Développement d’un modèle calibré pour la simulation énergétique de serres et analyse des résultats à l’aide d’indicateurs de performance PDF Download
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Author: Timothé Lalonde
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Author: Timothé Lalonde
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Author: Clara Spitz
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Le recours à la simulation est décisif dans le processus de conception d'un bâtiment neuf. Elle permet d'évaluer différentes alternatives au regard de la performance énergétique et du confort des occupants et constitue ainsi un outil d'aide à la décision incontournable. Aujourd'hui la question de la fiabilité des codes de simulation n'est pas à négliger. L'augmentation des performances énergétiques des bâtiments, pourrait mettre en défaut un certain nombre d'hypothèses de modélisation généralement admises pour les bâtiments standards du fait de la prépondérance nouvelle de phénomènes physiques jusqu'alors négligés ou mal pris en compte. Dans le même temps on s'intéresse de plus en plus à la garantie de performance qui consiste à vérifier que les performances énergétiques réelles sont bien en adéquation avec les objectifs fixés lors de la conception or il est souvent constaté des erreurs entre consommation mesurée et estimée compte tenu des incertitudes liées notamment à la mise œuvre, aux occupants et aux conditions météorologiques. L'augmentation des exigences de précision des calculs qui en résulte rend essentiel d'apprécier les incertitudes associées à ces prévisions afin d'améliorer le processus de construction et d'évaluation. Les travaux de cette thèse portent en particulier sur l'évaluation et la hiérarchisation des incertitudes sur les résultats des simulations en phase de conception. Une méthodologie a été développée basée en trois temps qui permet d'identifier les paramètres de conception les plus influents sur la performance énergétique d'un bâtiment et de rendre compte des effets de l'incertitude associée à ces paramètres sur cette même performance. La première étape consiste à identifier parmi l'ensemble des paramètres du modèle ceux qui ont une influence sur le résultat qui nous intéresse. Celle-ci est assurée au moyen d'une analyse de sensibilité locale du modèle. La deuxième étape consiste à évaluer les incertitudes associées à ces paramètres les plus influents afin de propager cette incertitude dans le code de calcul et évaluer l'incertitude sur le résultat. Cette étape est effectuée au moyen d'approches probabilistes de type Monte Carlo. Nous ajoutons une troisième étape de manière à évaluer la responsabilité de chacun des paramètres sur les incertitudes associées au résultat. Cette information est cruciale pour l'utilisateur. Cette dernière étape est traitée au moyen d'une analyse de sensibilité globale sur un jeu de paramètres réduit. Nous nous sommes appuyés sur la plateforme expérimentale INCAS située à l'INES au Bourget du Lac (73) pour identifier les incertitudes de mesure mais aussi les incertitudes dont les hypothèses de modélisation font l'objet. Cette méthodologie pourra être utilisée durant tout le processus de conception d'un bâtiment, des premières esquisses à son exploitation. En phase de conception, cette méthodologie permettra d'orienter les choix architecturaux en évitant des options dont la fiabilité des résultats est incertaine. En phase d'exploitation, elle permettra d'identifier les points de mesure les plus pertinents, afin de réduire l'incertitude des paramètres les plus influents pour effectuer un diagnostic énergétique plus fiable du bâtiment. Elle pourra aussi s'étendre aux incertitudes liées aux occupants et aux conditions météorologiques.
