Bottom-up modeling of building stocks for energy and material usage

Problematic

Because of the huge amount of energy and resources that they consume, improving designs, operations and decision-making processes related to buildings can play a significant role to achieve a more sustainable world. Tools for energy simulation of individual buildings are routinely used in design, certification and refurbishing projects. Moreover, life-cycle analysis of construction materials is becoming more accessible. Recently, a growing attention has been devoted to the reducing energy consumption or material usage at the community level or with respect to building stocks themselves. Therefore, developing a validated tool to assess the energy demand and environmental impact of specific building stocks is essential.

Objectives of the Research

The overall objective of the project is to develop a methodology in order to simulate energy consumption and material usage at the building stock level. In the long time, the tools developed in this project could be employed to reduce energy consumption, materials usage and CO₂ emissions in specific building stocks.

Methodology

A bottom-up modeling approach will be used. A small number of typical buildings will be modeled with an energy simulation tool to determine the energy needs for heating, cooling, lighting, DHW, etc. Stochastic occupancy and energy consumption profiles will be generated and combined to develop a portrayal of the building stock or community. Optimization strategies will be developed to improve the performance of a stock considering energy consumption, costs and material usage.

Potential Applications and Industrial Benefits

Such a framework could be used to develop a better understanding of how energy and material choices affect a group of buildings globally. This could help to reduce the energy consumption and environmental footprint of buildings at a larger level than just the building itself. This project is of interest to building stock owners as well as to policy makers.

Ce projet a débuté en septembre 2015.

Problématique

Grâce à ses nombreux avantages, le bois a le vent en poupe. Ecologique, léger et esthétique, il ne cesse de nous étonner de par la multiplicité de ses applications. Bien qu’utilisé depuis des millénaires dans le domaine de la construction, il semble raisonnable de penser que nous n’utilisons encore qu’une infime partie de son  potentiel. Sa légèreté permet de faciliter la construction mais induit un effet indésirable : un manque de masse thermique, qui entraine une demande énergétique plus élevée pour maintenir le confort intérieur. Afin d’augmenter la masse thermique des structures en bois, je m’intéresse aux matériaux à changement de phase (PCM en anglais, Phase changing materials). Ces matériaux permettent de stocker une grande quantité de chaleur latente pour une masse et un volume faibles via une transformation physique le plus souvent liquide-solide. En d’autres termes, des composites bois-PCM pourraient permettre une construction légère dotée d’une isolation efficace, ouvrant la voie au développement de maisons passives. En considérant que le chauffage et la climatisation constituent plus de 50 ¨% des dépenses énergétiques domestiques, ces matériaux ont un potentiel écologique et économique considérable.

L’objectif de la recherche

L’objectif de ma thèse est de concevoir ces matériaux. Il conviendra de choisir le PCM, le procédé qui permettra de l’incorporer dans du bois et de réaliser des tests pour déterminer les bénéfices énergétiques. Il sera intéressant d’analyser le cycle de vie des matériaux pour assurer une cohérence écologique.

Méthodologie

Pour les applications intérieures, l’objectif est d’optimiser la conduction thermique des panneaux afin d’engendrer un échange thermique par convection suffisant avec l’air intérieur. Diverses techniques de mise en forme sont envisagées comme l’intégration brute du PCM, la micro ou macro encapsulation, l’intégration des PCM dans une matrice en partie biosourcée. Pour des applications structurelles, des possibilités existent en imprégnation et revêtement. Afin de tester les composites élaborés, il sera possible d’avoir recours à des tests sur panneaux mais aussi à des simulations plus complètes sur un prototype de maison en bois.

Applications potentielles et retombées industrielles

Les possibilités d’intégration de PCM dans l’enveloppe d’un bâtiment sont multiples : toiture, planchers et murs sont autant d’emplacements disponibles. Aujourd’hui, des panneaux PCM à matrice pétro-sourcée sont en circulation et permettent un bénéfice énergétique. Grâce à mes travaux, le domaine de la construction fera un pas de plus dans la construction écologique. Selon l’IEA, (International Energy Agency), la conservation d’énergie thermique par stockage, à la manière des PCM est indispensable pour une efficience énergétique.

Problématique

Il est relativement facile d’optimiser une conception en tenant compte d’un seul critère, comme le coût par exemple. Cependant, lorsque nous avons un système complexe (un bâtiment dans ce cas-ci), et que l’on veut optimiser plusieurs critères en même temps, cela devient beaucoup plus compliqué. Ce projet vise donc à surmonter cette problématique : Comment optimiser la conception d’un bâtiment en bois net-zéro en tenant compte de plusieurs critères liés au bilan énergétique et en carbone?

