La simulation énergétique

Quoi

Une simulation (ou modélisation) énergétique d’un bâtiment est une analyse par ordinateur de la consommation d’énergie globale d’un bâtiment. Cela se fait généralement en utilisant un logiciel spécialisé qui permet d’entrer les données spécifiques du bâtiment à modéliser, telles que la surface, la composition et l’orientation des murs, du toit et du plancher, le type d’occupation, les équipements, l’éclairage utilisé ainsi que les systèmes mécaniques. Ces données sont associées à un fichier météorologique choisi selon la position géographique du bâtiment et conçu pour les calculs énergétiques, puis le logiciel calcule la consommation d’énergie des équipements et systèmes électromécaniques du bâtiment pour la période étudiée.

En général, une simulation permet de comparer entre eux les effets de différentes mesures d’efficacité énergétique sur un bâtiment neuf ou existant. On peut ainsi comparer, par exemple, les conséquences d’une meilleure isolation versus l’installation de systèmes mécaniques plus performants. Il sera donc possible d’évaluer les économies énergétiques à anticiper ainsi que la rentabilité d’une mesure donnée en tenant compte des effets croisés entre les différents systèmes électromécaniques du bâtiment.

La modélisation sert aussi à comparer la performance énergétique d’un bâtiment proposé à un bâtiment dit de « référence », ce dernier étant un bâtiment virtuel ayant des caractéristiques conformes à la norme d’efficacité énergétique utilisée pour déterminer la performance minimale du bâtiment (et non pas le bâtiment « typique » du marché). Dans un tel cas, des règles de modélisations strictes doivent être utilisées, selon les exigences de modélisation associées à la norme d’efficacité énergétique utilisée ou au programme d’appuis financiers. La comparaison à un bâtiment de référence est la méthode la plus utilisée actuellement pour évaluer la performance d’un bâtiment neuf dans le cadre d’un programme de certification, d’appuis financiers ou aux fins de conformité à une règlementation provinciale ou municipale en matière d’efficacité énergétique. Parmi les normes d’efficacité énergétique, on retrouve le Code modèle national de l’énergie pour les bâtiments (CMNÉB) édition de 1997 ou de 2011 (acronyme courant : CNEB), ou la norme ASHRAE 90.1 (2010 étant l’édition la plus récente).

Les modélisations présentent cependant certaines limites par rapport à un bâtiment de « référence ». Il y a deux faits importants à noter à cet effet. Dans un premier temps, la consommation énergétique d’un bâtiment prédite par une telle simulation peut rarement être considérée comme une indication de la consommation énergétique réelle future du bâtiment. Les hypothèses, les règles de modélisation imposées et les limitations des logiciels de simulation entraînent des différences systémiques et opérationnelles entre la réalité et le modèle qui peuvent être plus ou moins importantes, selon le cas. La meilleure utilisation d’une simulation est de réaliser des comparaisons entre des options techniques afin d’estimer les économies anticipées.

Ensuite, il n’est pas inhabituel que la recherche de la performance énergétique maximale d’un bâtiment par comparaison avec une norme de référence (généralement calculée comme un pourcentage de réduction de la consommation énergétique par rapport à ladite référence) entraîne une consommation énergétique du bâtiment proposé supérieure à une autre alternative technique, même si le pourcentage de réduction énergétique par rapport à la référence est supérieur. Ce phénomène est dû aux règles de modélisation propres à chaque norme ou programme d’appuis financiers qui déterminent généralement les systèmes de mécanique du bâtiment de référence selon ceux spécifiés pour le bâtiment proposé.

Il est donc important de bien identifier l’objectif principal visé par la modélisation énergétique :

• La minimisation absolue de la consommation énergétique;
• La maximisation de la réduction de consommation relativement au bâtiment de référence (entraînant, par exemple, une récolte plus grande de points au crédit sur l’efficacité énergétique dans le cadre d’un projet visant la certification LEED Canada, ou un appui financier plus élevé);
• Une rentabilité acceptable des mesures d’efficacité énergétique envisagées;
• Etc.

Pourquoi

La modélisation est un outil de conception qui aide à la prise de décision lorsque diverses mesures d’efficacité énergétique sont envisagées et qui valide la conformité aux exigences de la réglementation. Ainsi, elle offre la possibilité de comparer, modifier et alterner les différentes options de configuration d’un projet en comparant les performances énergétiques avant de prendre des décisions d’investissement importantes. Cela permet donc d’aiguiller le client dans ses choix et de visualiser l’incidence de ces derniers sur le projet global, qu’il s’agisse des matériaux, des systèmes ou encore de l’orientation du bâtiment. La simulation offre la possibilité de comparer les différentes alternatives, leur faisabilité, leur pertinence et leur rentabilité à court ou long terme. Elle aide aussi l’ingénieur à concevoir des systèmes adaptés aux besoins du bâtiment.

