Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
Cette étude emploie un cadre d'optimisation multi-objectif basé sur des métamodèles intégrant DesignBuilder, EnergyPlus, BPNN et NSGA-II afin d'identifier les stratégies de rénovation optimales pour les espaces commerciaux souterrains qui équilibrent l'intensité de la consommation d'énergie, le confort thermique et les coûts d'investissement, tout en révélant les compromis clés et les facteurs d'influence dominants.
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Sous la surface des campus universitaires, une révolution discrète dans notre façon de concevoir les bâtiments est en train de s'opérer. Il ne s'agit pas des bureaux ensoleillés ou des tours résidentielles auxquelles nous sommes habitués, mais d'espaces commerciaux souterrains : des aires de restauration animées, des boutiques de détail et des lieux de rassemblement enfouis sous la terre. Parce qu'ils sont dépourvus de fenêtres et de lumière naturelle, ces environnements dépendent entièrement de machines pour faire circuler l'air, maintenir la lumière et assurer un confort thermique. Cette dépendance massive crée un équilibre difficile à maintenir. Si vous réduisez la puissance des machines pour économiser de l'électricité, l'espace peut devenir étouffant ou trop froid. Si vous les poussez au maximum pour garantir le confort, la facture énergétique grimpe en flèche. Pendant des décennies, les ingénieurs ont tenté de résoudre ces problèmes en examinant un facteur à la fois, mais une nouvelle étude suggère que la solution réside dans la compréhension de la manière dont ces facteurs se combattent et collaborent. L'objectif n'est plus seulement d'économiser de l'énergie, mais de trouver un point d'équilibre où le confort, le coût et l'efficacité peuvent coexister sans que l'un ne détruise les autres.
Des chercheurs de l'Université de technologie minière de Chine ont porté leur attention sur une cafétéria souterraine spécifique de leur campus de Xuzhou, un espace composé de stands de nourriture, d'un petit supermarché et de zones de restauration. Ils voulaient voir s'ils pouvaient repenser le fonctionnement de cet espace pour qu'il soit meilleur pour la planète, pour le portefeuille et pour les personnes à l'intérieur. Pour ce faire, ils ont construit un jumeau numérique détaillé du bâtiment, un modèle virtuel capable de lancer des milliers de simulations pour voir ce qui se passerait s'ils modifiaient tout, de l'épaisseur des murs aux réglages de température des climatiseurs. Ils n'ont pas fait de suppositions ; ils ont alimenté le modèle avec des données réelles sur le nombre de visiteurs, l'équipement utilisé et le comportement réel du bâtiment. Ensuite, ils ont utilisé un algorithme informatique puissant pour tester des millions de combinaisons différentes de changements, à la recherche des meilleurs résultats possibles.
L'étude s'est concentrée sur trois objectifs principaux qui tirent souvent dans des directions opposées. Le premier était la consommation d'énergie, mesurée par la quantité d'électricité consommée par mètre carré par an. Le deuxième était le confort thermique, qu'ils ont suivi en comptant les heures où la température était trop chaude ou trop froide pour que les gens se sentent à l'aise. Le troisième était le coût des changements eux-mêmes, calculé comme l'investissement annuel nécessaire pour réaliser les améliorations. Les chercheurs ont constaté que le bâtiment d'origine, non modifié, consommait environ 248 kilowattheures par mètre carré par an et laissait les gens inconfortables pendant près de 2 813 heures par an. Lorsqu'ils ont laissé l'ordinateur chercher la solution parfaite, il a révélé une réalité brutale : on ne peut pas tout avoir. Le meilleur scénario possible pour économiser l'énergie résultait en un bâtiment nettement moins confortable, tandis que le scénario rendant les gens les plus à l'aise nécessitait un bond massif de la consommation d'énergie.
Au lieu de choisir un vainqueur, les chercheurs ont cartographié un paysage de compromis, connu sous le nom de frontière de Pareto. Cette carte montrait que pour chaque étape vers des factures d'énergie plus basses, il y avait une étape correspondante vers plus d'heures d'inconfort, et vice versa. Ils ont identifié que les leviers de changement les plus puissants n'étaient pas les murs ou le toit, mais la manière dont le bâtiment est géré. Les réglages de température des systèmes de chauffage et de refroidissement, la quantité d'air frais apporté de l'extérieur et le nombre de personnes à l'intérieur étaient les facteurs dominants. Étonnamment, le simple fait d'ajouter plus d'isolation sur les murs souterrains avait un effet bien moindre que prévu, car la terre entourant le bâtiment fournit déjà une température stable. L'étude a montré que les gains les plus importants provenaient de l'ajustement des opérations internes : réduire la puissance de l'éclairage et des équipements, régler la climatisation pour qu'elle soit légèrement moins stricte et gérer soigneusement la quantité d'air frais pompée.
À partir de ce réseau complexe d'options, les chercheurs ont sélectionné une solution « globalement optimale » qui offrait le meilleur équilibre. Ce plan recommandé augmenterait légèrement la consommation d'énergie à environ 285 kilowattheures par mètre carré, mais réduirait le temps d'inconfort de près de neuf pour cent, ramenant le total à environ 2 563 heures. Le coût de mise en œuvre de ces changements serait modeste, s'élevant à environ 22 yuans par mètre carré par an. Cette solution n'atteignait pas la consommation d'énergie la plus basse ni le confort absolu, mais elle évitait les coûts extrêmes et les mauvaises performances des autres options. Elle a prouvé qu'en effectuant de petits ajustements coordonnés sur le fonctionnement du bâtiment, plutôt qu'en transformant sa structure physique, les gestionnaires peuvent créer un espace efficace, confortable et abordable.
Ces conclusions remettent en question l'idée reçue selon laquelle réparer un bâtiment souterrain nécessite des constructions lourdes et coûteuses. L'étude suggère que la voie la plus efficace consiste à donner la priorité à la manière dont l'espace est exploité. En affinant les réglages de température, en réduisant la puissance de l'éclairage et des équipements et en gérant le flux d'air, les opérateurs peuvent obtenir une amélioration significative sans se ruiner. Cette approche offre un modèle pratique pour les universités et d'autres institutions qui dépendent de ces espaces souterrains. Elle montre que l'avenir des bâtiments écologiques dans ces environnements uniques ne réside pas dans la construction de murs plus épais, mais dans une réflexion plus approfondie sur les systèmes invisibles qui maintiennent l'espace en vie. La recherche fournit un guide clair et fondé sur les données pour prendre ces décisions difficiles, garantissant que les espaces souterrains de demain ne soient pas seulement économes en énergie, mais aussi des lieux où les gens ont réellement envie d'être.
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