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Design and Engineering Award Winner 2019

Façonner des tours de grande hauteur pour répondre aux futurs codes de l’énergie, par Stantec

Les grands développements commerciaux nécessitent souvent la réalisation des constructions en plusieurs phases. Chaque phase doit être conforme au code de l’énergie au moment de la demande de permis, ce qui correspond, en Colombie-Britannique, à différentes étapes du Energy Step Code ou du Zero Emissions Building Plan de la ville de Vancouver. Ces codes stipulent des normes de performances qui peuvent être respectées grâce à des milliers de solutions de conception. Afin d’identifier les options de conception appropriées et souhaitables, nous avons développé un flux de travail parallèle pour la simulation et pour l’analyse de la sensibilité des données afin d’explorer rapidement un grand nombre de solutions potentielles.

Historiquement, il n’était pas rare de concevoir une tour en se basant uniquement sur des besoins non énergétiques  tels que les vues, la taille de l’appartement, l’esthétique, etc. — puis de calculer les niveaux de performance de l’enveloppe requise et les performances des systèmes mécaniques. Au lieu de cela, dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la façon dont ces niveaux de performance sont affectés par la forme du bâiment, l’orientation, le ratio fenêtre-mur (WWR) et la position du noyau de circulation. Afin d’assurer la réduction de la consommation annuelle d’énergie, nous avons analysé les données à grande échelle pour faire des choix éclairés. Certaines recommandations clés issues de l’étude sont résumées ici.

L’étude utilise le flux de travail et les scripts suivants pour examiner et croiser la conception architecturale avec la modélisation paramétrique et la simulation et de l’évaluation des performances des bâtiments (voir figure 1). Dans cette étude, les géométries des bâtiments sont configurées dans Rhino / Grasshopper, puis simulées dans Honeybee à l’aide d’EnergyPlus. Le modèle n’inclut pas les systèmes CVC mais utilise des «charges d’air idéales». La ventilation de récupération de chaleur est fixée à 65% qui l’usage sur le marché actuel. Le «mode économiseur» de l’air extérieur est désactivé, ce qui signifie que le potentiel de refroidissement «libre» grâce à l’augmentation des débits d’air extérieur lorsque les températures le permettent, n’est pas pris en compte dans cette étude. Les simulations paramétriques incluent:

  1. Type de sol (voir figures 2 et 3)
  2. Orientation (voir figure 4)
  3. Rapport fenêtre / mur (voir figure 5)
  4. Profondeur du brise-soleil (voir figure 6)
  5. Performances thermiques des murs et des fenêtres (voir les figures 7 et 8)

L’étude évalue la conception d’un bâtiment de grande hauteur dont les performances thermiques du toit et du sol ont un impact négligeable sur les besoins énergétiques globaux, malgré leur importance pour d’autres raisons (confort, durabilité). D’autres paramètres de simulation tels que le calendrier de chauffage/refroidissement et le point de consigne, sont conformes aux directives de modélisation de la ville de Vancouver (version 2.0), comme l’exigent le BC Building Code et le Vancouver Building By-Law. Les mesures de performance du bâtiment et les résultats de simulation incluent l’intensité de la demande d’énergie thermique (TEDI), l’énergie de refroidissement et l’intensité totale d’utilisation d’énergie (EUI ou TEUI).

Le modèle énergétique simule toutes les combinaisons des paramètres de simulation énumérés ci-dessus, générant ainsi des milliers de simulations de modèles énergétiques et l‘ensemble des résultats, soit 5760 modèles énergétiques individuels dans ce cas. Pour traiter les données, celles-ci sont représentées en coordonnées parallèles avec une visualisation interactive basée sur un navigateur avant d’être analysées à l’aide de méthodes statistiques (voir les figures 9 et 10).

Avec une très grande quantité de données simulées, nous pouvons travailler en amont à partir des cibles du code énergétique pour trouver les meilleures correspondances. Les recommandations pour l’analyse de conformité au  Step Code Compliance Analysis sont résumées dans le tableau 1.

L’étape 2 du Step Code Compliance Analysis peut être respectée par la plupart des choix relatifs au plan d’étage courant, à la forme et à l’’enveloppe mais les étapes 3 et 4 apportent des limitations importantes. L’étape 3 élimine les options d’isolation inférieures de la forme carrée articulée et de la forme rectangle avec le noyau central. L’étape 4 privilégie un type de plancher plus compact dans la forme carrée ou un plan d’étage avec le noyau de circulation positionné du côté nord du bâtiment, ce qui reflète un choix plus stratégique.

la configuration du plan d’étagea un impact significatif sur la performance énergétique. La forme du carré articulé a plus de surface d’enveloppe pour la même surface au sol de l’espace de vie (facteur de forme). Il en résulte une mauvaise performance énergétique en raison de l’augmentation de la zone de transfert de chaleur. Cependant, si la configuration du plan est bien rééléchie, en comparant le carré articulé avec le rectangle, nous constatons qu’un facteur de forme plus élevé n’entraîne pas nécessairement une performance énergétique moins optimale. L’impact de différentes configurations des plans d’étage peut être compris si nous comparons deux  formes rectangulaires : l’une  avec  un noyau central et l’autre avec le noyau latéral, en façade nord du bâtiment. Le plan d’étage rectangulaire avec le noyau au centre ne peut répondre qu’aux exigences de l’étape 4 avec deux variantes d’exigence très élevées dans tous les autres paramètres. Mais le plan d’étage rectangulaire avec le noyau sur la façade nord, à l’inverse, peut répondre à l’étape 4 avec  une plus large gamme d’options. Cela est dû en grande partie au fait que le noyau de l’escalier a un point de consigne de chauffage inférieur et que son épaisseur a une masse thermique élevée, sans pour autant limiter le chauffage solaire passif sur la façade sud.

Les résultats de l’analyse de sensibilité multivariée (Multivariate Sensitivity Analysis) sont résumés dans le tableau 2. Il montre que, pour diminuer efficacement le TEDI, une diminution de la valeur U de la fenêtre et du WWR est beaucoup plus efficace que l’ajout d’isolant au mur lorsque la valeur R est déjà relativement élevée. De plus, la profondeur des nuances ne semble pas affecter de manière significative le TEDI, bien qu’il s’agisse d’une réductionde l’ensoleillement  pour diminuer les besoins en énergie de refroidissement, des brises-soleil plus profonds ou des WWR inférieurs sont  plus efficaces. Cela contribue à réduire l’IUE.

Sur la base de cette analyse, il est recommandé, dès les premiers stades de  la conception d’une tour, de tenir compte des interactions de la configuration du plan , du WWR, des dimensions des brises-soleil afin de garantir une conception cohérente et d’éviter une isolation importante, notamment via des performances des fenêtres couteuses. Comme le montre l’étude, les exigences plus strictes des codes de l’énergie n’excluent pas nécessairement un WWR élevé ou des options de valeur R de mur modérées. Dans certains cas, des murs moins isolés (R-10) pourraient toujours être utilisés avec une configuration de plan appropriée.

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Stantec

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