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SHIRLEY GAGNON ÉNERGIE SOLAIRE ET ARCHITECTURE Les outils numériques et leur ut

SHIRLEY GAGNON ÉNERGIE SOLAIRE ET ARCHITECTURE Les outils numériques et leur utilisation par les architectes pour la conception solaire Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences de l’architecture pour l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.) ÉCOLE D’ARCHITECTURE DE L’UNIVERSITÉ LAVAL FACULTÉ D’AMÉNAGEMENT, D’ARCHITECTURE ET DES ARTS VISUELS UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 2012 © Shirley Gagnon, 2012 Résumé Cette recherche étudie la conception architecturale dans le but de déterminer comment l’utilisation des outils informatiques peut aider les architectes à intégrer les composantes solaires dans leurs projets. Elle a été réalisée dans le cadre de la Task 41 : Solar Energy and Architecture de l'International Energy Agency (IEA) dont les deux objectifs sont de soutenir le développement d’une architecture solaire de haute qualité et contribuer à l’amélioration des compétences des architectes dans ce domaine. De plus, cette recherche vise à décrire et comprendre les facteurs architecturaux qui influencent le développement d’une architecture solaire de qualité, en ce qui a trait à la pratique de l’architecture, aux principes fondamentaux de l’architecture solaire et à l’attitude des concepteurs. Afin de répondre à ces objectifs, la recherche utilise deux méthodes distinctes et complémentaires : un inventaire des outils informatiques pour l’architecture ainsi qu’une enquête internet auprès des concepteurs. La première partie de ce mémoire présente l’inventaire de 56 outils informatiques (CAAO, logiciels de visualisation et de simulation) utilisés par les architectes. Les résultats de l’analyse de cet inventaire révèlent les limites des outils solaires précis pour les premières étapes de conception, la spécialisation systémique des logiciels disponibles, l’absence de résultats numériques clairs pouvant appuyer la prise de décision en début de conception, un manque d'informations claires à propos du calcul du comportement de la lumière lors de la génération des images de synthèse, et les limites de la visualisation des systèmes solaires actifs. La deuxième partie de ce mémoire prend la forme d’une analyse complémentaire des données recueillies par une enquête internationale réalisée auprès de 350 professionnels du secteur du bâtiment. Les résultats démontrent que les répondants s’efforcent de concevoir des bâtiments solaires en utilisant surtout les principes solaires passifs (gains solaires thermiques et éclairage naturel) au meilleur de leurs connaissances. Malgré tout, l’enquête révèle certains obstacles liés aux outils informatiques et à leur utilisation, tels que leur complexité, l’investissement nécessaire en termes d’apprentissage et la faible intégration au processus normal de conception. Finalement, l’ensemble des résultats obtenus a permis de relever neuf actions potentielles pour poursuivre l’adaptation de la pratique actuelle de l’architecture vers une architecture solaire de qualité et la diffusion des connaissances relatives à l’architecture solaire. Abstract This research focuses on architectural design in order to determine how the use of software can help architects integrate solar energy components in their projects. This research was conducted as part of International Energy Agency (IEA) Task 41: Solar Energy and Architecture which pursued the following objectives: to support the development of a high quality solar architecture and to improve architects’ skills in this field. The third objective consisted of describing and understanding the factors that influence the architectural development of high quality solar buildings, in terms of architectural practice, solar architecture principles and architects’ attitude relative to solar design. To achieve these objectives, the research was carried out using into two distinct and complementary methods: an inventory of software used by architects and an online survey among buildings practitioners. The first part of the research presents results of a state-of-the-art review of 56 computer tools (CAAD, visualisation and simulation software) used by architects. The results reveal a lack of advanced solar tools for early design phase (EDP) work, systemic specialization of available software, a lack of clear numerical feedback yielding intelligent decisions at EDP, a lack of clear information about the validity of rendering algorithm, and a lack of tools for the architectural integration of active solar systems. The second part of the research presents an additional analysis of data collected by an international survey among 350 building practitioners. The results show that respondents develop solar buildings mainly by using passive solar principles (passive solar gain and daylighting) according to the best of their knowledge. The survey also revealed some barriers related to computer tools and their use, such as complexity, high learning curve and poor integration into the normal design process. Finally, the overall results identify nine potential actions to adapt the current architectural practice to a high quality solar design and dissemination of knowledge on solar architecture. Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier ma (co)directrice, Marie-Claude Dubois, qui m’a fortement encouragée à réaliser ce projet de recherche. Elle est de loin la personne qui s’est le plus impliquée dans mon travail et ce, malgré la distance. Elle a toujours su valoriser mes travaux et mes aptitudes. Je la remercie également, ainsi qu’à Ressources Naturelles Canada pour les bourses et subventions de déplacement qui m’ont donné l’opportunité de participer à la conférence Eurosun 2010, au Congrès de l’ACFAS en 2010, ainsi qu’à deux rencontres de la Tâche 41 de l’International Energy Agency (IEA) en Europe. Un merci particulier à Pierre Côté qui a pris le relais de ma direction de mémoire pour la fin de parcours, ainsi qu’à Geneviève Vachon et Carole Després pour leurs encouragements et l’intérêt porté à mon travail. A special thanks to Miljana Horvat, Jouri Kanters, Maria Wall and Émilie Bouffard for your kindness, your help and your support. I also thank all people from IEA Task 41 for your direct or indirect involvement in this research. J’aimerais aussi remercier mes amis, Véronique, Jean-Bruno, Jean-Philippe, Jean- Sébastien, Mathieu, Simon, Chantal, Alex, Marc, Andréanne, Sophie et tous les autres, qui ont tous su, chacun à leur manière, me divertir, m’écouter, me soutenir et surmonter mes humeurs, disons-le, plus que variables. Et plus que tout, je remercie mes parents, Arlene et Robert, sur lesquels je peux toujours compter. Merci de toujours m’encourager, me faire confiance et m’aimer. « The best and the most effective form of energy is thinking » Jörg Probst Table des matières Résumé .................................................................................................................................... i Abstract .................................................................................................................................... i Remerciements ....................................................................................................................... ii Table des matières ................................................................................................................ iv Liste des tableaux ................................................................................................................. vii Liste des figures ....................................................................................................................viii Introduction .............................................................................................................................1 L’énergie solaire et les bâtiments ......................................................................................3 Task 41 : Solar Energy and Architecture ...........................................................................6 Une analyse complémentaire ............................................................................................7 Cadre théorique ....................................................................................................................11 