Les matériaux biosourcés sont de plus en plus utilisés dans la construction, mais leurs bénéfices environnementaux réels par rapport aux matériaux conventionnels restent mal quantifiés. Les méthodes actuelles d’ACV ne prennent pas suffisamment en compte la temporalité des émissions, le stockage temporaire du carbone ni les arbitrages entre bois matériau et bois énergie. Cette recherche s’attache à combler ces limites afin d’évaluer de manière plus juste la contribution des matériaux biosourcés à la réduction de l’empreinte environnementale du bâtiment.

Objectifs et méthode

L’objectif de cette recherche est d’améliorer la prise en compte des matériaux biosourcés dans l’écoconception des bâtiments et des quartiers. La démarche combine la simulation énergétique dynamique, intégrant des scénarios climatiques prospectifs, et l’analyse du cycle de vie prospective afin d’évaluer leurs effets sur le confort, le stockage et la libération du carbone, ainsi que sur la gestion des ressources. Les approches méthodologiques seront comparées et appliquées à un cas d’étude représentatif, afin de proposer des développements intégrables dans un outil professionnel d’ACV du bâtiment.

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Il est nécessaire de réduire fortement la consommation d’énergie du secteur du bâtiment. Les actions de réduction peuvent être en lien d’une part avec la rénovation thermique (isolation) mais aussi avec la gestion énergétique, objet de cette thèse. L’optimisation peut réduire les pointes de consommation de manière importante : il est possible d’annuler la demande de chauffage à certaines heures dans certains bâtiments sans nuire au confort. Cette possibilité constitue un élément de réponse face aux perspectives d’électrification des usages (chauffage en particulier), de pénétration des énergies renouvelables, et de gestion de crises liées aux avaries dans la production centralisée ou au contexte international. L’I.A pourrait permettre d’améliorer ces stratégies optimales en prenant en compte les incertitudes sur les prévisions météo et les comportements des occupants.

Objectifs et méthodes :

Dans une application en commande prédictive, il est essentiel d’évaluer la précision du modèle prédictif car une erreur de prédiction peut annihiler l’intérêt de l’optimisation. Lorsque ce modèle est issu de l’apprentissage automatique, sa précision dépend du choix de l’algorithme d’apprentissage et de son paramétrage, de la durée des mesures et des grandeurs mesurées. Un apport original de la thèse sera alors d’évaluer ces différents choix à l’aune d’un critère de performance intégrant la qualité des données d’entrée, la précision du modèle prédictif en association avec l’algorithme d’optimisation, et les incertitudes sur les prévisions météorologiques et celles concernant les comportements des occupants. Des solutions basées sur l’intelligence artificielle seront étudiées, en remplacement des modèles physiques qui nécessitent de multiples informations (composition des parois et autres caractéristiques techniques) souvent difficiles à collecter, et une certaine expertise en modélisation (découpage des bâtiments en « zones thermiques » par exemple). L’apprentissage automatique permet d’obtenir un modèle à partir de mesures déjà effectuées par les systèmes de gestion technique des bâtiments, ce qui évite cette étape de collecte de données techniques et de modélisation physique. La durée du calcul est réduite, ce qui permet d’optimiser la régulation sur un horizon de temps de plusieurs jours de manière opérationnelle et d’évaluer les conséquences des incertitudes sur les prévisions. L’intérêt de cette approche pourra être évalué sur une étude de cas.

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Nous dresserons un bilan des travaux de recherches menés ces 5 dernières années en matière d’efficacité energétique, de mobilité durable et de biodiversité appliquées aux bâtiments et infrastructures, avec des exemples de mise en œuvre opérationnelle au sein des métiers de VINCI. Nous vous dévoilerons également les grandes thématiques de recherche de notre nouveau cycle (2023-2028).

Au programme :

Mobilité durable

• Bilan et perspectives de recherches par Nicolas Coulombel de l’Ecole des Ponts ParisTech.

• L’autoroute bas carbone et le cas du transport de marchandises par Louis du Pasquier, directeur des mobilités décarbonées, VINCI Autoroutes.

Bâtiments et efficacité énergétique

• Bilan et perspectives de recherches par Bruno Peuportier et Charlotte Roux de l’Ecole des Mines Paris-PSL.

