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Thèse Année : 2022

Identification of the intrinsic energy performance of multi-family housing and tertiary sector buildings from in-situ measurements

Identification de la performance énergétique intrinsèque des bâtiments collectifs et tertiaires à partir de mesures in-situ

Lorena de Carvalho Araujo
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1191577
  • IdRef : 263400816

Résumé

Building energy efficiency is a key factor in reducing CO2 emissions and assuring thermal comfort for inhabitants. EU member states are committed to increasing building energy performance to meet the criteria set by the Energy Performance in Buildings Directive (EPBD). Despite the endorsement of building regulations, the as-built energy performance commonly presents a discrepancy with the predicted one, the so called energy performance gap. To close this gap, it is important to have reliable performance indicators to assure new building quality and to estimate the improvements achieved after renovation works. The application of in-situ methods after construction or retrofitting phases enables the measurement of performance indicators, as the whole heat loss coefficient (HLC) and the transmission heat transfer coefficient (HTC). Different in-situ methods for estimating building energy performance are nowadays available with various protocols, mathematical principles and domains of applicability. Among them, the methods relying on fast duration protocol have been mainly conceived for applying in single-family houses. However, multi-family housings and tertiary sector building account for an important part of the building stock, presenting them a relevant potential for energy savings. The current work studies the applicability of a short duration test for identifying the HTC and HLC in large buildings and how to improve the method protocol. The ISABELE method was chosen to be applied to large building typologies. This method was initially conceived to identify the envelope thermal performance of vacant single-family houses. The first challenge encountered for achieving the adaptation objective is related to building dimensions, which hinders the protocol logistics. For facing this problem, two main approaches were considered. The first consists of applying the protocol to the whole building, using the local heating system. This approach is however limited to the conditions of the local system and impacts globally the building normal usage. The second approach is based on the protocol application to parts of the building, where samples of the building envelope have their thermal performance verified. In this case, the main difficulty is related to the heat flow passing through the shared walls. These walls are typically less insulated than the exterior walls, which facilitates the heat flow during an in-situ test and can potentially behave as a noise in the HTC and HLC indicators. Another challenge in this approach concerns the meaning of the final indicator, which is related to just part of the building envelope. Both approaches present their advantages and drawbacks, this is why they have been further investigated to verify their potentials and limits. The investigation work was based on virtual simulation with the use of Pléiades + Comfie for improving the method protocol and studying its limits. Later, both approaches were applied to real buildings to enhance the comprehension of their feasibility in-situ. This work proposes a framework for assessing reliable results of HLC and HTC in large building typologies, based on the ISABELE method. The conclusions of this study are a product of the choices made to face the encountered challenges of adapting this method. As there is a wide space of possibilities to be tested concerning the methods, the building characteristics and weather conditions, many of them were not further studied and constitute part of the outlooks. Nevertheless, similar reasoning could be applied to the adaptation of other methods to large building typologies. The process of adapting a method for the intrinsic building energy performance identification out of its original limits is therefore the main contribution of the present work to the field.
L'efficacité énergétique des bâtiments est un facteur clé pour réduire les émissions de CO2. Les États membres de l'UE se sont engagés à améliorer celle-ci afin de répondre aux critères fixés par la directive sur la performance énergétique des bâtiments. Malgré l'adoption de réglementations dans le domaine, la performance énergétique réelle présente souvent un écart par rapport à celle prévue. Afin de combler cet écart, il est important de disposer d'indicateurs de performance fiables pour garantir la qualité des bâtiments. L'application de méthodes in-situ après les phases de construction ou de rénovation permet de mesurer des indicateurs de performance, tels que le coefficient de perte de chaleur totale (HLC) ou le coefficient de transfert de chaleur de transmission (HTC). Différentes méthodes in-situ d'estimation de la performance énergétique des bâtiments sont aujourd'hui disponibles avec des protocoles, des principes mathématiques et des domaines d'application variés. Parmi ces méthodes, celles avec un protocole de mesure rapide ont été principalement conçues pour être appliquées aux maisons individuelles. Cependant, les logements collectifs et les bâtiments tertiaires représentent une part importante du parc immobilier, ce qui leur confère un potentiel important d'économies d'énergie. Le présent travail étudie l'applicabilité d'une méthode de courte durée pour des bâtiments de grande taille. La méthode ISABELE a été choisie pour être adaptée à cette typologie de bâtiment. Cette méthode a été initialement conçue pour identifier la performance thermique de l'enveloppe de maisons individuelles. Le premier défi rencontré dans l'adaptation de cette méthode est lié aux dimensions importantes des bâtiments collectifs et tertiaires. Pour faire face à ce problème, deux approches principales ont été envisagées. La première consiste à appliquer le protocole à l'ensemble du bâtiment, en utilisant le système de chauffage présent sur place. Cette approche est toutefois conditionnée par les limites du système local et la contrainte d’immobilisation du bâtiment entier au cours de l’essai. La deuxième approche est basée sur l'application du protocole à certaines parties du bâtiment, avec un échantillonnage de son enveloppe. Dans ce cas, la principale difficulté est liée au flux de chaleur au sein des murs mitoyens. Ces murs sont généralement moins isolés que les murs extérieurs, ce qui facilite le flux de chaleur pendant un test in-situ et peut se comporter comme un bruit dans les indicateurs HTC et HLC. Les deux approches présentent leurs avantages et leurs inconvénients, c'est pourquoi elles ont été étudiées plus en détail pour vérifier leurs potentiels et leurs limites. Le travail d'investigation a été basé sur la simulation virtuelle avec l'utilisation du logiciel Pléiades + Comfie afin d’améliorer le protocole de la méthode et étudier ses limites. Par la suite, les deux approches ont été appliquées à des bâtiments réels afin d'améliorer la compréhension de leur faisabilité in-situ. Ce travail propose un cadre pour évaluer de manière fiable les coefficients HLC et HTC dans les typologies de grands bâtiments en se fondant sur la méthode ISABELE. Les conclusions finales de cette étude sont le produit des choix effectués pour faire face aux défis rencontrés lors de l'adaptation de cette méthode. En raison du large espace de possibilités à tester, concernant les méthodes, les caractéristiques des bâtiments et les conditions météorologiques, beaucoup d'entre elles n'ont pas été étudiées plus avant et font partie des perspectives. Néanmoins, un raisonnement similaire pourra être appliqué à l'adaptation d'autres méthodes à de grandes typologies de bâtiments. Le processus d'adaptation d'une méthode d'identification de la performance énergétique intrinsèque d-'un bâtiment en dehors de ses limites initiales est donc la principale contribution du présent travail dans ce domaine.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03864758 , version 1 (22-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03864758 , version 1

Citer

Lorena de Carvalho Araujo. Identification of the intrinsic energy performance of multi-family housing and tertiary sector buildings from in-situ measurements. Mechanics [physics]. Université de Bordeaux, 2022. English. ⟨NNT : 2022BORD0105⟩. ⟨tel-03864758⟩
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