Comment simuler ?

Le bâtiment doit être traité comme un ensemble qui interagit de manière dynamique et continue avec son environnement et non pas comme l’addition d’entités et de sous-systèmes conçus séparément et fonctionnant individuellement!

Contrairement à une idée largement répandue, il est utile de faire recours aux outils de calcul dés les premières phases de projet; nous verrons plus loin qu'il existe des méthodes et outils d'aide à la conception correspondant à chaque étape du projet.

Fig. 1 : Plus tot on intègrera une méthode d'évaluation de performances physiques (thermique, visuel, acoustique, confort) dans le processus de conception, mieux le projet pourra bénéficier du retour d'information et ceci aux moindres frais.

 

Simulation et complexité

La complexité inhérente de l’objet architectural (constructif, technique, économique, pratique, esthétique, urbanistique, historique, culturel…) ne le prédispose pas à une démarche de conception héritée du design industriel; chaque objet est un prototype et un cas unique qui de par sa complexité appelle à une approche globale et pluridisciplinaire.

L’idée, relativement naïve, de pouvoir intégrer aux logiciels une « intelligence » suffisante afin de les rendre utilisables au profane a laissé la place au constat que cette tâche n’est possible que pour des applications relativement simples et très précises. L’utilisateur a toujours besoin d’un minimum de connaissances pour interpréter les résultats d’une façon significative.

Fig. 2 : Il est important que l’utilisateur possède quelques connaissances des bases théoriques afin de ne pas être induit en erreur par des apparences

[Source AAGS, Simos Yannas 2001]

En réalité les outils ne savent ‘jamais’ exactement quoi faire et souvent le concepteur se trouvera face à un problème que le logiciel n’est pas en mesure de traiter directement. Le ‘savoir-faire’ de la simulation réside dans la capacité de faire une ‘bonne simplification du problème’ ce qui permet de 'réduire' l’objet à un modèle, généralement simplifié, représentatif de la réalité. C’est une discipline à part entière.

 

Niveaux d’abstraction – construction de la simulation

La modélisation consiste dans le développement d'une représentation simplifiée décrivant le système réel et son utilisation dans le but d'analyser et de prédire le comportement du système réel.

La capacité de prédire l'effet de choix constructifs et architecturaux permet de vérifier et d'optimiser le bâtiment à construire ou à rénover sur le plan de son fonctionnement thermique notamment.

Le travail d’optimisation est un processus itératif qui fait appel à des connaissances dans des domaines très variés. Il s’agit de domaines de spécialistes et ce processus ne pourra se réaliser que si une excellente communication est assurée.

Fig. 3 : Spirale de conception; objet à construire ou à réhabiliter > abstraction plans d’architecte > abstraction modèle de simulation > abstraction modèle mathématique > abstraction modèle informatique > ce modèle produira une sortie qui sera retraduite en données physiques > à leur tour représentatives d’une réalité architecturale et constructive > ce n’est qu’une fois effectué cette série de transformations, que ces nouvelles données pourront être intégrées dans le projet.

[Source LPAE eig – pg 2005]

 

Bien choisir: portée et limites des logiciels de simulation

Les logiciels de simulation représentent un marché niche, raison pour laquelle l’industrie du logiciel ne s’y intéresse pas. Il est par conséquent improbable de voir arriver un jour un logiciel qui intègre tous les aspects nécessaires, raison pour laquelle on s'orientera vers un 'ensemble' de routines et de logiciels, à pondérer en fonction de l'avancement du projet (temps) et du niveau de détail (résolution).

A chaque niveau de connaissance appartient un ensemble de méthodes et d’algorithmes de simulation spécifiques.

Tableau cliquable

Fig. 4 : Tableau des logiciels; sont représentés les domaines qui s’appliquent aux différentes méthodes en fonction de :

  • l’évolution dans le temps, depuis les études préalables jusqu’à la fin de vie du bâtiment (abscisse),
  • la résolution (échelle logarithmique), du détail géométrique au territoire (ordonnée).

[Source LPAE eig - pg 2003]

 

Le tableau ci-dessus donne une vue synthétique des méthodes et outils de simulation et d’aide à la conception en fonction de l’échelle de l’étude (résolution) et de l’avancement du projet (temps).

