Aide à la décision et optimisation multicritère pour la réhabilitation énergétique des bâtiments existants Université d Automne • Chaire VINCI 2-3 Octobre 2012
Mathieu RIVALLAIN • Olivier BAVEREL • Bruno PEUPORTIER
Contexte et introduction Pression énergétique et environnementale du Bâtiment
La réhabilitation performante existe !
[Selection of renovation actions using multi-criteria ‘‘knapsack’’ model, Kari Alanne, Décembre 2003]
Pour dépasser la recherche itérative
L’échelle des enjeux : les Parcs !
2
Objectifs de la thèse !
Contribution à l aide à la décision pour l identification de programmes efficaces de réhabilitation et la description des compromis accessibles
!
Optimisation multicritère (bilan énergétique, environnemental, économique et confort) sur le cycle de vie des bâtiments existants à l échelle du bâtiment ou du parc
!
Acteurs cibles : Bureaux d études, architectes, bailleurs sociaux, politiques publiques
3
1. Aide à la décision pour la réhabilitation énergétique des bâtiments existants
Aide à la décision et réhabilitation !
Définition des critères de décision
!
Audit énergétique du bâtiment existant
!
Présélection of des mesures de réhabilitation énergétique
!
Identification de stratégies de réhabilitation efficaces
5
Mesures de réhabilitation énergétique
6
Critères pour la réhabilitation énergétique
Fonctions objectifs (sur le cycle de vie) Energie et Environnement !
Consommation cumulée d énergie primaire [MJ]
[Frischknecht & al, 1996]
!
Potentiel de changement climatique à 100 ans [kg CO2 eq.]
[Guinee et al., 2001] [GIEC, 2007]
!
Potentiel d épuisement des ressources abiotiques [kg Sb eq.]
[Guinee et al., 2001]
!
Potentiel d acidification [kg SO2 eq.]
!
Autres indicateurs environnementaux.
[Guinee et al., 2001]
Economie !
Coût d investissement [k€]
!
Coût global sur le cycle de vie [k€]
Confort des occupants !
Inconfort thermique adaptatif en été [degrés.heures] [NF EN 15251, 2007]
Evaluation : simulations thermiques dynamiques et ACV
7
Modèle de cycle de vie
0
A
Production des composants nécessaires à la réhabilitation
1
Traitement en fin de vie des composants déposés
2
Usage du bâtiment (simulation thermique dynamique) Fin du programme de réhabilitation?
NON
STOP
Emissions dans l’air, l’eau ou les sols
Consommations de ressources naturelles : de matières, d’énergie ou d’eau
Bâtiment avant réhabilitation
3 Boucle sur les phases de réhabilitation
i
OUI
Usage du bâtiment sur la poursuite du cycle de vie
4
Fin de vie des composants mis en œuvre en réhabilitation
5 B
8
Compromis et front de Pareto
Coût d investissement [k€]
OPT
Consommation cumulée d énergie primaire [kWh/m2.an]
9
2. Etude de cas
Etude de cas de la barre Grimaud Barre Grimaud !
Type :
Résidentiel collectif (R+4)
!
NB d appartements :
!
SHAB :
!
Construction :
10
792 m2 Avant 1974
Etat initial AVANT REHABILITATION ENERGETIQUE !
Murs de façade :
Blocs de béton pleins (non isolés)
!
Plancher bas :
Dalle béton 200mm
!
Toiture terrasse :
Dalle béton 200mm
!
Fenêtres :
PVC Double vitrage
!
Ventilation :
VMC simple flux
!
Chaudière :
Chaudière collective au fioul (installée avant 1988)
!
ECS :
Chauffe-bains gaz individuels
Besoin de chauffage AVANT REHABILITATION : 190 kWh/m2.an
11
Réhabilitation barre Grimaud Variantes de réhabilitation sur les mesures élémentaires !
ITE Laine minérale sur les façades N/E/S/O :
[10, 12, 15, 18, 20, 25, 30] cm
!
ITE Polystyrène expansé sur le plancher bas :
[10, 15, 20, 25, 30, 35, 40] cm
!
ITE Polyuréthane sur la toiture terrasse :
[10, 12, 15, 18, 20, 25] cm
!