Author: Amina Aïssani
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Dans un contexte de forte compétitivité économique et de respect de l'environnement, de nombreuses actions sont entreprises chaque année dans le but d'améliorer la performance énergétique des bâtiments. En phase de conception, le recours à la simulation permet d'évaluer les différentes alternatives au regard de la performance énergétique et du confort des occupants et constitue ainsi un outil d'aide à la décision incontournable. Toutefois, il est courant d'observer des écarts entre les performances énergétiques réelles et celles prévues lors de la conception. Cette thèse porte sur l'amélioration du processus de conception de l'isolation dans le but de limiter les déviations des consommations réelles par rapport à celles prévues lors des simulations. Dans un premier temps, nous situons le contexte énergétique actuel puis nous présentons les différentes sources d'incertitudes qui affectent les résultats des simulations. Dans ce travail, nous nous intéressons particulièrement à la variabilité des propriétés thermophysiques des isolants, au caractère variable de la mise en œuvre et à l'impact du changement climatique. Des études expérimentales ont permis de quantifier l'incertitude associée à la performance des matériaux sains d'une part, et celle associée à des isolants défectueux d'autre part. Un couplage entre des techniques de thermographie infrarouge et des modèles éléments finis ont permis de proposer des modèles paramétriques permettant d'évaluer la performance effective d'un isolant défectueux, en fonction du type et de la taille du défaut dans l'isolant. Pour une bonne estimation à long terme de la performance de l'isolation, il est nécessaire d'intégrer les prévisions météorologiques. Ces dernières sont généralement estimées sur la base des données historiques de la région. Toutefois, il est encore difficile de prévoir avec exactitude l'évolution climatique car elle dépend de nombreux facteurs socio-économiques, démographiques et environnementaux. Dans ce travail, nous proposons de considérer les différents scénarios climatiques proposés par les climatologues et de prendre en compte leur variabilité de manière à vérifier la fiabilité de l'isolation. Enfin, nous proposons d'utiliser des approches probabilistes pour intégrer ces différents types d'incertitudes dans le processus de simulation. Pour optimiser le dimensionnement de l'isolation, nous proposons une méthodologie de conception basée sur la fiabilité. Un nouveau modèle de coût est également proposé dans le but d'améliorer l'aide à la décision, en considérant les pertes indirectes, jusqu'à présent négligées dans la conception.
Author: Mickael Rabouille
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Le secteur du bâtiment est en évolution et se doit de répondre aux problématiques environnementales actuelles aussi bien dans la construction neuve que dans la réhabilitation. La simulation thermique offre le moyen de répondre à cette problématique, mais se limite à une estimation des performances spécifiques aux paramètres qui ont été définis. Ce travail de thèse propose une méthodologie basée sur les puissances de calcul actuelles pour évaluer le comportement du bâtiment sur différentes plages de variation des entrées. Ces variations permettront, en fonction des propriétés qui leur sont attribuées, de rechercher des solutions de réhabilitation ou d'évaluer l'incertitude sur les sorties du modèle thermique. Afin de réaliser cela, des méthodes d'analyse de sensibilité performantes sont utilisées à travers un outil d'analyse spécifiquement développé pour le logiciel de simulation EnergyPlus. Cet outil permet une évaluation quasi automatique du modèle énergétique de bâtiment via : des techniques d'échantillonnage éprouvées LHS et LP-Tau, des techniques d'analyse performante pour un nombre de simulations réduit RBD-FAST et RBD-SOBOL, une gestion avancée des entrées et sorties permettant une évaluation détaillée du bâtiment, quelle que soit sa géométrie. Les techniques d'analyse de sensibilité sont employées pour proposer une vision précise des principales relations présentes au sein du modèle. Pour répondre à la contrainte du coût de calcul, la recherche de solution est réalisée à travers un méta-modèle issu d'une décomposition en polynôme de chaos. Une interface graphique utilise cette approximation du modèle complexe du bâtiment pour proposer de façon instantanée une vision claire du comportement de chaque entrée sur les sorties, ainsi que leurs tendances et les plages de variation idéales afin de choisir des solutions. Il est possible de coupler la recherche de solution à l'analyse d'incertitude afin de proposer des solutions robustes et identifier les principales raisons d'un écart entre simulation et réalité. La méthodologie des travaux de thèse encourage à l'optimisation de la compréhension du modèle plus qu'à la recherche d'une solution particulière.L'objectif de la démarche est de fournir des outils d'analyse afin d'aider l'expert dans la recherche de solution et ainsi de mettre en place des représentations graphiques qui facilitent la compréhension du système bâtiment, pour un gain en transparence et l'intégration de nombreuses contraintes de projet.
