Guide Technique D'audit Énergétique [PDF]

Zitiervorschau

Ce guide technique d’audit énergétique offre une approche systématique et propose des outils et procédures efficaces pour effectuer les analyses énergétiques pour des bâtiments nouveaux et existants : -- analyse économique, -- modèles de simulation énergétique, -- méthodes pour la conception des bâtiments à haute performance énergétique, -- approches générales pour l’audit énergétique des bâtiments existants. Il donne des exemples concrets pour calculer l’efficacité énergétique selon plusieurs techniques et technologies qui permettront d’améliorer les performances du bâti, des systèmes électriques, du système de chauffage et de climatisation. Par ailleurs, il propose des méthodes de gestion des bâtiments ainsi que des protocoles pour mesurer et vérifier les performances réelles des bâtiments. Moncef Krarti est professeur à l’Université du Colorado au College of Engineering and Applied Science dans le Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering. Il est responsable des études sur l’énergétique des bâtiments. Il enseigne également à Mines ParisTech. Il a dirigé plusieurs projets pour développer des outils et des méthodes d’évaluation du comportement thermique des bâtiments. Dominique Marchio est professeur à Mines ParisTech. Il est responsable du cours « Cycle de vie des systèmes énergétiques » depuis 2005. Il est aussi Directeur des études de la filière d’ingénieur en formation continue ISUPFERE et responsable du mastère spécialisé en Ingénierie et Gestion du gaz.

Technologies

Comment améliorer la performance énergétique des bâtiments résidentiels et commerciaux ? Comment réduire leurs coûts d’exploitation ?

Guide technique d’audit énergétique - M. Krarti, D. Marchio

L

Moncef Krarti Dominique Marchio

Guide technique d’audit énergétique

45 euros Presses des Mines Guide.indd 1

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Guide technique d'audit enerpetique

Collection Technologies

Dans la meme collection: Chakib Bouallou

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L 'image en relief Emile Leipp

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Le demantelement des installations nucleaires Jean-Jacques Bezian, Pierre Barles, Claude Francois, Christian Inard

Les emetteurs de chaleur

Guide technique d'audit enerqetique

Moncef Krarti Dominique Marchio

Chapitre 1 Introduction

a !'audit

enerqetique

RESUME Ce chapitre propose une vue generale de I' audit energetique des batiments tertiaires et industriels, tel qu'il est realise par Ies bureaux d'etude et conseils en energie. Ce type d'audit joue un role essentiel dans la reussite de projets d'amelioration eventuellement dans le cadre d'un contrat a garantie de performance. 11 existe plusieurs types d'audit energetique plus OU moins detailles. Ce chapitre decrit brievement Ies aspects cles d'un audit energetique et propose en conclusion une demarche complete et systematique pour identifier et preconiser des mesures d'amelioration rentables de l'efficacite energetique,

1.

INTRODUCTION

Depuis 1973, des ameliorations significatives ont ete faites en matiere d'efficacite energetique des batiments neufs (reglementations thermiques successives de 1974, 1988 portant sur I'habitat seulement et NRT 2000 effective enjuin 2001 qui porte sur tousles types de batiments). Cependant, la plupart des batiments existants sont anterieurs a ces reglements (EIA, 2009). En France, sur 27 millions de logements, 19 millions datent d'avant 1975 (ADEME, 1995). Des rehabilitations energetiquesdes biitiments existants sont done necessaires pour que la performance energetique globale de l' ensemble du pare de batiments tende vers les valeurs du neuf. Investir dans I'amelioration de I'efficacite energetique des batiments peut etre rentable grace a la baisse des factures energetiques. Outre les solutions classiques de financement qui s'offrent aux maitres d'ouvrage, d'autres procedures permettent de financer Ies travaux de rehabilitation energetique. Une de ces procedures consiste a passer un contrat de performanceavec une societe qui prend en charge l'investissement et se rembourse grace aux gains realises. Typiquement, une entreprise de conduite/ exploitation assume les risques du projet en effectuant I'mgenierie et en reunissant le capital necessaire aux ameliorations energetiques. L'audit energetique constitue I'etape essentielle pour garantir la rentabilite du projet. Certains maitres d'ouvrage ou exploitants thermiques mettent en ceuvre des programmes intemes de gestion energetique, bases sur des audits pour reduire les