Remplacement des ouvrants N/E/S/O :
[DV low-e Ar. ; TV low-e Ar. ]
!
Ratio de surface vitrée / façade N :
!
Ratio de surface vitrée / façades E/S/O :
!
Système de ventilation :
[Hygro-B ; Double flux]
!
Système de chauffage :
Chaudière gaz basse température à condens.
!
Facteur solaire pour la production d ECS :
[0.5, 0.8, 1, 1.5] [0.8, 1, 1.25, 1.5]
[36 ; 54; 72] %
RQ1 : Poursuite du cycle de vie du bâtiment à réhabiliter sur 50 ans. RQ2 : Consigne de température pour le chauffage : 19C (à toute heure de l année, dans toutes les pièces)
12
Un problème complexe
22000000
77 76,8
20000000
76,6 18000000 76,4 16000000 76,2 14000000
76
in g
% 75 ct io n
D H
W
so
la
ns on de C
rf ra
ga s
bo i
le r
n nt ila tio
n ov e ec tr ea
co n um id ity
ve ry
ve d tr ol le
az gl e
nt ila tio
w s
in g
in g Tr ip l
az gl e
H
H
w
w
in do
in do w
s
15 0m m
or D ou bl
B ot to
m
flo m
flo
or
EP S
12 0m m EP S
20 0m m
or PU
To p
flo
or PU flo
In To p
B ot to
ta al s iti
15 0m m
75,8 te
12000000
Heating demand REDUCTION [kWh/m2.an]
Cumulated primary energy consumptions REDUCTION on LC [MJ]
Influence of façades external thermal insulation (ETI) mineral wool 200mm, in function of building state before retrofit measure application
Building features before retrofit measure application Cumulated primary energy consumptions REDUCTION on LC [MJ]
Heating demand REDUCTION [kWh/m2.an]
13
3. Réhabilitation énergétique des bâtiments existants et algorithme génétique
Représentation génétique des solutions
!
1 solution = 1 individu = 1 programme de réhabilitation
!
Chaque individu est représenté par 1 chromosome :
Brin COMPOSITION
Brin ORDRE
Épaisseur d isolation sur façade NORD …
# Phase : Isolation sur façade NORD …
Menuiserie sur façade NORD
# Phase : Menuiserie sur façade NORD
Dimension ouvertures NORD
# Phase : Dimension ouvertures NORD
… Équipement de ventilation Équipement de chauffage Couverture solaire de la production ECS
… # Phase : Équipement de ventilation # Phase : Équipement de chauffage # Phase : Couverture solaire ECS
15
Principe d un algorithme génétique
Evaluation des μ individus
1 Sélection μ individus
pour reproduction (λ parents)
λ + μ individus
Croisements sur les λ individus sélectionnés
2
Mutations sur les λ individus sélectionnés
μ individus
Décodage du génotype en phénotype
μ individus
Initialisation aléatoire de la population (µ individus)
Décodage du génotype en phénotype
3
NO
4 STOP?
μ individus
Sélection pour remplacement
λ + μ individus
Evaluation des λ enfants
YES Solutions non-‐dominées
16
Front génération 1
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 1
27000000
25000000
23000000
Generat 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
17
Front génération 3
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 3
27000000
25000000
23000000
Generat 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
18
Front génération 5
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 5
27000000
25000000
23000000
Generat 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
19
Front génération 10
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 10
27000000
25000000
23000000
Generati 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
20
Front génération 40
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 40
27000000
25000000
23000000
Generati 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
21
Front génération 70
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 70
27000000
25000000
23000000
Generati 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
22
Front génération 100
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Generation 100
27000000
25000000
23000000
Generatio 21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
23
Compromis entre investissement et performance énergétique
Cumulated primary energy consumption [MJ]
27000000
Generation 1 Generation 10 Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 Generation 70 Generation 80 Generation 90 Generation 100
25000000
23000000
21000000
19000000
17000000 120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
24
Analyse de quelques solutions particulières
> 10cm 27000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
A
> 10cm
> DV
>
> 10cm
35%
> Hygro-B
Generation 1 Generation 10 Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 Generation 70 Generation 80 Generation 90 Generation 100
25000000
23000000
> 12cm
21000000
B
> 10cm
> 10cm
> 75%
> DV
> DF
19000000
17000000 120
C 140
160
180
>200
>
>
220
>
240
260
Investment cost (on energy retrofit program) [k€] 30cm
30cm
75%
>
280 20cm
300 TV
>
320 DF
25
Les solutions les plus performantes en énergie ne sont pas optimales en coût global sur 50 ans !