Author: Zaid Romani
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Le bâtiment est considéré comme étant le premier secteur consommateur d'énergie dans le monde. Dans la région méditerranéenne, face à la crise économique et aux engagements pris pour limiter les effets produisant le réchauffement climatique, il est devenu impératif de réduire la consommation énergétique des bâtiments que ce soit par la conception des bâtiments neufs ou par la réhabilitation du parc existant. Dans ce cadre-là, chercher des solutions techniques optimales en tenant compte des critères économiques, environnementaux et sociétaux est un problème très complexe du fait du nombre élevé de paramètres à prendre en compte. Pour remédier à ce problème, un état de l'art des méthodes d'optimisation multicritère a été réalisé. Nous avons constaté que plusieurs contraintes existent lors de l'utilisation de ces méthodes telles qu'un temps de calcul élevé et la non-maîtrise de la convergence des résultats vers des optimums globaux recherchés. L'objectif de notre travail est de proposer une nouvelle méthode qui permette de contourner ces difficultés. Cette méthode est basée, dans un premier temps, sur le développement des modèles polynomiaux pour la prédiction des besoins de chauffage, de refroidissement, d'énergie finale et du confort thermique d'été à l'aide du logiciel TRNSYS. Pour établir ces modèles, nous avons utilisé la méthode des plans d'expériences et des simulations thermiques dynamiques. À partir de ces modèles, une analyse de sensibilité a été entamée afin d'identifier les paramètres les plus influents sur les besoins énergétiques et le confort thermique d'été. Une base de données est utilisée associant chaque paramètre à son coût et à son impact environnemental sur son cycle de vie. Ensuite, une étude paramétrique complète a été réalisée en utilisant les fonctions polynomiales dans le but de déterminer un ensemble de solutions optimales à l'aide de l'approche du Front de Pareto. Cette nouvelle méthode a été appliquée dans le but de concevoir des bâtiments neufs à haute efficacité énergétique à des coûts maîtrisés pour les six zones climatiques du Maroc. La validation des modèles polynomiaux réalisée grâce à une comparaison avec des simulations aléatoires a donné des résultats très satisfaisants. Avec un modèle polynomial de second degré, l'erreur maximale sur les besoins énergétiques et le confort thermique adaptatif d'été ne dépasse pas 2 kWh/m2.an et 9% respectivement dans la plupart des cas. Les modèles développés ont ensuite été utilisés pour l'aide à la décision multicritères. Les résultats obtenus ont montré que des bâtiments à très faibles besoins énergétiques peuvent être construits à un coût raisonnable, et qu'un effort doit être porté sur des solutions plus performantes pour le rafraîchissement en été. Enfin, nous avons mis en œuvre la méthode que nous avons développée dans le cadre de la réhabilitation d'un bâtiment existant à La Rochelle. Les critères environnementaux ont aussi été intégrés à la recherche de solutions optimales. La solution retenue selon 14 critères correspond à un ensemble de solutions techniques permettant d'obtenir des besoins de chauffage de l'ordre de 15 kWh/m2.an avec un compromis réalisé entre l'efficacité énergétique, le confort des occupants, les impacts environnementaux et la maîtrise du coût de la réhabilitation. La méthode développée dans le cadre de ce travail a montré un fort potentiel d'utilisation pour l'aide à la décision multicritère lors de la conception des bâtiments neufs ou en réhabilitation. Elle permet d'effectuer très rapidement une optimisation opérationnelle de l'enveloppe pour contribuer à des bâtiments durables, confortables, à coût maîtrisé et à basse consommation énergétique.