• Retour d’expérience sur l’ACV des quartiers par Laurent Putzu, directeur ADIM Lyon chez VINCI Construction.

• L’intelligence artificielle au service de la rénovation énergétique par Aurélie Foucher, responsable étude de prix chez Qivy Habitat, VINCI Energies.

Nature en ville

• Bilan et perspectives de recherches par Erwann Personne et Jean Roger Estrade d’AgroParisTech.

• Retour d’expérience sur l’ilot de chaleur urbain et les technosols avec Pierre Monlucq, directeur du marketing stratégique chez VINCI Construction.

Nous aurons l’honneur d’accueillir deux grands témoins qui nous partageront leur vision des grands enjeux environnementaux et du rôle de la recherche et de nos travaux dans la transition des secteurs de la construction et de la mobilité : Céline Guivarch, directrice de recherche au CIRED (Centre international de recherche sur l’environnement et le développement) et à l’Ecole des Ponts ParisTech, auteure pour le 6ème rapport d’évaluation du GIEC et membre du Haut conseil pour le climat, ainsi qu’Etienne Klein, directeur de recherche au CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), auteur de plusieurs ouvrages et producteur d’émissions de radio de vulgarisation scientifique.

A partir de 18h, la signature du renouvellement du partenariat entre VINCI et les 3 écoles d’ingénieurs officialisera le lancement de ce 4ème cycle, en présence de Xavier Huillard, président directeur-général de VINCI, Anthony Briant, directeur de l’école des Ponts ParisTech, Laurent Buisson, directeur général d’AgroParisTech et Vincent Laflèche, directeur de l’école Mines Paris-PSL.

Enfin, nous vous invitons à poursuivre les échanges en soirée autour d’un cocktail pour célébrer les 15 ans de notre partenariat.

Professionnels, chercheurs, élus, étudiants, cet événement est ouvert à tous ceux qui sont intéressés par la réduction des impacts environnementaux des bâtiments et infrastructures.

Nous vous y attendons nombreux !

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Parmi nos intervenants: Nicolas Coulombel (Ecole des Ponts ParisTech), Bruno Peuportier (Mines Paris), Andreas Kaiser et Julien Chamoin (Junia), Bruno Daunay (Leonard), David Desablence (VINCI Energies).

Un cocktail cloturera la journée.

Un lien de connexion sera envoyé la veille de l’événement aux participants ayant choisi l’option « Je participe en ligne ».

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Une approche contextuelle et environnementale

Mais comment les leviers de l’architecture bioclimatique peuvent-ils être activés pour améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments à moindre coût ? Le projet intégré à la formation postgraduate POCA (pour « Post-Carbone »), créé par l’École d’architecture de la ville & des territoires Paris Est en association avec l’École des Ponts ParisTech, permet de le comprendre et de l’expérimenter (voir ici la conférence donnée sur le sujet, et là le support de présentation de la conférence). Il s’agit de concevoir une station de mesures environnementales dans un site choisi par les étudiants. Après une analyse du climat, des conditions météorologiques et des variations du rayonnement solaire locales, les étudiants implantent  tout d’abord le bâtiment pour tirer le meilleur parti du contexte. Puis il s’agit de définir des principes structurels, de façade (position des ouvertures, protection solaire, isolation thermique…), de ventilation et de chauffage. « A chaque fois, il leur faut trouver les modes constructifs, les matériaux et les sources d’énergie les mieux adaptés au contexte local (disponibilité, approvisionnement, savoir-faire) », détaille Joan Gaudin, architecte, enseignant à l’École d’architecture de la ville & des territoires Paris Est.

Des choix éclairés pour une meilleure performance énergétique et environnementale

Au cours de ce travail collectif, les étudiants sont amenés à se poser de nombreuses questions d’ordre bioclimatique :  « Où positionner les différents espaces – espaces de vie, de travail, chambres – pour optimiser le confort de chacun des usages : sur la façade sud, nord, au rez-de-chaussée ou au premier étage ? », ou bien : « comment se protéger de la chaleur l’été sans trop réduire les apports solaires dans le bâtiment l’hiver : en changeant de vitrage, en intégrant des casquettes au-dessus des ouvertures ou en créant des masques occultants ? ». Les réponses à ces questions leur sont données par des outils numériques. « Les étudiants peuvent faire des choix optimaux sur la base de simulations qui leur permettent de mesurer l’influence d’une décision sur les performances du bâtiment au regard de ses usages », explique Bruno Peuportier, directeur de recherche au Centre Efficacité Énergétique des Systèmes (CES) de l’École des Mines de Paris.