L’objectif de la recherche

Ce projet vise à développer une méthodologie d’optimisation de la performance énergétique de bâtiments en bois de haute performance en tenant compte simultanément d’un ensemble de critères.

Méthodologie

Un ensemble d’indicateurs de performance sera d’abord élaborés et pourront toucher l’énergie, la structure, l’esthétisme, etc. Des outils de simulation de bâtiments seront ensuite intégrés dans une stratégie d’optimisation multi objectif, en incluant dans l’analyse les phases de construction, d’opération et déconstruction. Les bilans d’énergie, d’eau, de carbone seront optimisés sur le cycle de vie du bâtiment. Les éléments critiques de la conception seront mis en évidence afin d’aider les législateurs, les concepteurs et les opérateurs à réduire la trace environnementale des bâtiments. Une analyse de sensibilité sera réalisée pour évalue l’impact des paramètres incertains du problème. Finalement, à partir des familles de solutions optimales créées, une analyse multicritère sera élaborée pour faciliter le choix d’un design par des concepteurs.

Applications potentielles et retombées industrielles

Dans un premier temps, les outils développés pourraient être utilisés en pratique par les professionnels lors de la conception de bâtiments en bois. Cela permettra par exemple aux architectes et ingénieurs de définir les paramètres de conception d’un bâtiment en bois nette zéro qui minimise l’impact environnemental et le coût du bâtiment.

D’autre part, la méthodologie développée sera appliquée pour optimiser différents bâtiments types. Les résultats obtenus seront analysés pour mettre en évidence les combinaisons gagnantes, les règles générales qui se dégagent. Ces résultats correspondant à des compromis optimaux entre les fonctions et contraintes du bâtiment aideront à améliorer la conception des bâtiments. Enfin, ces mêmes résultats pourront être d’une grande utilité pour les acteurs municipaux et gouvernementaux, les firmes de génies conseils et les architectes qui s’intéressent à l’efficacité énergétique, à la réduction de l’empreinte écologique des bâtiments au Québec de même qu’à la valorisation du bois et de ses produits dérivés.

Problématique

Le bois est un matériau utilisé pour la construction et la décoration. C’est un matériau solide, léger, facile à utiliser et à transformer qui possède également de grandes qualités environnementales. Le bois est le seul matériau de construction renouvelable et exige aussi moins d’énergie de transformation que d’autres matériaux. Les revêtements de bois pour les applications extérieures sont soumis aux conditions atmosphériques telles que la lumière, l’oxygène, l’humidité, la moisissure et la pollution qui produisent une dégradation irréversible. Le rayonnement ultraviolet (UV) peut initier des réactions chimiques dans le bois ce qui en résulte à une décoloration et une perte des propriétés chimiques et physiques. Pour empêcher cette dégradation, on utilise des absorbeurs d’UV dans les revêtements. Pour certains de ces absorbeurs, leurs efficacités s’amenuisent dans le temps.

L’objectif de la recherche

Le projet a comme objectif général de développer un système de finition durable et transparent pour la protection contre les UV du revêtement et du bois et permettre le maintien des propriétés du produit dans le temps. Plus spécifiquement, le projet a pour objectif : – D’améliorer la durabilité d’un revêtement par une libération progressive de l’agent absorbant; – De mettre au point un système de libération basée sur la réponse à un stimulus extérieur (lumière); – D’établir des comparaisons entre les deux approches et déterminer l’efficacité des systèmes.

Méthodologie

Étude bibliographique des méthodes couramment utilisées dans l’industrie des peintures et vernis. Sélection de différents absorbeurs d’UV. Sélection de différentes méthodes d’encapsulation et polymères à tester. Étude des cinétiques de libération et diffusion. Comparaison des libérations prolongées (diffusion dans le temps) et des libérations programmées (réponse à un stimulus extérieur – les UV ou la lumière visible). Formulation de vernis de différentes compositions. Caractérisation et tests de vieillissement des revêtements les plus performants.

Applications potentielles et retombées industrielles

Ce projet de recherche est un projet lié à une problématique industrielle de valorisation de l’usage du bois pour des applications extérieures. Cette situation favorise l’émergence et l’utilisation de matériaux issus du bois qui, de toute évidence, augmentent la part de marché disponible aux produits forestiers. Grâce à des améliorations des revêtements anti-UV durables, l’utilisation de produits forestiers dans le domaine de la construction pourrait être augmentée. L’amélioration de la durabilité du bois permet aux entreprises des produits forestiers de résister à la concurrence et développer de nouveaux marchés.