Aussi, la simulation aide à évaluer les effets du surdimensionnement des systèmes mécaniques en fonction des besoins internes du bâtiment afin d’éviter les équipements trop gros, ce qui pourrait engendrer des pertes économiques et énergétiques à long terme.

D’un point de vue économique, il est intéressant de savoir que certains programmes d’appuis financiers exigent une simulation énergétique du bâtiment neuf proposé (pour les nouvelles constructions) ou des modifications envisagées (pour les bâtiments rénovés) pour considérer les demandes. Le bâtiment de référence utilisé pour établir le montant de l’appui financier varie selon les exigences et règles de chaque programme. Il peut aussi être nécessaire de réaliser la simulation sur différents logiciels pour chaque programme de certification ou d’appuis financiers.

Quand

Le moment propice pour faire une ou des simulations énergétiques dépend de l’objectif qui est visé.

Lorsque le but est de faire une comparaison entre différentes solutions techniques afin d’influencer les choix conceptuels, la simulation doit être faite tôt dans le processus conceptuel concerné. Par exemple :

• Une étude d’efficacité énergétique entre différents systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) devrait avoir lieu au tout début du travail de conception mécanique.
• Une étude sur la forme du bâtiment et le pourcentage de fenestration à considérer (dans le but d’optimiser les bénéfices de l’éclairage naturel sans trop pénaliser la consommation d’énergie en chauffage/climatisation due aux charges de l’enveloppe) impliquerait une simulation énergétique dès les premiers instants de la phase d’esquisse architecturale.

Une simulation réalisée afin de déterminer la rentabilité d’une ou de plusieurs solutions techniques doit être faite suffisamment tardivement pour que les différents détails pertinents soient connus de façon à confirmer ou infirmer les choix qui ont été faits, mais aussi suffisamment tôt pour pouvoir sélectionner les options à retenir. Plusieurs itérations pourront être requises dans ce cas.

Réaliser une simulation à différentes étapes du processus de conception peut servir à valider si le projet évolue « dans la bonne direction ». Le travail commencera généralement par un modèle simplifié ou incomplet de façon à accélérer le processus afin de pouvoir apporter les réponses exigées dans les délais impartis par le calendrier de conception. Le modèle sera par la suite détaillé et complexifié au fur et à mesure de l’évolution du concept. Fréquemment, le modélisateur ou le donneur d’ouvrage espère pouvoir réduire le temps de travail (et les honoraires afférents) en utilisant l’itération précédente du modèle. Toutefois, il est courant que l’entrée de données de modélisation soit à recommencer significativement lors de chaque étape, dépendant du niveau de détail souhaité du modèle et des changements conceptuels qui ont eu lieu depuis la dernière étape.

Il est à noter qu’une simulation aux fins de conformité à un code ou une norme de référence requiert généralement un grand niveau de détail et de précision, ce qui exige souvent passablement de temps de modélisation. Ce type de simulation ne devrait être tenté que lorsque le concept est largement complété.

Finalement, certains programmes exigent que le dépôt de la simulation ne soit fait que lorsque les dessins d’atelier ont été soumis et que l’information pertinente a été intégrée dans le modèle; ceux-ci visent généralement à confirmer la conformité à un code ou une norme de référence. D’autres exigent le dépôt du modèle avant la période d’appel d’offres ou l’octroi du contrat; dans ces cas, ce sont généralement des programmes d’appuis financiers.

Comment

Pour optimiser un projet d’efficacité énergétique dans un bâtiment, il est important de s’entourer de professionnels expérimentés en simulation énergétique. La modélisation sera effectuée d’après les plans et les détails du projet ainsi que les exigences applicables des programmes ou des normes applicables. Des guides de modélisation ont été développés pour guider le processus et établir les règles à suivre dans certains cas.

Pour effectuer une modélisation énergétique du bâtiment, plusieurs caractéristiques du projet sont à définir, tout en restant modifiables par la suite. Pour déterminer la consommation énergétique du bâtiment, le logiciel va simuler une année d’occupation en suivant les informations récupérées.

