SOLAR Club
La maison intelligente
Une maison à l'image de l'homme
Nicolas Morel, Pierre Blatti

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Application de l'intelligence virtuelle
    Conventionnellement, l'automatisation fonctionne à partir de courbes calculées selon des moyennes de départ. Or, au Leso, les courbes sont reprogrammées chaque jour et l'intelligence artificielle va étudier et apprendre à s'adapter aux conditions de vie des personnes. Le système élaboré par le Leso va changer de lui-même ses algorithmes. Certes, il existe déjà par exemple de nombreux stores commandés automatiquement, mais dans la plupart des cas, le résultat n'est pas satisfaisant, pour diverses raisons, dont la plus importante est la non prise en considération des voeux des utilisateurs. A Lausanne, les chercheurs ont travaillé à l'élaboration d'un algorithme de contrôle des stores qui s'adapte progressivement aux voeux des utilisateurs. Finalement, ce dernier n'a plus besoin d'intervenir manuellement puisque le système apprend les préférences de l'utilisateur. Il en va de même pour tous les autres systèmes de réglage implémentés au Leso-PB (chauffage et éclairage artificiel).

Un projet international
    C'est notamment au cours du projet européen Edificio [2] qu'a été élaborée cette intelligence artificielle, permettant de contrôler les installations du bâtiment telles que le chauffage, le refroidissement, la ventilation, les stores ou encore l'éclairage artificiel et ce, de façon intégrée et optimale. La démonstration expérimentale de ces algorithmes par simulation et par la mesure sur trois bâtiments choisis de façon à couvrir l'ensemble des climats européens (Catane en Italie, Lausanne en Suisse et Helsinki en Finlande) fait aussi partie de ce projet.

Habiter son laboratoire
    Entouré d'un complexe plutôt hightech, le bâtiment Leso semble d'une autre époque avec ses murs étranges.

Fig. 1 Coupe verticale de la nouvelle façade sud
A gauche: vue des trois étages avec l'installation photovoltaïque; à droite: vue d'une pièce

Réalisé en 1981, afin de permettre de tester «in situ» des façades solaires expérimentales, le bâtiment a été récemment équipé d'une nouvelle façade, après presque 20 ans d'expérimentations de divers composants modulaires, complètement démontables au gré des expériences. Conçue pour respecter les critères du développement durable, et notamment une consommation d'énergie très faible par rapport à la moyenne suisse, la façade assure également aux occupants du bâtiment un confort optimal. Un confort que les scientifiques souhaitent non seulement visuel mais aussi thermique et de qualité de l'air.

Fig. 2 Comparaison entre un système anidolique et une fenêtre standard
Ces deux images, générées par un programme de lancer de rayon («ray-tracing»), montrent clairement, par comparaison entre une fenêtre conventionnelle (à gauche) et un système anidolique (à droite), le supplément d'éclairage naturel assuré au fond de la pièce par le système anidolique.

La façade anidolique
    Chaque bureau du Leso a donc sa façade sud vitrée jusqu'à la moitié de sa hauteur environ, alliant en son sein vitres, bois et miroirs (fig. 1). Des stores externes peuvent être positionnés en fonction de la protection solaire désirée. Mais le point important de cette installation est un système de miroir placé sur une poutre horizontale qui sépare la vitre en deux parties (fig. 2). Il accentue la luminosité de la pièce en renvoyant la lumière extérieure sur le plafond et en illuminant ainsi le fond de la pièce.

Neuf laboratoires équipés
    Le bâtiment est composé de trois niveaux, subdivisés chacun en trois parties distinctes, et offre ainsi neuf unités physiquement indépendantes. Ces unités sont isolées thermiquement les unes des autres. Elles disposent chacune d'un système de chauffage propre avec compteur d'énergie, d'un dispositif automatique de mesure d'échange d'air entre unités et avec l'extérieur, ainsi que d'un module d'acquisition des données. Cet équipement a permis de mesurer simultanément et dans les mêmes conditions de climat et d'utilisation jusqu'à neuf éléments de façades.
    Du point de vue architectural, la façade est équilibrée et s'intègre harmonieusement au bâtiment en maçonnerie. Les éléments anidoliques inclinés captent la lumière zénithale, tout en protégeant les fenêtres des intempéries. Les tablettes des fenêtres, en saillie, permettent d'accueillir les stores et protègent efficacement les contre-coeurs en bois. Finalement, le mouvement en zigzag, donné aux fenêtres pour des raisons architecturales, contribue à les distinguer des parties anidoliques continues et parallèles à la façade. Grâce à cette technique, l'employé à son poste bénéficie d'une lumière naturelle et agréable, même à plusieurs mètres de distance de la fenêtre (fig. 3 à 5).