Author: Lou Chesné
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Les règles et usages actuels de conception des bâtiments sont essentiellement basés sur la minimisation des déperditions thermiques, ce qui se traduit par la prédominance de l'isolation thermique comme solution d'enveloppe. Or cette logique n'est pas nécessairement la plus pertinente car des ressources énergétiques existent dans l'environnement, et leur apport mériterait d'être pris en considération. Certaines technologies bioclimatiques, et surtout solaires, existent déjà mais leur utilisation n'est pas du tout généralisée à cause d'un manque de repère sur leurs performances. Pour considérer la démarche bioclimatique, il est nécessaire de pouvoir évaluer à la fois la "qualité énergétique" de l'environnement, et l'aptitude des bâtiments à exploiter cet environnement. La méthodologie présentée dans cette thèse est basée sur le calcul d'indicateurs de performance bioclimatique issus de simulations numériques de bâtiments dans diverses conditions climatiques. La simulation permet de supprimer facilement une ressource pour pouvoir obtenir les besoins d'un bâtiment non impacté par la ressource. Ces besoins peuvent alors être comparés à chaque instant au potentiel de la ressource afin de déterminer un potentiel utile, valorisable par le bâtiment. Il est également possible de comparer les besoins du bâtiment dans la simulation sans et avec la ressource et d'en déduire la quantité d'énergie provenant de la ressource réellement utilisée par le bâtiment pour couvrir ses besoins. Un jeu d'indicateurs est ainsi défini pour toutes les ressources et tous les besoins d'un bâtiment, et adapté plus particulièrement aux besoins de confort thermique (chauffage et rafraîchissement) et à trois ressources de l'environnement (le soleil, la voûte céleste et l'air extérieur). Un cas d'étude est alors choisi pour appliquer cette méthode et les résultats sont analysés à l'échelle du bâtiment tout entier ainsi qu'à l'échelle de chaque paroi. Une première analyse globale, sur toute l'année, permet de fixer des points de repères sur l'état des ressources et l'exploitation qui en est faite par les bâtiments. Dans un second temps, les résultats instantanés sont analysés de manière dynamique, et montrent que ces nouveaux indicateurs permettent de bien caractériser le comportement d'un bâtiment dans son environnement. Enfin, les indicateurs sont utilisés dans une approche de conception des bâtiments, et plusieurs pistes sont explorées. Une étude paramétrique est tout d'abord menée et permet d'observer l'influence du niveau d'isolation sur les indicateurs de potentiel et de performance. Puis ces indicateurs sont utilisés pour évaluer la performance bioclimatique de solutions d'enveloppe solaires. Dans un troisième temps, une optimisation de l'enveloppe est menée selon deux critères : un critère classique de minimisation du besoin, mais également un critère bioclimatique de maximisation de l'exploitation du potentiel solaire.
Author: Asmaa Toumi
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"Face au dilemme climatique et à la dépendance énergétique mondiale toujours plus accrue au niveau des ressources fossiles, les pays tentent aujourd'hui de diminuer leurs consommations énergétiques dans les différents secteurs économiques incluant les secteurs du bâtiment et de la construction. Cette étude se focalise sur des bâtiments publics destinés à accueillir des bureaux. L'étude touche une seule phase du processus de construction, soit l'étape de conception. Ces dernières années, on voit émerger de plus en plus des études concernant l'utilisation d'un modèle de conception intégrée (Building Information Modeling, BIM) dans le secteur du bâtiment tout en traitant de la durabilité et de l'impact environnemental des constructions. L'objectif de cette recherche est de démontrer que l'utilisation d'un modèle BIM permet d'anticiper certains changements et influencer certaines décisions prises lors de l'étape de conception telles que le choix des combinaisons de matériaux de construction et du système climatisation, ventilation et chauffage, CVC. Ces derniers peuvent réduire l'impact environnemental du bâtiment tout au long de son cycle de vie. Le BIM est utilisé comme outil de modélisation qui permet d'établir le bilan énergétique pour un bâtiment en amont du projet. Plus précisément, pour évaluer la consommation énergétique annuelle d'un bâtiment, deux modèles ont été créés. Le premier dit «modèle de référence» qui a une composition standard des murs et des toits, tandis que le second modèle lui est nommé « modèle végétalisée » qui est composé en partie de murs et toits végétalisés ainsi que des toitures couvertes de panneaux photovoltaïques. Le logiciel utilisé pour la conception et l'analyse énergétique est Revit AuodeskR. Ce logiciel a l'avantage d'utiliser le modèle BIM pour réaliser une étude de consommation énergétique (Building Energy Modeling, BEM) dès la phase conceptuelle. Le résultat obtenu est un bilan énergétique initial sur la conception primaire, donnant des propositions et scénarios optimaux et économiques. Ces derniers sont générés sur une plate-forme « Cloud » d'Autodesk qui permet d'établir une multitude de scénarios d'apport énergétique d'un bâtiment public. De plus, le programme Can-Quest est utilisé pour confirmer la véracité des résultats obtenus par Revit. Il en résulte que le système CVC, le type éclairage choisi et le taux d'occupation de l'immeuble ont un impact plus considérable en termes de consommation énergétique. Les résultats obtenus montrent que la consommation énergétique peut varier de près de 5.00$/m2/an pour chacun de ces trois paramètres. Une légère différence de prix de consommation fut enregistrée entre le modèle végétalisé et le modèle de référence. Celle-ci est due principalement à une meilleure résistance thermique au niveau des murs verts et de la toiture végétalisée que celle des murs et des toits standards. Même si le modèle végétalisé est plus performant en termes de résistance thermique, celle-ci n'influence pas grandement les résultats puisque la partie végétalisée est faible par rapport à la superficie du bâtiment modélisé. En revanche, les simulations ont confirmé que des panneaux photovoltaïques peuvent être considérés afin de diminuer le coût énergétique global du bâtiment avecune diminution possible de 7.00$/m2/an."--Résumé.