La consommation va dépendre :

• de la localité du projet (suivant le climat environnant)
• de l’orientation du bâtiment
• de son enveloppe
• des systèmes de CVC
• de l’éclairage
• du type d’occupation
• des charges électriques internes et des procédés
• des profils d’activité et d’exploitation
• etc.

À cette étape, la communication entre les différents acteurs du projet aide à tirer pleinement profit de la simulation, d’en déduire les choix les plus adaptés et d’obtenir les objectifs. Pour ce faire, plusieurs simulations différentes peuvent être réalisées dès le début du processus de conception d’un nouveau bâtiment ou d’un projet d’efficacité énergétique dans un bâtiment existant.

Il existe plusieurs logiciels de simulation disponibles, tout dépendant de la modélisation à réaliser, du type de projet et de la complexité du bâtiment, et beaucoup sont gratuits.

Un logiciel très utilisé pour étudier un projet dans sa globalité, qu’il soit commercial, institutionnel ou multirésidentiel, est le logiciel EE4, offert gratuitement par Ressources naturelles Canada. Il permet d’effectuer une comparaison avec les performances minimales exigées par la norme CMNÉB 1997. Il sera bientôt remplacé par le logiciel CanQuest, un produit dérivé et très similaire au logiciel eQuest, lui aussi offert gratuitement. CanQuest permettra d’évaluer la performance d’un bâtiment proposé comparativement à la norme CMNEB 1977 et CNEB 2011. EE4 est principalement utilisé dans le cadre de projets visant la certification LEED Canada-NC 2009, mais peut aussi être utilisé pour la simulation en phase conceptuelle ou pour l’application à des programmes d’appuis financiers (selon les exigences propres à chaque programme).

Hydro-Québec offre aussi un logiciel de simulation énergétique gratuit, SIMEB, notamment utilisé pour obtenir un appui financier dans le cadre du programme ÉnerCible. SIMEB est un logiciel offrant des fonctionnalités similaires à EE4. Il permet d’évaluer la performance énergétique du bâtiment proposé comparativement à la norme ASHRAE 90.1-2007 (norme de référence dans le cadre du programme EnerCible). Il offre par ailleurs des fonctionnalités additionnelles visant à faciliter la modélisation de bâtiments existants.

D’autres logiciels sont aussi utilisés, selon les modélisateurs, les besoins techniques de la simulation, et autres : IES-VE, Energy Pro, Energy Plus, Trane Trace 700, Carrier HAP, etc.

Combien

Si peu d’itérations sont faites lors de la conception/modélisation du bâtiment, et si le bâtiment est relativement simple ou de faible dimension (ex. bibliothèque ou édifices à logements), il peut en coûter moins de 10 000 $ pour un mandat de modélisation. Par contre, un processus ou un bâtiment plus complexe en géométrie ou en systèmes de CVC (ex. centre sportif avec gymnases, piscine et aréna) ou avec des itérations nombreuses ou très différentes les unes des autres peut coûter 25 000 $ ou plus. Bien entendu, le rapport coût/bénéfice d’un tel exercice s’améliorera avec l’envergure du projet.

Selon les besoins et les restrictions d’un projet, de même que des programmes ou des normes suivis, il est possible de limiter la portée de la simulation à ce qui est essentiel ou à étudier (un seul système par exemple) sans devoir simuler tout le bâtiment.

D’autre part, il est aussi possible d’effectuer plusieurs simulations tout au long du  processus de conception d’un nouveau projet, avec des niveaux de détails différents et adaptés à chaque étape.

Peu importe la formule choisie, il ne faut pas négliger les exigences administratives entourant les simulations, telles que la rédaction d’un rapport de simulation et la collecte de l’information technique pouvant être requises dans le cadre d’un programme de subvention. Ceci peut facilement ajouter 5 000 $ en frais d’honoraires, selon la complexité.

Ressources à la disposition des municipalités :

• Une municipalité peut se référer à diverses listes pour choisir un professionnel en simulation énergétique, telles que la Liste des modélisateurs expérimentés du Conseil du bâtiment durable du Canada ou la Liste des professionnels certifiés par le programme Building Energy Modeling Professional d’ASHRAE.

• Il existe plusieurs logiciels de simulation qui soient gratuits, tels que :

– EE4, de Ressources naturelles Canada (bientôt remplacé par le logiciel CanQuest)
– eQuest, financé par la California Public Utilities Commission,
– SIMEB, d’Hydro-Québec,
– EnergyPlus, du Département de l’énergie des États-Unis (qu’il est possible d’utiliser avec  l’interface usager Simergy).