Problématique

Avec la venue de concepts comme le développement durable et la protection de l’environnement, la société humaine tente de réduire les impacts néfastes qu’elle puisse provoquer sur l’écologie; le domaine du bâtiment n’y fait pas exception. En effet, les bâtiments représentent une importante source de consommation de ressources naturelles et d’énergie au Canada. Par ses propriétés écoresponsables, le bois représente une option réaliste pour pallier à ce problème, d’autant plus que les forêts abondent sur le territoire canadien. Or, malgré une certaine expertise sur la construction de bâtiments en bois en structure légère, le savoir canadien a tout de même ses limites, surtout par rapport au volet de l’efficacité énergétique; il n’y a encore peu de documentation par rapport à la performance énergétique des enveloppes de bâtiments basées sur le bois.

L’objectif de la recherche

Le projet de recherche a comme principal objectif d’évaluer la performance énergétique de bâtiments en bois existants ainsi que le confort thermique qu’ils confèrent en tenant compte de l’enveloppe de ces bâtiments, de leur système mécanique ainsi que du comportement de ses occupants.

Méthodologie

La Société d’Habitation du Québec (SHQ) a mandaté la construction d’un bâtiment multirésidentiel composé de deux structures symétriques mais indépendantes; l’une en panneaux lamellé-croisé (CLT) et l’autre en ossature légère. Par l’installation d’instruments de mesure dans son enveloppe, tels que des capteurs de température et des fluxmètres, et ailleurs dans le bâtiment, une collecte de données en temps réel permettra de documenter et d’analyser la performance énergétique du bâtiment.

En plus du suivi d’un bâtiment instrumenté, un modèle numérique sera produit sur le logiciel TRNSYS afin de permettre la simulation du comportement thermique des bâtiments en bois. Ainsi, les données recueillies seront non seulement employées pour une analyse directe de l’efficacité énergétique des deux enveloppes, mais également afin de valider la modélisation numérique. Une fois cette validation effectuée, les simulations nécessaires seront effectuées afin de comprendre l’influence de nombreux paramètres reliés à la composition et à l’utilisation des bâtiments.  Le projet touche ainsi autant au volet « conception » du cycle de vie des bâtiments qu’à celui de « l’opération ».

Applications potentielles et retombées industrielles

1. Documenter la performance énergétique et le confort des bâtiments en bois.
2. Faciliter la mise en place de bâtiments à faible consommation énergétique.
3. Augmenter le savoir québécois sur la construction de logements en bois lamellé-croisé (CLT).
4. Diminuer les émissions de carbone dans l’air dû à une hausse de l’utilisation du bois en tant que matériau de construction.

Problématique

Les bâtiments absorbent et relâchent constamment de la vapeur. En plus d’avoir des impacts sur l’énergétique du bâtiment, le transfert et l’accumulation de la vapeur peuvent endommager l’édifice. Le bois, notamment le CLT, possède une dynamique propre au niveau du transfert de masse dont il convient de quantifier l’impact sur le bâtiment et sur le contrôle optimal de ses systèmes mécaniques, et ce, selon différentes échelles de temps.

L’objectif de la recherche

L’objectif général du projet est d’étudier les différents échanges hygrothermiques se produisant à l’intérieur d’une enveloppe de bâtiment en bois dans le contexte québécois.

Les objectifs spécifiques du projet sont :

• Mettre en place un modèle numérique inverse, afin de trouver fidèlement les propriétés physiques de l’enveloppe
• Étudier expérimentalement la variabilité des propriétés de l’enveloppe, selon la méthode de construction et les matériaux utilisés

Méthodologie

Le projet sera réalisé de la manière suivante :

• Revue de littérature
• Mise en place du modèle mathématique
• Étude expérimentale
• Rédaction du mémoire

Applications potentielles et retombées industrielles

L’étude des propriétés hygrothermiques des enveloppes de bâtiment en bois permet de mieux comprendre l’évolution du taux d’humidité dans la structure du bâtiment. Il est ainsi possible de prévoir l’apparition et l’évolution de la moisissure dans celui-ci. Une meilleure compréhension de l’effet des différentes composantes d’une enveloppe peut aussi permettre une optimisation dans l’utilisation de ces matériaux. Ceci peut mener à une diminution des coûts lors de la construction et à une plus grande durée de vie utile du bâtiment. Ce projet peut apporter des bénéfices aux différentes compagnies œuvrant dans la production, la construction ou la conception d’enveloppes en bois.