Author: KARIM.. EL HASSAR
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CE TRAVAIL DE THESE ENTRE DANS LE CADRE PLUS GENERAL DE L'INFORMATISATION DES PROFESSIONS DU BATIMENT. IL VISE A FACILITER L'ACCES DES PROFESSIONNELS AUX LOGICIELS DE CALCULS SCIENTIFIQUES UTILISES JUSQU'ALORS, PRINCIPALEMENT, DANS LES LABORATOIRES DE RECHERCHE. FACILITER L'ACCES DES PROFESSIONNELS AUX LOGICIELS DE CALCULS SCIENTIFIQUES SUPPOSE METTRE A LEUR DISPOSITION CES OUTILS DANS UN ENVIRONNEMENT OU LA PLUPART DES TACHES DE SPECIFICATION SONT AUTOMATISEES, OU LE DIALOGUE HOMME/MACHINE EST SIMPLIFIE ET OU L'ACCES AUX DONNEES ET LA REUTILISATION DE CELLES-CI DEVIENT AISE. CE TRAVAIL A ETE MENE EN PARALLELE AVEC UNE ETUDE AMONT DE DEVELOPPEMENT D'UN MODELE ABSTRAIT D'ENVIRONNEMENT DE SIMULATION INTELLIGENT. DANS CE CONTEXTE, LE BUT DU TRAVAIL DE RECHERCHE ETAIT DE CONTRIBUER A LA DEFINITION DES SPECIFICATIONS D'UN ENVIRONNEMENT DE SIMULATION INTELLIGENT GENERIQUE, DE REALISER UNE APPLICATION CONCRETE POUR EVALUER LA PERTINENCE DES CONCEPTS DEVELOPPES ET DE DEFINIR LES POSSIBILITES D'UTILISATION DE SYSTEMES A BASES DE CONNAISSANCES POUR AMELIORER ENCORE LA PRODUCTIVITE DES UTILISATEURS FINAUX. L'APPLICATION CONCRETE A ETE REALISEE AUTOUR DE TRNSYS, LOGICIEL DE CALCULS DES PERFORMANCES THERMIQUES DES SYSTEMES BATIMENTS/EQUIPEMENTS. ELLE A PERMIS DE DEGAGER DE NOUVELLES FONCTIONNALITES A DEVELOPPER POUR LES UTILISATEURS PROFESSIONNELS, EN PARTICULIER LES NOTIONS DE CONNEXIONS AUTOMATIQUES DE VARIABLES, ET D'ASSEMBLAGE AUTOMATISE DE COMPOSANTS ELEMENTAIRES SONT APPARUES COMME ESSENTIELLES. DES SOLUTIONS POUR REPONDRE A CES PREOCCUPATIONS ONT ETE PROPOSEES ET EVALUEES; ELLES FONT NOTAMMENT APPEL A LA TECHNIQUE DES SYSTEMES EXPERTS
Author: Édouard Gengembre
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Pages : 147
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Book Description
La recherche de la performance énergétique dans les bâtiments est devenue un objectif sociétal et réglementaire. De nos jours, un bâtiment doit assurer des conditions de confort, tout en limitant son impact énergétique et environnemental. Les demandes de performances sont telles qu’il n’est plus possible d’appliquer des solutions standards à l’ensemble du bâtiment. Un critère énergétique doit donc être pris en compte au plus tôt dans la conception, ce qui exige dès l’esquisse un travail de plus en plus lourd et complexe. Pour faciliter la prise en compte du critère énergétique, nous avons choisi une approche d’optimisation valorisant la mise en œuvre de la simulation énergétique du bâtiment (quelque soit la méthode de simulation choisie) afin de fournir un outil d’aide à la décision au concepteur à partir du métré et de l’esquisse. La thèse consiste au développement d’une méthodologie commençant par le développement d’un algorithme d’optimisation valorisant la construction séquentielle d’un Kriging sur des paramètres globaux du bâtiment qui permet de rendre le temps de calcul nécessaire compatible avec le contexte de conception d’un bâtiment. Le méta-modèle de Kriging construit peut ensuite être valorisé pour restituer les solutions optimales, permettre l’exploration de l’espace de solutions