1 La pratique architecturale ................................................................................................11 1.1 La profession d’architecte .....................................................................................11 1.1.1 La pratique de l’architecture..........................................................................12 1.2 La conception architecturale.................................................................................13 1.2.1 Le processus de conception .........................................................................14 1.3 Les outils d’aide à la conception...........................................................................21 1.3.1 Les types d’outils numériques.......................................................................23 1.3.2 Les spécificités des outils numériques en architecture ................................25 1.4 Conclusion ............................................................................................................26 2 L’énergie solaire et l’architecture .....................................................................................28 2.1 L’architecture solaire .............................................................................................31 2.1.1 Le solaire passif ............................................................................................32 2.1.2 La lumière naturelle.......................................................................................34 2.1.3 Le solaire actif ...............................................................................................39 2.2 La conception solaire ............................................................................................42 2.2.1 Les premières étapes de conception............................................................43 2.2.2 Les connaissances du concepteur ...............................................................43 2.2.3 Les outils et méthodes de conception ..........................................................46 2.3 Conclusion ............................................................................................................47 v 3 Les outils numériques de conception architecturale .......................................................49 3.1 L’utilisation des logiciels de simulation par les architectes ..................................50 3.2 Les logiciels et les tâches architecturales à réaliser ............................................52 3.3 Les facteurs essentielles à l’utilisation des outils numériques.............................54 3.4 Les impacts sur la conception architecturale .......................................................62 3.5 Conclusion ............................................................................................................63 4 Méthode............................................................................................................................65 4.1 Les deux parties de la recherche .........................................................................65 4.2 Inventaire des logiciels en architecture ................................................................66 4.2.1 La cueillette des données et présentation de l’inventaire ............................67 4.2.2 L’analyse des logiciels ..................................................................................68 4.3 Enquête en ligne ...................................................................................................72 4.3.1 Le questionnaire............................................................................................74 4.3.2 Les méthodes de recrutement des répondants ............................................75 4.3.3 Les taux de réponse......................................................................................76 4.3.4 L’analyse des résultats de l’enquête internet ...............................................77 4.3.5 Les limites et biais possibles.........................................................................78 5 Résultats : High Quality Solar Architecture: Do Architects Have Tools Supporting Early Design Phase Decisions? ................................................................................................79 5.1 Résumé .................................................................................................................79 5.2 Abstract .................................................................................................................79 5.3 Introduction ...........................................................................................................80 5.3.1 Early Design Phase (EDP)............................................................................80 5.4 IEA Task 41: Solar Energy and Architecture – Subtask B: Methods and Tools for Solar Design .........................................................................................................81 5.5 Methods.................................................................................................................81 5.5.1 Objectives and scope of the State-of-the-art review ....................................82 5.5.2 Method of State-of-the-art .............................................................................82 5.6 Results of the State-of-the-art...............................................................................83 5.6.1 CAAD tools ....................................................................................................83 5.6.2 Visualization tools..........................................................................................85 5.6.3 Simulation tools .............................................................................................87 vi 5.7 Conclusion ............................................................................................................88 5.8 Limitations and wild cards.....................................................................................90 5.9 Acknowledgements ...............................................................................................90 5.10 References ............................................................................................................91 6 Résultats : Analyse complémentaire de l’enquête internet .............................................92 6.1 La synthèse du portrait des répondants ...............................................................92 6.2 Les questions relatives à la conception architecturale.........................................95 6.3 Les questions relatives à la conception solaire ..................................................115 6.4 Conclusion ..........................................................................................................142 Conclusions.........................................................................................................................145 Retour sur les conclusions de l’inventaire des logiciels ................................................145 Retour sur l’analyse complémentaire de l’enquête internet ..........................................148 Limites de la recherche ..................................................................................................151 Vers une architecture solaire de qualité ........................................................................153 Bibliographie .......................................................................................................................157 Annexe A : Correspondance avec les éditeurs ..................................................................167 Annexe B : Questionnaire de l’enquête internet.................................................................168 (version francophone) .........................................................................................................168 Annexe C : Questionnaire de l’enquête internet (version anglophone visuel web)...........179 Annexe D : Ensemble des commentaires recueillis à la question 13 ................................202 Liste des tableaux Tableau 1 : Tableau comparatif des définitions du processus de conception selon les auteurs retenus .............................................................................................................16 Tableau uploads/Ingenierie_Lourd/ climatisation-solaire.pdf