Enfin, pour doubler la performance énergétique d’une performance environnementale plus globale, les étudiants valident leurs options en les intégrant dans une analyse de cycle de vie (ACV).  « A chacune des étapes de conception, l’impact carbone des choix est mesuré, et ce, sur la totalité du cycle de vie du bâtiment, y compris les phases de rénovation ultérieures et la déconstruction en fin de vie», illustre Marc de Fouquet, architecte et enseignant à l’ENSA Nancy.

Une conception multidisciplinaire et précoce des projets

On le perçoit : les fils conducteurs du travail mené par les étudiants sont ceux de la sobriété et de la frugalité. Mais l’objectif final reste bien la réduction des impacts environnementaux du bâtiment pendant les phases de construction et d’utilisation. « Dans ce projet d’études, et plus largement dans tous les projets de bâtiments bioclimatiques, c’est en suivant une démarche rigoureuse d’analyse qualitative et quantitative tout au long de la conception que cet objectif peut être atteint », poursuit Marc de Fouquet. L’atteinte de cet objectif suppose aussi une modification de la chronologie du projet. « Pour certains sujets, comme le choix du système structurel, cela nécessite de faire des choix le plus en amont possible dans la conception, pour d’autres – le dimensionnement des protections solaires fixes par exemple – il faut au contraire garder une certaine flexibilité, parfois jusqu’aux études menées pendant le chantier ». Dans tous les cas , il s’agit pour les concepteurs, à savoir les architectes et les ingénieurs, de travailler de concert, dès la genèse du projet. « Cette approche multidisciplinaire est l’un des leviers les plus importants pour répondre aux enjeux d’efficacité énergétique et de sobriété environnementale », assure Joan Gaudin. S’il peut sembler que cette approche est largement partagée, ce n’est pas forcément le cas. « Elle nécessite une montée en compétence en matière d’ingénierie énergétique et environnementale de toute la filière de la conception, et notamment des architectes », estime pour sa part Bruno Peuportier.

Nourrir le dialogue entre ingénieurs et architectes : une nécessité

Cette acculturation est l’une des raisons d’être de la formation POCA, et en particulier de son module consacré au bâtiment bioclimatique, qu’animent notamment Bruno Peuportier, Joan Gaudin et Marc de Fouquet. Les élèves ingénieurs et des architectes diplômés y partagent des notions techniques d’écoconception. « Seize écoles nationales d’architecture sur les vingt existantes proposent des enseignements intégrant la notion de bioclimatique. Mais la spécificité de notre formation tient dans le fait qu’elle mêle élèves-ingénieurs et architectes, détaille Marc de Fouquet. Un dialogue s’instaure, et celui-ci est d’autant plus fructueux qu’il se nourrit d’outils communs mis à la disposition des étudiants et des professionnels  ».

Des outils pour valider les intuitions

Ces outils, intégrés à la suite logicielle Pléiades, comprennent des modules de calcul développés par les chercheurs du CES avec le soutien du Lab Recherche Environnement VINCI ParisTech. Ces modules sont dédiés à la conception bioclimatique, à l’analyse du confort thermique et lumineux, à l’aéraulique et à l’analyse de cycle de vie. « Le métier d’architecte étant encore aujourd’hui principalement orienté vers une conception empirique, sensible et esthétique des ouvrages, ces outils permettent de vérifier que l’intuition du praticien est corroborée ou non pas les simulations numériques. Le cas échéant, un travail itératif permet de tester des variantes jusqu’à l’obtention d’une solution énergétiquement et environnementalement performante, au-delà du minimum réglementaire afin de répondre véritablement aux enjeux planétaires en termes de climat, de santé, de biodiversité et de ressources.» conclut Bruno Peuportier.

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