8

Guide techniqued'audit enetgetique

depenses d'energie ou se conformer aux specifications de certaines reglementations. D'autres profitent d'aides financieres publiques1 pour realiser des audits energetiques et mettre en eeuvre des mesures permettant de diminuer les consommations d' energie. Dans les annees 1970, la rehabilitation energetique des batiments consistait en des mesures simples telles que I'extinction de I'eclairage inutile, l'abaissement des consignes de chauffage, I'augmentation de la consigne de rafraichissement... L'auditeur energetique doit aujourd'hui prendre en compte les contraintes de qualite d'air interieur et exterieur, les techniques les plus performantes, le choix des fournisseurs d'energie (gaz, electricite, chaleur, froid). Ce chapitre suggere une procedure generale mais systematique d'audit energetique applicable aux batiments commerciaux et industriels. Certaines des mesures defficacite energetique les plus couramment recommandees sont presentees brievement. Des etudes de cas donnees dans un document d'accompagnement illustrent les differentes taches lmpllquees,

2.

01FFERENTS TYPES D'AUDIT ~NERG~TIQUE

Le terme « audit energetique » est largement employe et peut avoir differentes significations suivant les entreprises. On trouve aussi dans les plaquettes des entreprises offrant cette prestation des termes comme: « diagnostic thermique », « expertise des consommations », « expertise et audit approfondi ». Ces interventions sont aussi partie integrante du «facilities management». Les moyens affectes a l' audit energetique de batiments vont de la courte visite des installationssuggerantdes ameliorationsjusqu' al' analysedetailleeavec simulationhoraire en passantpar lamise en place d'une metrologieplus ou moins detaillee.Independamment du cadre que les prestations peuvent prendre2, on peut distinguer quatre types d'audit energetique,brievementdecrits dans les paragraphes suivants.

2.1. Audit ra pide avec visite du site Cet audit consiste en une courte visite sur site pour identifier les postes ou de simples actions peu onereuses peuvent entrainer des economies immMiates sur les couts d'exploitation et la consommation d'energie, Outre la renegociation des contrats, les preconisations portent surtout sur l'abaissement des consignes de temperature

l Pre-diagnostics subventionnes a 70 % - maxi 2 300 euros, diagnostic subventionne a 50 % par I' Ademe maxi 30000 euros, etude de faisabilite subventionnee a 50o/o par l'Ademe maxi 75 000 euros. http ://www.ademe.fr/htdocs,presentatioruaidefinanciere/confan.htm 2 On distingue en France en 2000: le Conseil d'orientation energedque, le pre-diagnostic energetique et le diagnostic encrgetiquc. L'Ademe a public: des cahiers des charges de ces differentesprestations.

Chapitte 1 - Introduction

a l'audit energetique

9

de chauffage, la chasse aux infiltrations, I'isolation des tuyauteries et le reglage du melange combustible-air des chaudieres.

2.2. Analysedes rnOtsenerqetiques Le principal but de ce typed' audit est d' analyseravec minutie les couts d'exploitation de l'mstallation. Typiquement, les donnees energetiques sur plusieurs annees sont evaluees pour identifier des profits de consommation d' energie et notamment les pies de puissance. Pour realiser cette analyse, il est recommande que I' auditeur mene une enquete sur site pour prendre connaissance de !'installation et de son systeme de gestion energetique, Cela suppose de : - Verifier Ies coiits energetiques pour s 'assurer que les factures mensuelles ne contiennent pas d'erreurs. En effet, la repartition de ces couts pour les installations commerciales et industrielles peut etre tres complexe, en incluant notamment des penalites sur le facteur de puissance. - Determiner les frais les plus importants dans les factures energetiques, Les pointes de puissance, par exemple, peuvent representer une part importante de la facture energetique sides penalites sont appliquees. Des mesures pour ecreter ces pointes peuvent alors etre recommandees, - Voir si I'installation peut beneficier d'autres tarifs, acheter du combustible moins cher, etc. De plus, l'auditeur peut apprecier si !'installation se prete ou non a des projets de rehabilitation energetique en analysant les donnees. En effet, la consommation d' energie de l 'installation peut etre (( normalisee » et comparee a des ratios existants (par exemple, la consommation d'energie par unite de surface au sol - pour les biitiments commerciaux - ou par unite de produit - pour les biitiments industriels). Attention, il faut etre tres prudent quand on compare des ratios (on dispose d' ailleurs souvent de fourchetteslarges) en veillant a comparer des choses comparables.