Fig. 3 Comparé à une fenêtre standard (figure en bas), le système anidolique renvoie la lumière au fond de la pièce (figure en haut).

Fig. 4 Vue du système anidolique depuis l'intérieur du bâtiment

Fig. 5 Facteur de lumière du jour en fonction de la distance à la façade

    Les stores lui évitent l'excès de chaleur et, point important, permettent d'économiser l'énergie que consommerait une climatisation dans les mêmes conditions, en l'absence de stores. Par ailleurs, le système anidolique permet de diminuer de façon considérable les besoins en éclairage artificiel. Dans son état initial, le bâtiment se caractérisait déjà par de faibles besoins en énergie, seulement 190 MJ/m² de plancher par an. Au fil des années, cet indice a légèrement augmenté du fait de l'extension de l'équipement informatique du bâtiment. Les apports électriques ne couvraient pas moins de la moitié des besoins en chauffage. A présent, les améliorations attendues, dues au changement de façade, se situent essentiellement au niveau des besoins en éclairage artificiel et de l'amélioration du confort estival.

Le nerf de la maison
    Après avoir testé plusieurs systèmes de bus d'installation, les chercheurs de Lausanne ont retenu l'instabus EIB de Siemens. L'ensemble des installations techniques du bâtiment a été amélioré: les anciens luminaires des bureaux et des espaces de circulation ont été remplacés par des modèles récents plus efficaces. L'installation électrique traditionnelle a fait place à un unique instabus EIB regroupant l'ensemble des installations techniques. Grâce à ce bus, les appareils et les consommateurs d'énergie peuvent communiquer entre eux par le biais de puces électroniques intégrées qui utilisent un câble à deux fils comme une ligne téléphonique. Le réglage du chauffage, des stores automatiques, de la lumière et d'une multitude d'autres appareils électriques peut alors être décentralisé et un seul interrupteur permet une commande simultanée. En l'état actuel des choses, le système doit être géré manuellement par les scientifiques de l'EPFL. Mais bientôt, c'est un logiciel, une intelligence artificielle qui devrait remplacer la main de l'homme. La maison du futur sera alors une bâtisse intelligente, réfléchissant par elle-même et s'adaptant automatiquement aux conditions d'ensoleillement, aux températures mais aussi aux désirs de ses habitants.

Fig. 6 Le regroupement de plusieurs lignes constitue une zone.

L'intelligence décentralisée
    Au Leso, le bus a été installé conventionnellement sur cinque lignes auxquelles correspondent 179 participants constitués par des capteurs, des actionneurs et des détecteurs. L'avantage est que chaque participant est intelligent et sait avec quels éléments il doit agir (fig. 6). En même temps, tout le système est sous le contrôle de l'intelligence artificielle. Basé sur des modules Siemens EIB, le système comprend dans chaque local une commande de chauffage, de stores et d'éclairage artificiel, un détecteur de présence des personnes, une mesure de l'éclairement, une mesure de la température de l'air, un détecteur d'ouverture de fenêtres ainsi que les actionneurs nécessaires pour commander le chauffage, les stores et les luminaires. Chacun de ces modules est muni d'un microprocesseur dans lequel sont chargés les paramètres de sa propre fonction: «L'intelligence» est donc décentralisée dans chacun des modules. La communication se fait par l'intermédiaire de télégrammes envoyés sur la ligne du bus qui assure également l'alimentation.
    Ce système permet à un PC branché sur le bus de commander l'ensemble des installations techniques et c'est là la finalité de cette installation: il s'agit de mettre en place une régulation de plus haut niveau sur l'ensemble du bâtiment, non seulement sur le chauffage, mais aussi sur les stores, l'éclairage artificiel ainsi que la ventilation nocturne.
    A terme, ce système doit permettre une meilleure gestion de l'énergie et du confort, tout en laissant à l'occupant la possibilité d'adapter les consignes de température ou d'agir sur les stores. Il est à noter que le système d'instabus peut également fonctionner sans l'aide de l'intelligence artificielle mais de façon conventionnelle.