respectant les contraintes, et mettre en valeur la sensibilité énergétique du bâtiment face aux différents paramètres d’entrée. Le concepteur peut alors faire des choix constructifs optimisés, tout en conservant un certain espace de liberté, ou encore réaliser des modifications à postériori. La dernière étape consiste à inverser la relation liant les paramètres globaux choisis à l’ensemble des données élémentaires de l’ouvrage. L’ensemble de la démarche est appliqué au cas d’une cellule monozone de référence.
Author: Mourad Bouache
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Pages : 92
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Book Description
La simulation est largement utilisée dans de nombreux domaines de la science et de l’ingénierie. Du côté de l’industrie, les constructeurs emploient la simulation d’une part en amont de la fabrication, pour explorer l’espace de conception et d’autre part en aval, pour observer, évaluer et, à des fins commerciales, comparer leurs produits avec ceux de la concurrence. Le monde de la recherche a aussi recours à la simulation pour explorer un espace de conception plus vaste et évaluer quantitativement les innovations proposées. En informatique, l’architecture des ordinateurs et des processeurs est depuis longtemps grande utilisatrice de simulateurs. L’évaluation quantitative des futurs processeurs est difficile, si ce n’est impossible aujourd’hui, sans simulation. Les industriels consacrent plusieurs mois, voire plusieurs années selon la complexité du produit à élaborer, de conception, de simulation et d’analyse de différents aspects comme la consommation d’énergie, la performance, la vitesse de fonctionnement avant toute réalisation dans le silicium. La simulation permet ainsi un gain de temps et de coûts essentiels pour permettre aux fabricants de suivre un rythme de production correspondant à la fois aux attentes des clients et aux contraintes imposées par les progrès de la concurrence. Un simulateur est nettement plus lent et moins précis que le système qu’il simule. Il offre néanmoins toutes les informations que l’on souhaite, dont certaines qui sont difficile à récupérer du système simulé lui-même. Compte tenu de la grande évolutivité des produits dans le monde des composants numériques, les simulateurs se doivent d’être rapidement adaptables. L’objectif de cette thèse est de présenter, au sein de l’environnement de simulation UNISIM développé par le consortium du même nom, le simulateur OoOSIM conçu et réalisé par notre équipe de recherche DALI. La version actuelle d’OoOSIM bénéficie d’une méthodologie de conception des composants simulés facilitant la duplication d’unités. Cette méthodologie, la vectorisation des modules, est notre contribution. Nos expériences, dont les résultats sont rapportés ici, montrent que sans application de la vectorisation, la simulation d’un processeur multi-coeur devient très gourmande en temps de calcul dès lors que le nombre de cœurs augmente, même de façon modeste. Elles montrent aussi que la vectorisation permet de simuler dans des temps raisonnables des processeurs ayant un nombre de cœurs bien au-delà de ce que proposent les produits d’aujourd’hui.
