projet.
L’objectif de la tâche 2 est de fournir une vue structurée des sources potentielles de biais et d’incertitude dans les modèles thermiques et énergétiques du bâtiment et de caractériser les sources en termes de biais et incertitudes qu’elles peuvent induire. Il s’agira de hiérarchiser les hypothèses de modélisation en terme de potentiel de biais. La tâche 3 concerne les incertitudes sur la réponse simulée, et notamment le développement de méthodes de propagation d’incertitudes telles que les méthodes ensemblistes et probabilistes. La tâche 4 a pour objectif de bâtir une méthodologie de validation expérimentale de modèles en s’appuyant sur des plates-formes expérimentales et les éléments apportés par les deux tâches précédentes. Dans cette tâche des méthodes seront développées pour caler le modèle aux mesures afin de guider l’amélioration d’un modèle en termes de biais. La dernière tâche est la valorisation et la dissémination des résultats.

A ce jour, des travaux ont été menés en ce qui concerne l’identification, le classement et la caractérisation des sources potentielles de biais et d’incertitude dans les simulations, notamment sur les incertitudes liées aux mesures, sur les différentes plates-formes exploitées. Ceci a permis d’identifier les sources d’incertitude prépondérantes et de faire un retour d’expérience sur les bonnes pratiques de mise en œuvre des chaînes d’acquisition. De plus, une étude sur la nature et les conséquences des simplifications/approximations communément adoptées a été réalisée avec un classement des hypothèses de simulation et des incertitudes subjectives et aléatoires qui se pratiquent à l’ordinaire. Les principales hypothèses susceptibles d’induire les biais les plus significatifs ont été dégagées et c’est sur celles-ci que vont porter les futurs cas tests numériques et expérimentaux.
Quant aux incertitudes sur la réponse simulée, un état de l’art sur les méthodes de propagation des incertitudes et sur les méthodes d’analyse de sensibilité a été établi. De plus, des cas tests capables d’expliciter les forces et les faiblesses de chaque méthode ont été définis pour pouvoir comparer les différentes méthodes de propagation d’incertitudes.
En ce qui concerne la validation expérimentale de modèles, après une description détaillée des dispositifs expérimentaux et des modèles utilisés, des expériences ont été mises en œuvre sur les plateformes.
Dans le cadre de la valorisation et de la dissémination des résultats, des cas tests ont été sélectionnés et une liste des paramètres nécessaires à la mise en œuvre des calculs avec le moteur de calcul réglementaire ou des outils de Simulation Thermique Dynamique a été définie.

A l’issue de ce projet, on espère réussir à développer des méthodes efficaces et des méthodologies appropriées pour juger de la qualité des résultats de simulation en termes de justesse et de fiabilité, pour pouvoir proposer éventuellement des voies d’amélioration de modèles sous-jacents et pour identifier les facteurs, externes ou intrinsèques, contribuant aux incertitudes des prévisions. Ceci contribuera alors à la possibilité de garantir une performance énergétique.
De plus, l’implémentation de nos développements dans un code à large diffusion ainsi qu’autour d’un moteur de calcul réglementaire rendra familières et utilisables en pratique les notions de fiabilité et d’incertitude dans le milieu professionnel souhaitant s’engager dans une démarche de garantie des performances.

Durant ce projet, l’école thématique Simurex 2012 : Fiabilité de la simulation et vérification des performances dans l’énergétique du bâtiment a été réalisée. Celle-ci visait à présenter l’état de l’art et les développements possibles dans le domaine de la simulation numérique de la thermique du bâtiment, avec notamment des publications des partenaires du projet FIABILITE. De plus, cette école a permis d’échanger sur ce même sujet entre de nombreux acteurs du domaine, qu’ils soient chercheurs, architectes ou bureaux d’études. Elle a aussi favorisé la structuration de la communauté, la création d’un réseau d’échanges et de collaborations ainsi que l’amorçage de la transmission vers les professionnels.
D’autres publications ont été produites pour notamment le Congrès de la SFT 2012 (Bordeaux), The 16th Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics (Orlando, USA 2012) et The 2nd International Conference on Building Energy and Environment (Boulder, USA 2012).

Le projet est centré sur la question fondamentale de la validité des modèles et des codes de simulation thermique et énergétique des bâtiments, ainsi que sur celle de la fiabilité des résultats de simulation au regard des incertitudes auxquels ils sont soumis. Son objectif est de développer des méthodes efficaces (robustes et à frais de calcul modeste) et des méthodologies appropriées pour juger de la qualité des résultats de simulation en termes de justesse (biais) et de fiabilité, pour proposer éventuellement des voies d’amélioration des modèles sous-jacents et pour identifier les facteurs, externes ou intrinsèques, contribuant significativement aux incertitudes des prévisions.

Il s’agit tout d’abord d’identifier de façon structurée, en parcourant les mondes technologique, physique, mathématique, numérique et algorithmique, les simplifications/approximations couramment adoptées dans la modélisation énergétique des bâtiments et des systèmes susceptibles d’engendrer des biais significatifs dans les prévisions.
Le projet propose ensuite d’évaluer en partie ces biais au travers de cas tests numériques appropriés, où les modèles « standard » seraient confrontés à des modèles « améliorés ». Enfin, des plateformes expérimentales disposant d’instrumentation conséquente seront exploitées pour développer des méthodes efficaces pour la validation expérimentale de modèles, permettant de dégager des voies d’amélioration (si nécessaire) en identifiant les hypothèses de modélisation faisant défaut.

Afin de mener à bien les objectifs précédents, il est nécessaire d’identifier de façon structurée l’ensemble des facteurs (externes et intrinsèques) susceptibles d’engendrer des incertitudes significatives sur les résultats de simulation et examiner leur nature (subjective ou aléatoire). Il s’agit ensuite d’analyser la sensibilité des modèles afin d’identifier les facteurs les plus influents sur les prévisions et susceptibles par conséquent d’engendrer des incertitudes significatives sur ces résultats. Il s’agit enfin de développer des méthodes robustes et efficaces en terme de temps de calcul pour propager des incertitudes (subjectives ou aléatoires, corrélées ou indépendantes) à travers les modèles, voire les codes de simulation.

Aussi, afin de diffuser au mieux les méthodes issues du projet, il est envisagé d’implémenter les développements au travers de prototype des outils métiers de simulation des performances énergétiques des bâtiments (Comfie notamment) et de l'outil réglementaire CCMA (Bbio RT2012). Ces développements seront assortis d'une évaluation par des bureaux d'études sur des opérations concrètes de construction neuve ou réhabilitation afin d'identifier les apports de la caractérisation des incertitudes sur le processus de décision. In fine la diffusion de ces outils à l'issu du projet aidera à rendre familières les notions de fiabilité et d’incertitudes dans le milieu professionnel.