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  • Appliquer la physique à la conception de bâtiments écoénergétiques

    Le professeur Reinhart (à gauche) et l'étudiante diplômée en architecture Hellen Rose Anyango Awino discutent d'un devoir de classe sur la mesure du confort thermique. Crédit :Kelley Travers/MITEI

    Développer un bâtiment parfaitement économe en énergie est relativement facile à faire, si vous ne laissez aucun contrôle aux occupants du bâtiment sur leur environnement. Puisque personne ne veut ce genre de bâtiment, Le professeur Christoph Reinhart a concentré sa carrière sur la recherche de moyens de rendre les bâtiments plus économes en énergie tout en gardant à l'esprit les besoins des utilisateurs.

    « À ce stade de la conception des bâtiments, la plus grande incertitude vient du comportement des utilisateurs, " dit Reinhart, qui dirige le laboratoire de conception durable du département d'architecture du MIT. "Une fois que vous comprenez le flux de chaleur, c'est une science très exacte de voir combien de chaleur ajouter ou retirer d'un espace."

    Formé en physique, Reinhart s'est tourné vers l'architecture parce qu'il voulait appliquer les concepts scientifiques qu'il avait appris pour rendre les bâtiments plus confortables et économes en énergie. Aujourd'hui, il est internationalement connu pour son travail dans ce que les architectes appellent « l'éclairage naturel » – l'utilisation de la lumière naturelle pour éclairer l'intérieur des bâtiments – et l'analyse de la performance environnementale des bâtiments au niveau urbain. Les outils de conception issus de son laboratoire sont utilisés par des architectes et des urbanistes dans plus de 90 pays.

    Les travaux du Sustainable Design Lab ont également produit deux entreprises dérivées :Mapdwell, qui fournit des analyses coûts-bénéfices individualisées pour l'installation de panneaux solaires ; et Solemme, qui fournit des outils d'analyse environnementale tels que DIVA-for-Rhino, un composant logiciel de modélisation de l'éclairage naturel et de l'énergie hautement optimisé. Reinhart est co-fondateur et conseiller en développement stratégique chez Mapdwell, et il est PDG de Solemma.

    À travers tout ça, la physique est restée un pilier central. "Tout ce que notre laboratoire développe est basé d'abord sur la physique, " dit Reinhart, qui a obtenu une maîtrise en physique de l'Albert Ludwigs Universität à Fribourg, Allemagne, et l'Université Simon Fraser à Vancouver, Canada.

    Informer la conception

    Un écologiste de longue date, Reinhart dit qu'il a été inspiré pour étudier l'architecture en partie par les travaux de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire, qui a construit une maison solaire complètement autosuffisante à Fribourg au début des années 90.

    En finissant son mémoire de maîtrise, Reinhart dit, il a également lu un article suggérant que des caractéristiques telles que la couleur peuvent être plus importantes que les performances pour les architectes choisissant un système solaire - une idée qui l'a poussé à trouver des moyens de donner aux architectes les moyens de prendre en compte l'esthétique et les performances environnementales de leurs conceptions en même temps. . Il a commencé cet effort en enquêtant sur la lumière du jour à l'Université technique de Karlsruhe, Allemagne.

    La lumière est incroyablement importante du point de vue de la conception - les architectes parlent de "peinture avec la lumière" - mais il existe également des défis techniques importants liés à l'éclairage, comme la gestion de la chaleur et de l'éblouissement, dit Reinhart.

    « Vous avez besoin de bons modèles de ciel et de bons outils de rendu pour modéliser la lumière. Vous avez également besoin de l'informatique pour le rendre plus rapide, mais ce ne sont que les bases, " dit Reinhart, notant que la prochaine étape consiste à examiner comment les gens perçoivent et utilisent la lumière naturelle. "Cette façon de penser vraiment nuancée est ce qui rend l'éclairage naturel si amusant et intéressant."

    Par exemple, les concepteurs rendent généralement les bâtiments avec tous les stores ouverts. S'ils apprennent que les gens garderont les stores baissés 90 % du temps avec un design donné, ils sont susceptibles de le repenser, Reinhart dit, parce que "personne ne veut ça".

    Le logiciel d'analyse de la lumière du jour développé par l'équipe de Reinhart en 1998 fournit justement ce genre d'informations. Connu sous le nom de DAYSIM, il est maintenant utilisé partout dans le monde pour modéliser la disponibilité annuelle de la lumière du jour dans et autour des bâtiments.

    Reinhart a également publié des manuels sur l'éclairage naturel :"Daylighting Handbook I:Fundamentals and Designing with the Sun" a été publié en 2014, et un deuxième tome, « Manuel de l'éclairage naturel II :Simulations de la lumière du jour et façades dynamiques, " est sorti en octobre dernier.

    "L'éclairage naturel était vraiment ma première entrée dans l'architecture, " dit Reinhart, notant qu'il trouve formidable que le domaine combine une "science solide comme le roc" comme la modélisation du ciel avec des questions plus subjectives liées à l'expérience des utilisateurs, telles que :« Quand la lumière du soleil est-elle un handicap ? » et « Quand ajoute-t-il un intérêt visuel ? »

    Enseigner et conseiller

    Après avoir obtenu son doctorat en architecture à l'Université technique en 2001, Reinhart a enseigné brièvement à l'Université McGill au Canada avant d'être nommé professeur agrégé d'architecture à la Graduate School of Design de l'Université Harvard. En 2009, le forum étudiant l'a nommé membre du corps professoral de l'année.