Par superposition se créent des zones plus claires que d'autres. Ces zones représentent un grande abondance d'outils de conception et d'aide à la décision. Au contraire, d'autres zones sont seulement faiblement peuplées. Toutefois, c'est précisement dans ces zones que se joue une grande partie du potentiel énergétique.

Ce tableau peut servir de guide lors du choix d’un outil de simulation mais ne fait pas clairement ressortir les domaines du concepteur généraliste et celui du spécialiste. Cette limite est nécessairement floue en raison des variations de complexité d’un projet à l’autre et du contexte de prise de décisions. Elle se situe quelque part entre l’avant-projet et le projet définitif (1-2).

 

Choix et pertinence des logiciels de simulation

Intrinsèquement, toutes les méthodes de simulation sont justes.

La spirale d’optimisation laisse penser qu’une étude se laisse progressivement raffiner au fur et mesure que les choix convergent vers le ‘meilleur compromis’. On pourrait également penser qu’une partie de ce processus peut être automatisé (traduction successive de la saisie en modèle mathématique, puis numérique…).

Toutefois, le tableau des logiciels montre clairement qu’une seule méthode ne peut pas répondre à tous les problèmes et ne peut pas être applicable à tous les stades du projet. Ainsi une simulation très fine ne disposera pas de suffisamment d’information au moment de l’avant projet. Inversement, une méthode simplifiée ne sera pas suffisamment sensible pour produire des réponses pertinentes lors d’une simulation détaillée.

Un manque de robustesse de certaines méthodes de calcul et d’évaluation peut induire l’utilisateur en erreur. Il est indispensable d’être attentif aux possibilités et limites des méthodes et des logiciels qui les incarnent.

En particulier des logiciels ‘expert’ destinés à un public non initié ont tendance à mélanger différents niveaux de saisie, de simulation et de résultats. Exemples :

Fig. 5 : Sur le graphique sont tracés l’étendue des saisies - INPUT, et des résultats - OUTPUT, beaucoup plus large. La multiplication des résultats ne peut être obtenu que par l’utilisation de valeurs par défaut ou d’extrapolations, souvent difficiles à maîtriser. Ce que le logiciel ne dit pas, c’est que le modèle physique utilisé n’est pas en adéquation avec les apparences (interface utilisateur) induisant ainsi l’utilisateur en erreur.

Fig. 6 : Le graphique montre le cas récurrent des logiciels qui font appel à des modèles poussés et très sophistiqués, demandent un input important et produisent des sorties abondantes. Toutefois, la sensibilité des paramètres d’entrée est telle, qu’il est nécessaire de vérifier leur bien fondé sur la réalité construite. Dès lors, les résultats de simulation risquent de ne pas être pertinents en amont.

Fig. 7 : Un logiciel pertinent peut accepter une étendue de validité limitée mais doit obéir à la logique suivante : les possibilités de saisie doivent se limiter à l’étendue de la validité de la méthode ; les résultats doivent se borner à la limite des saisies. Ce n’est qu’à cette condition qu’un logiciel sera suffisamment fiable et robuste pour être confié de bonne conscience au public cible.

On comprend aisément que la pertinence d’une simulation dépendra directement de l’honnêteté à la fois du logiciel, qui risque de faire miroiter des possibilités qui ne sont pas en adéquation avec les possibilités d’une méthode, ou de l’utilisateur qui, souvent par ignorance, essayera de tirer des conclusions qui dépassent les possibilités du logiciel et des méthodes sous-jacentes.

Une grande responsabilité incombe aux fabricants de logiciels qui, malheureusement, passent des fois plus de temps sur la présentation et l’attrait de résultats que sur une documentation transparente des possibilités et limites des méthodes et algorithmes mis en jeu. Faut-il encore que l’utilisateur possède une formation et un sens critique suffisants lui permettant d’évaluer les possibilités d’un outil donné, même scientifiquement correct.

 


Liens

L'inventaire le plus complet et à jour des outils de simulation en physique du bâtiment se trouve ici: http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/

 

Bibliographie

Building Energy Simulation Test (BESTEST) and Diagnostic Method, by R Judkoff and J Neymark
USA, National Renewable Energy Laboratory, NREL, DE94000280, NREL/TP-472-6231, 1995
http://www.ecbcs.org/bookshop/21_95_2.htm

ANSI/ASHRAE Standard 140-2004, "Method of Test for the Evaluation of Building Energy Simulation Computer
Programs": http://www.ashrae.org

 

 

 


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