2.3. Auditenergetiquestandard En plus des prestations precedentes,l' audit energetiquestandard inclut I' etablissement d'une reference pour la consommationd'energiede I'installation qui sert alors a l'evaluationdes economies d'energie et de charges. L'audit energetique standard inclut generalement l'emploi d'instruments de mesure ponctuels (mesures de temperature instantanees, analyse de fumees de combustion, vitesses d'air). Generalement, des outils simplifies sont utilises dans l' audit energetiquestandard pour developperdes modelesenergetiques de referenceet prevoir les economies engendrees par des mesures d' amelioration energetique.Parmi ces outils, citons : - les methodes analytiques de reconstitutiondes consommations utilisant des degres-jours ou HK (AFME, 1987); analytiquescar on cherche a estimerposte par poste les elements d'un bilan global;

10

Guide technique d'audit enetgetique

et les modeles de regression lineaire souvent appeles « signature energetique » ; dans ce cas on n'a pas la ventilation par poste. Un calcul du temps de retour sur investissement evalue la rentabilite des mesures d'amelioration (on verra d'autres methodes au chapitre 3). Attention, pour les methodes analytiques, il est important que le bilan de consummation reeenstitue respecte la ventilation par poste consommateur (il est facile de boucler une reconstitution globale en ajustant le poste le moins bien connu - infiltrations d'air typiquement). En effet, faute de cela, les analyses d'amelioration peuvent etre radicalement fausses puisqu' elles portent souvent sur un poste particulier. Un exemple : le temps de retour d'un changement du systeme d'eclairage sera optimiste si les consommations d'eclairage sont surestimees d'un facteur 2 et ce bien que la consommation globale soit bien reconstituee. 11 faut done, autant que possible, recouper les resultats par deux voies differentes,

2.4. Audit energetique detaille Cet audit, le plus complet, prend beaucoup de temps. L'audit energetique detaille suppose l'emploi d'instruments de mesure de la consommation d'energie pour l'ensemble du batiment et/ou de quelques systemes en particulier (par exemple, l' eclairage, les equipements de bureautique, les ventilateurs, le rafraichissement, etc.). De plus, des programmes de simulation sont parfois utilises pour evaluer les solutions. Les techniques de mesures sont variees, Lors des visites sur site, des instruments portatifs peuvent etre utilises pour determiner la variation de quelques parametres des batiments comme la temperature d'air interieur, le niveau d'eclairement et la consommation d' energie electrique, Si des mesures sur le long terme sont necessaires, des capteurs sont soit connectes a un systeme d'acquisition3 pour que les donnees mesurees puissent etre enregistrees et accessibles distance, soit on utilise des sondes pourvues de leur propre systeme de stockage.

a

Les programmes de simulation utilises pour l'audit energetique detaille fournissent la distribution de la consommation d'energie par type d'usage. Ils font appel une simulation dynamique des batiments et des systemes. Ils demandent en general un haut niveau d'expertise. Ces programmes de simulation vont de I'utilisation des degresjours ou, aux Etats-Unis, de la «bin-method» (Knebel, 83)jusqu'a ceux qui calculent les besoins thermiques et electriques des batiments heure par heure comme le logiciel DOE-2. En France, l' Ademe etablit regulierement une liste des logiciels pouvant servir a l'audit energetique.

a

Dans un audit energetique detaille l'evaluation economique doit etre plus rigoureuse que le simple calcul du temps de retour, par exemple en considerant le cont global actualise. 3 L'infonnation peut transiter sur le reseau electrique par envoi d'un signal module.

Chapitre 1 ~ Introduction

3.

a l'audit

11

energetique

PROCEDURE GENERALE POUR UN AUDIT ENERGETIQUE DETAILLE

L'execution d'un audit energetique est un processus plus iteratif que lineaire, Une procedure generale peut cependant suffire en tracer les grandes Iignes pour la plupart des biitiments.

a

Etape 1: analyse de donnees sur les batlments et les installations L'objectif principal de cette etape est d'evaluer les caracteristiques des systemes energetiques et des profils de consornmation d'energie du biitiment. Les caracteristiques du biitiment peuvent etre rassemblees a partir des plans d'architecture/mecaniques/ electriques et/ou a partir des entretiens avec les exploitants des biitiments. Les profils de consommation d'energie peuvent etre obtenus a partir d'une compilation des factures energetiques sur plnsieurs annees. L'analyse de Ia variation historique des factures energetiques perm.et l'auditeur de determiner si une saison et la meteo ont une forte influence sur Ia consommation d' energie des batiments. Les tiiches a realiser dans cette etape sont presentees ci-dessous avec les resultats clefs attendus.

a

Collecter au moins trois ans de donnees energetiques

[pour identifier un profil energetique historique] - Identifier les types de combustible utilises (electricite, gaz naturel, fioul, etc.)