600
Global cost on life cycle [k€]
580
Generation 1 Generation 10 Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 Generation 70 Generation 80 Generation 90 Generation 100
560
C
A 540
520
500
B 480 120
60k€ ≈ 75€/m2 140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
26
Corrélations entre indicateurs de l ACV
1100000
1000000
Climate change potential [kg CO 2 eq.]
A Generation 1 Generation 10 Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 Generation 70 Generation 80 Generation 90 Generation 100
900000
800000
B
700000
600000
C
500000
400000 3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
Abiotic resources depletion [kg Sb eq.]
27
Analyse de résultats
560
560
560
550 540 530 520 510
Global cost on life cycle [k€]
570
500
550 540 530 520 510
19000000
21000000
23000000
25000000
490 17000000
27000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
ITE LV 100 ITE LV 200
ITE LV 120 ITE LV 250
ITE LV 150 ITE LV 300
550 540 530 520 510 500
500
490 17000000
19000000
21000000
23000000
25000000
490 17000000
27000000
ITE PU 100
ITE LV 180
ITE PU 150
ITE PU 200
LV PU 300
560
560
530 520 510 500
Global cost on life cycle [k€]
560
Global cost on life cycle [k€]
570
540
550 540 530 520 510
21000000
23000000
25000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Double vitrage
Mixte
Triple vitrage
27000000
490 17000000
25000000
27000000
ITE EPS 100
ITE EPS 120
ITE EPS 180
LV EPS 200
ITE EPS 150
550 540 530 520 510 500
500
19000000
23000000
ECS
Ventilation 570
550
21000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
570
490 17000000
19000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Ouvertures
Global cost on life cycle [k€]
Isolation plancher bas
Isolation plancher haut 570
Global cost on life cycle [k€]
Global cost on life cycle [k€]
Isolation façades 570
19000000
21000000
23000000
25000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
Hygro-B
Double flux
27000000
490 17000000
19000000
21000000
23000000
25000000
27000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
ECS FS 35%
ECS FS 55%
ECS FS 75%
28
4. Solutions exactes, génétiques et stratégies court-termistes
Qualification des solutions génétiques
30
Attention au court-termisme ! > G
10cm
>
>
> 10cm
10cm
> Hygro-B
> 35%
DV
B > 10cm
> 10cm
> 10cm
> 75%
> DV
> DF
31
Consommation d'énergie primaire cumulée [MJ]
Impacts cumulés et solution gloutonne
2,0E+07 1,0E+07
Années
0,0E+00
Inconfort Coût global thermique sur le cycle de vie adaptatif d'été cumulé [k€] cumulé [°C.heures]
0
5
40 600
10
15
20
25
Minimum en coût global (B)
30 400 20 200 10
30
35
40
45
50
Solution particulière de l'algorithme glouton (G)
Années Années
0 0
5
10
15
20
Minimum Minimum een n ccoût oût gglobal lobal ((B) B)
>
G 10cm
>
10cm
> 10cm
>
> 10cm
> Hygro-B
> 75%
30
35
40
45
50
Solution Solution pparticulière articulière dde e ll'algorithme 'algorithme gglouton louton ((G) G)
10cm
10cm
>
B
>
25
>
> DV
35%
DV
> DF
32
Et à l échelle des parcs…
33
5. Conclusion
Conclusion Approche d aide à la décision basée sur l optimisation multicritère !
Identification de programmes efficaces de réhabilitation énergétique séquentielle
!
Description des compromis accessibles
!
Sur une base multicritère
!
Sur le cycle de vie
!
A l échelle du bâtiment ou du parc
Perspectives !
Sensibilité à différents paramètres de modélisation
!
Réhabilitation des parcs et typologies de bâtiments
!