De la technique et de l'économie
    L'intégration d'éléments anidoliques à la façade sud, ainsi que le remplacement des luminaires ont permis de réduire sensiblement les besoins en éclairage artificiel. La différence est sensible dans la partie arrière de la pièce où l'autonomie en éclairage naturel, durant les heures d'occupation, passe de 10 à 38%, soit une économie moyenne d'éclairage artificiel comprise entre 14 et 28%, selon la place de travail considérée et le comportement de l'occupant (tableau I):

Tab. I Principaux éléments du bilan énergétique du Leso

    Le bâtiment dispose de deux circuits électriques: un circuit «lumière» (230V), essentiellement destiné à l'éclairage et aux petits appareils et un circuit «force» (230/400 V), dédié aux équipements plus gourmands en énergie (principalement le chauffage). La consommation mesurée comprend l'éclairage artificiel et les ordinateurs personnels installés dans les bureaux. Si l'on tient compte du fait que les besoins en éclairage artificiel sont pratiquement nuls durant la période de juin à août, la consommation moyenne des ordinateurs personnels atteint 120 MJ/ jour, soit une puissance moyenne d'environ 1,8 W/m² de plancher.
    Suite au remplacement des luminaires du bâtiment, les besoins en éclairage artificiel ont passé de 35,3 GJ, pour la période du 1er juin 1999 au 31 mai 2000, à 24,7 GJ, pour la période du 1er juin 2000 au 31 mai 2001, soit un gain de 30%. Le tableau II montre l'évolution des puissances installées et appelées. On note en particulier une diminution de plus de la moitié de la puissance installée:

Tab. II Gain sur l'éclairage artificiel résultant du remplacement des luminaires

    Les besoins en chauffage du bâtiment sont assurés par des radiateurs électriques, dans la partie sud du bâtiment, et par des radiateurs à eau, dans la partie nord. Le chauffage étant coupé de juin à octobre, la consommation moyenne des machines (atelier et serveur informatique) qui sont également branchées sur le courant «force», atteint 125 MJ/ jour, soit une puissance moyenne de 1,85 W/m² de plancher.

Une approche bio-mimétique
    Elément original de la recherche: l'approche dérivée des sciences du vivant. Pour mieux comprendre les fonctions que doit remplir la maison, les scientifiques se sont basés sur la mécanique humaine et ses composantes.

A l'exemple de la peau
    Ils ont ainsi créé une gestion bio-mimétique des installations techniques et c'est un véritable système nerveux électronique qu'ils ont élaboré au Leso. Comme notre peau qui est recouverte de cellules nerveuses, le bâtiment a été équipé de capteurs et de détecteurs. Repérant la présence, la luminosité, la température de l'air et bien d'autres variables (notamment les conditions météorologiques), ces terminaisons sont reliées au logiciel.
    Après avoir traité l'information, ce «cerveau domestique» va gérer tous les appareils électriques pour que les conditions de vie à l'intérieur de la maison soient optimales et que la consommation d'énergie soit restreinte. En effet, il ne faut pas négliger les progrès écologiques que laisse entrevoir cette étude. Bien qu'assez complexe dans son fonctionnement, l'architecture intelligente permettra de réduire les besoins énergétiques de façon importante. De plus, des capteurs photovoltaïques permettront de couvrir une bonne partie des besoins en électricité correspondant aux appareils. Le laboratoire de Lausanne utilise d'ailleurs de tels panneaux solaires qui ne suffisent certes pas à l'alimenter complètement mais qui lui fournissent déjà une partie non négligeable de son électricité.
    Des algorithmes bio-mimétiques permettent de doter le bâtiment de propriétés analogues à celles d'un être vivant, à savoir la capacité de s'adapter à un environnement changeant et à conserver de façon interne des conditions propres à la vie. L'aspect bio-mimétique est aussi lié au fait que les techniques informatiques et mathématiques utilisées pour les algorithmes de réglage s'inspirent du fonctionnement des êtres vivants. Pour ce faire, la logique floue, des réseaux de neurones artificiels et des algorithmes génétiques sont utilisés. Avec des façades anidoliques en guise de peau, un système EIB pour nerfs et un logiciel pour cerveau, la maison de demain ressemblera en tous points à ses habitants.

