Surveillance du confort thermique à l’aide de jumeaux numériques

Les bâtiments et leurs jumeaux numériques

Les technologies numériques émergentes progressant à un rythme sans précédent, elles sont de plus en plus nombreuses à pouvoir seconder les exploitants et les gestionnaires de bâtiments dans la surveillance et l’optimisation des performances des bâtiments. Parmi ces technologies figurent la modélisation des données du bâtiment (BIM), l’Internet des objets (IdO) et la réalité virtuelle (RV) qui, combinés, créent un jumeau numérique, soit une réplique numérique quasi parfaite des entités physiques du bâtiment y compris les états passés et actuels de ces entités. La preuve est faite : la synergie entre les technologies numériques facilite l’exécution de tâches complexes dans différentes disciplines du génie.

La surveillance du confort thermique

L’exemple type d’un phénomène très complexe en génie du bâtiment est la notion de confort thermique, c’est-à-dire le niveau de satisfaction quant à la sensation de chaleur, de fraîcheur ou de constance à l’intérieur d’un bâtiment. En fait, les modèles existants d’évaluation du confort thermique exigent souvent des calculs mathématiques très complexes. Cette complexité inhérente rend impraticable la mesure précise et en temps réel du confort thermique dans les installations existantes. Pour relever ce défi, nous avons étudié l’avantage synergique de combiner les technologies BIM, IdO et RV, créant ainsi une application RV immersive de surveillance en temps réel du confort thermique dans les espaces intérieurs.

L’IdO pour la surveillance environnementale en direct

Pour les calculs de confort thermique, nous avons choisi le modèle PMV/PPD, recommandé dans la norme ASHRAE 55. Pour ce qui est de suivre les paramètres du modèle (température de l’air, humidité relative, vitesse de l’air et température radiante moyenne) nous avons conçu et implanté un système IdO (figure 1). Caractéristique intéressante du système de surveillance proposé : sa capacité à enregistrer la température radiante des principales surfaces intérieures (murs, plafonds et sols) à l’aide d’un capteur d’imagerie thermique économique et non intrusif intégré au réseau IdO. Empruntant certaines méthodes en vision par ordinateur, nous avons effectué une analyse en temps quasi réel des données de thermographie sur un appareil informatique abordable en périphérie (le Raspberry Pi).

Figure 1. Le système IdO comprenait deux principaux types de nœuds : l’un pour suivre la température de l’air, l’humidité relative et la vitesse de l’air (image de gauche), et l’autre pour suivre la température radiante moyenne des surfaces (image centrale). Les expériences ont été menées dans le salon d’un appartement du campus de l’ÉTS (la disposition du réseau de capteurs est illustrée sur l’image de droite).

Une expérience de surveillance semblable à un jeu vidéo

À l’aide d’un moteur de jeu ultra-puissant, nous avons produit une application RV qui offre une expérience immersive et intuitive de surveillance du confort thermique (captures d’écran de l’expérience RV présentées à la figure 2). L’application RV peut être utilisée avec différents casques RV qu’on peut facilement se procurer sur le marché. Pour créer l’environnement virtuel 3D principal, nous avons eu recours aux nombreuses données géométriques des espaces de bâtiments déjà fournies dans les modèles BIM. Nous avons ensuite ajouté une fonction de commande vue à la première personne. Ainsi, la personne qui porte le casque peut naviguer librement dans une réplique virtuelle de l’intérieur du bâtiment et observer les données en direct, le rayonnement des surfaces et les graphiques de confort thermique. À l’aide de l’interface RV, les utilisateurs peuvent interagir intuitivement avec l’environnement virtuel, en choisissant le niveau d’isolation des vêtements de l’occupant, et effectuer diverses analyses de cas possibles se basant sur les données sensorielles mesurées en direct et les modifications des paramètres de confort prédéfinis.

Figure 2. Captures d’écran de l’application RV : données sensorielles et graphiques de confort en direct (à gauche) ; suivi de la température radiante (au centre) ; menu de l’interface utilisateur (à droite).

Conclusion

Dans l’arène scientifique, l’originalité de notre étude réside dans les avantages synergiques de combiner trois technologies numériques (BIM, IdO et RV) créant des jumeaux virtuels d’espaces intérieurs pour la surveillance en direct des conditions de confort thermique (conformément à la norme ASHRAE 55). D’un point de vue pratique, le système proposé offre l’expérience immersive de déambuler dans des espaces virtuels et d’observer intuitivement des sensations thermiques réelles. Une application possible pour ce système pourrait être, par exemple, un décorateur d’intérieur ayant une formation artistique, mais peu habitué aux techniques approfondies d’évaluation du confort thermique. En naviguant dans les espaces virtuels et il pourrait repérer facilement les endroits d’inconfort, lui permettant de prendre des décisions éclairées sur l’aménagement de l’espace, sans avoir à être réellement présent dans l’espace physique.

Information supplémentaire

Pour plus d’informations sur le sujet, lire l’article suivant :

Shahinmoghadam, M. ; Natephra, W.; Motamedi, A. 2021. “BIM- and IoT-based virtual reality tool for real-time thermal comfort assessment in building enclosures.” Building and Environment, Volume 199, 107905, ISSN 0360-1323.