De la réhabilitation énergétique à la réhabilitation durable
35
Merci pour votre attention Mathieu RIVALLAIN
Dr. Olivier BAVEREL
Pr. Bruno PEUPORTIER
Doctorant Ecole des Ponts ParisTech
Ecole des Ponts ParisTech
MINES ParisTech
Ecole Nationale Supérieure d Architecture de Grenoble
Centre d Energétique et des Procédés
[email protected]
36
A. Annexes
Etude de cas sur les parcs
Heating demand : 208 kWh/m2.y
Heating demand : 358 kWh/m2.y
Etat initial AVANT REHABILITATION ENERGETIQUE !
Murs extérieurs de façade :
Blocs béton
!
Plancher bas :
Dalle béton 200mm
!
Toiture terrasse :
Dalle béton 200mm
!
Fenêtres :
PVC Double vitrage
!
Système de ventilation : VMC Simple flux non-modulée
!
Système de chauffage : Chaudière fioul installée avant 1988
!
ECS :
Chaudière gaz individuelle
38
Compromis investissement et énergie sur le cycle de vie 22000000
Cumulated primary energy consumption [MJ]
20000000
Generation 1 Generation 5 Generation 10 Generation 15 Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 Generation 70 Generation 90
18000000
16000000
14000000
12000000
10000000 90
100
110
120
130
140
150
160
170
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
39
Compromis investissement et énergie sur le cycle de vie 1e
22000000
r
>
Cumulated primary energy consumption [MJ]
20000000
>
>
10cm
>
18000000
DV
> DV
> 15cm
> 75%
> 10cm
> 15cm
> 55%
> DF
DF
Generation 1 Generation 5 Generation 10 Generation 15 10cm Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 50 Generation 60 ème 2Generation 70 Generation 90
> 10cm
16000000
14000000
12000000
10000000 90
100
110
120
130
140
150
160
170
Investment cost (on energy retrofit program) [k€]
40
Reference Banlieue Centre urbain Orientation Reha Trad Generation 20 Generation 30 N Generation 40 Generation 60 Generation 70 Generation 90
Description du parc et typologies de batiments
N
Reference Banlieue Centre urbain Orientation Reha Trad Generation 20 Generation 30 Generation 40 Generation 60 Generation 70 Generation 90
N
N
80000000
ON [MJ]
0000
Reference Banlieue 65000000 75000000 80000000 Centre urbain70000000 Orientation Cumulated primary energy consumption REDUCTION [MJ] Reha Trad Generation 20 Generation 30 Generation 40
Reference Banlieue Centre urbain Orientation Reha Trad Generation 20 Generation 30
41
34000
32000
30000
28000
Global cost on life cycle REDUCTION [k€]
Fronts de Pareto et typologies
26000
1000
Reference Banlieue Centre urbain Orientation Reha Trad Generation 20 Reference Generation 30 Banlieue Generation 40 Generation 20 Generation 60 Generation 30 Generation 40 Generation 70 Centre urbain90 Generation
950
900
OPT 850
800
Generation 60 Generation 70 Orientation Generation 90 Reha Trad
750
700
24000 650
22000 600 50000000
20000 50000000
55000000
60000000
65000000
70000000
75000000
80000000
Cumulated primary energy consumption REDUCTION [MJ]
55000000
60000000
65000000
70000000
75000000
80000000
Cumulated primary energy consumption REDUCTION [MJ]
42
34000
32000
30000
28000
Global cost on life cycle REDUCTION [k€]
Fronts et solutions pour différentes typologies
>
1000
>
> 15cm
10cm
> 10cm
>
>
75%
DV
Reference Banlieue Centre urbain Orientation Reha Trad Generation 20 Reference Generation 30 Banlieue Generation 40 Generation 20 Generation 60 Generation 30 Generation 40 Generation 70 Centre urbain90 Generation
DF
950
>
26000
900
>
> 15cm
10cm
> 10cm
> 75%
> DV
OPT
DF
850
800
750
>
700
24000
> 10cm
> 10cm
> 75%
> DV
Generation 60 Generation 70 Orientation Generation 90 Reha Trad
>
15cm
DF
650
22000 600 50000000
20000 50000000
55000000
60000000
65000000
70000000
75000000
80000000
Cumulated primary energy consumption REDUCTION [MJ]
55000000
60000000
65000000
70000000
75000000
80000000
Cumulated primary energy consumption REDUCTION [MJ]
43