Un futur pas si lointain
    Si les recherches sur ces maisons du futur sont déjà bien entamées, l'équipe de physiciens et d'architectes se heurte à quelques problèmes de logiciel. Après avoir utilisé divers systèmes d'exploitation, une nouvelle programmation va permettre une meilleure compatibilité entre le bus EIB et le cerveau de la maison. Une fois la gestion informatique mise au point, habiter ou travailler dans un bâtiment intelligent ne sera plus une utopie, mais bel et bien une réalité de notre époque. Mais il ne suffira pas de construire des bâtiments intelligents, il faudra également adopter une conception intelligente. En effet, après des excès de démesure et de négligence du confort et de la fonctionnalité au profit du style, les professionnels se recentrent sur l'homme et sur ses besoins. L'habitat se conçoit à nouveau à l'échelle humaine et c'est là, la plus grande qualité de la maison de demain.

Vitrages électrochromiques
    L'efficacité optique élevée des systèmes d'éclairage naturel anidoliques (sans formation d'image) peut engendrer des troubles de la vue et provoquer une gêne en cas de ciel dégagé: le puissant rayonnement solaire provoquerait l'éblouissement s'il touchait directement les habitants du bâtiment. La possibilité de contrôler le flux de lumière du jour collectée par le système anidolique à l'aide d'un vitrage électrochromique est une idée très intéressante qui requiert des essais plus approfondis.
    Les éléments de base d'un dispositif électrochromique sont les couches de films d'oxydes conductrices transparentes. Ces couches d'oxydes permettent le déplacement des ions. Le coeur du dispositif est formé par un matériau polymère. Il sert d'électrolyte et de conducteur ionique car il permet la transmission élevée pour les ions et est pratiquement imperméable aux électrons. Le principe de ce mécanisme est donné dans la figure 7:

Fig. 7 Principes d'un vitrage électrochromique
TCO = oxyde conductif transparent; WO_x= oxyde deTungstène

    Lorsqu'une tension est appliquée entre les conducteurs transparents, un champ électrique s'établit et des ions se déplacent uniformément en entrant et sortant du film électrochromique. Et si des ions sont insérés, il se produit un contre-courant d'équilibrage de charges. Le contre-courant ionique d'équilibrage de charges traverse le circuit externe, puis induit une variation de la densité d'électrons dans le matériau électrochromique en provoquant une modulation de ses propriétés optiques. En fonction de l'oxyde électrochromique utilisé, l'injection d'électrons peut augmenter ou diminuer la transparence. L'oxyde de Tungstène (WO_x) peut être transformé de manière réversible d'un état transparent vers un état bleu foncé de faible transparence alors que l'électrode de stockage ionique reste pratiquement inchangée. Comme le conducteur ionique a une conductivité électronique négligeable, le dispositif présente une mémoire de circuit ouvert, de sorte que les propriétés optiques restent stables après avoir coupé la tension.
    Les exigences pour l'utilisation pratique du principe électrochromique résident dans la durabilité des couches, une conductivité suffisante pour que le processus de modulation soit rapide et une grande capacité de coloration.

Adresses des auteurs
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Leso-PBIEPFL, 1015 Lausanne: Dr. Nicolas Morel nicolas.morel@epfl.ch; Siemens Suisse SA, 1020 Renens: Pierre Blatti, ingénieur de vente, pierre.blatti@siemens.ch