    En 2012, il a rejoint la faculté du MIT, où il supervise généralement sept ou huit étudiants diplômés, dont environ trois travaillant sur leur doctorat. Souvent, il a également des étudiants qui travaillent dans son laboratoire dans le cadre du programme d'opportunités de recherche de premier cycle. Plusieurs étudiants se spécialisant en informatique se sont révélés particulièrement utiles, il dit.

    "C'est incroyable ce que les étudiants du MIT peuvent mettre en œuvre, " il dit.

    Reinhart est également instructeur, bien sûr, notamment l'enseignement 4.401/4.464 (Technologies de l'environnement dans le bâtiment), qui se concentre sur la façon d'évaluer l'efficacité énergétique des bâtiments.

    "Il n'y a rien de plus amusant, surtout dans une institution comme le MIT, que d'enseigner ces concepts, " il dit.

    La MIT Energy Initiative (MITEI) travaille maintenant à rendre ce sujet disponible en ligne via MITx, et la classe devrait faire partie d'un certificat d'études supérieures prévu en énergie, selon Antje Danielson, directeur de l'éducation du MITEI.

    Modélisation à l'échelle de la ville

    Pendant ce temps, Reinhart a étendu ses propres recherches à la modélisation de l'utilisation de l'énergie au niveau de la ville. En 2016, lui et ses collègues ont dévoilé un modèle énergétique pour Boston qui estime les besoins en gaz et en électricité de chaque bâtiment de la ville et son équipe a depuis évalué d'autres zones urbaines.

    Ce travail a souligné pour lui l'importance du comportement des utilisateurs dans le calcul de la consommation d'énergie.

    "Pour un bâtiment individuel, vous pouvez avoir une idée du comportement des utilisateurs, mais si vous voulez modéliser une ville entière, ce problème explose sur toi, " dit Reinhart, notant que son équipe utilise des méthodes statistiques telles que l'étalonnage bayésien pour déterminer les comportements probables.

    Essentiellement, ils collectent des données sur la consommation d'énergie et entraînent l'ordinateur à reconnaître différents scénarios, comme l'énergie utilisée par différents nombres de personnes et d'appareils.

    « Nous lançons 800 comportements d'utilisateurs sur un échantillon de bâtiments, et puisque nous savons combien d'énergie ces bâtiments consomment réellement, nous ne gardons que les modèles de comportement qui nous donnent la bonne utilisation de l'énergie, " dit Reinhart, expliquant que la répétition du processus produit une courbe qui indique les utilisations les plus probables des bâtiments. "Nous ne savons pas exactement où sont les gens, mais au niveau urbain, nous avons raison."

    Déterminer comment l'énergie est utilisée à cette large échelle fournit des informations essentielles pour répondre aux besoins du système énergétique dans son ensemble, dit Reinhart. C'est pourquoi Reinhart travaille actuellement avec Exelon Corporation, un important fournisseur national d'énergie, pour évaluer la consommation d'énergie à Chicago. "Nous pouvons dire, encourageons ce genre de mises à niveau et garantissons à peu près que c'est ainsi que la charge énergétique dans un quartier ou pour des sous-stations particulières changera - ce qui est exactement ce que les services publics veulent savoir, " il dit.

    Le lien alimentation-énergie-eau

    Récemment, Reinhart a également commencé à rechercher des moyens de rendre la production alimentaire plus économe en énergie et plus durable. Son laboratoire développe un composant logiciel qui peut estimer les rendements alimentaires, consommations associées d'énergie et d'eau, et les émissions de carbone qui en résultent pour différents types de fermes urbaines.

    Par exemple, l'agriculture hydroponique en conteneurs - un système de culture d'aliments sans sol à l'intérieur de quelque chose comme un conteneur d'expédition - est maintenant promue par des entreprises dans certaines villes, y compris Boston. Ce système utilise généralement plus d'électricité que l'agriculture conventionnelle, mais que la consommation d'énergie peut être plus que compensée par la réduction des besoins de transport, dit Reinhart. Déjà, L'équipe de Reinhart a montré que l'agriculture sur toit et en conteneurs sur les terres disponibles à Lisbonne, Le Portugal, pourrait théoriquement répondre à la demande totale de légumes de la ville.

    Ce travail explore le lien entre la nourriture, énergie, et l'eau n'est que le prochain niveau de complexité pour Reinhart dans une carrière dédiée à faire avancer l'aiguille de la durabilité. Heureusement, il n'est pas seul dans son travail; il a envoyé une foule de jeunes universitaires dans le monde pour travailler sur des problèmes similaires.

    Les anciens étudiants diplômés de Reinhart travaillent maintenant dans des universités telles que Cornell, Harvard, Syracuse, et l'Université de Toronto, et il continue de collaborer avec eux sur des projets.

    C'est comme avoir une famille qui s'agrandit, dit Reinhart, un père de deux enfants. "Les étudiants ne partent jamais. C'est comme les enfants."

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.




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