[pour determiner le type de combustible ayant une influencepreponderante sur la consommation d'energie] - Determiner !es profils de consommation de combustible par type de combustible

[pour identifier Iespies de consommation par type de combustible]

Etablir Ia repartition des cofits energetiques (puissance appelee et consommation)

[pour evaluer si le bdtiment est penalise pour la puissance appelee et si un combustiblemoins cherpeut etre substitue] Analyser I'influence du climat sur la consommation de combustible

[ceci requiert des donnees meteorologiquespour les annees considerees] - Realiser une analyse de consommation d'energie electrique par type et taille de biitiment (la signature energetique du biitiment peut etre determinee, etablir des ratios de consommation d'energie par unite de surface)

[pour comparer a des ratios typiques]

Etape 2 : enquete sur site Les resultats de cette etape serviront a determiner s' il est rentable de recommander des audits energetiques plus detailles, Les tiiches de cette etape sont les suivantes. Identifier les interets et besoins du client. Verifier les procedures d'exploitation

et de maintenance existantes.

- Determiner les conditions de fonctionnement des principaux postes consommateurs d'energie (I'eclairage, le systeme de ventilation chauffage et climatisation, les moteurs, etc.).

12

Guide technique d'audit energetique

- Estimer, a partir de l'occupation, les horaires de besoin d'equipement et d'eclairage.

Etape 3: modele de referencede la consommationdenerqle des hatirnents L'objectif de cette etape est de realiser un modele de reference qui simule la consommation d' energie et les conditions d' utilisation existantes de ce batiment. Ce modele sert de reference pour estimer les economies d' energie envisagees pour les differentes ameliorations selectionnees. Dans cette etape, les taches principales a realiser sont: - obtenir et re, iser des plans d' architecture, de reseaux electriques et de fluide, d'installations techniques et de regulation; examiner, tester, et evaluer l 'efficacite, la performance des equipements ; - obtenir tous les plannings d'occupation et les conditions d'utilisation des equipements (y compris l'eclairage et le systeme de conditionnement d'air); realiser un modele de reference de la consommation d'energie du batiment; - etalonner le modele de reference en utilisant les donnees energetiques et/ou les

donnees relevees,

Etape 4: evaluationdes mesuresderonornle denerqle Dans cette etape, une liste de mesures rentables est dressee, Pour cela, les taches suivantes sont preconisees: - preparer une liste complete des mesures de reduction des consommations d'energie (en utilisant les informations obtenues par l'enquete sur site); - determiner les gains resultant des differentes mesures pertinentes d'economie d'energie du batiment en utilisant le modele de reference realise en etape 3; - estimer les coats d'investissement des solutions; evaluer la rentabilite de chaque mesure d'amelioration de I'efficacite energetiqueen utilisant une methode economique(analyse simple du temps de retour sur investissement ou analyse en coflt global actualise). Les tableaux 1.1 et 1.2 donnent un resume de la procedure d'audit energetique preconisee pour les batiments tertiaires ainsi que pour les batiments industriels. Les audits energetiques pour les systemes thermiques et electriques sont traites separement car les coflts sont differents.

Chapitre 1 - Introduction

a l'audit

-·~

~

~- - --

Analyse des donnees

. --

~--

.

-.

• Profil energetique (modele en regime permanent reconstitue OU signature energetique du batiment) • Ranos energetiques (par surface, par etudiant pour une ecole, par repas, etc.) • Distribution des usages energetiques (chauffage, ECS, process, etc.) • Types de combustibles utilises • Impact de la meteorologic sur la consomrnation energetique •

Modele de reference

Materiaux de construction (resistance thermique et epaisseur) • Type de systemes de chauffage ventilation et climatisation • Systemes de production d'ECS • Eau chaude I vapeur pour le chautfage • Eau froide pour le refroidissement • Eau chaude ! vapeur pour ECS • Eau chaude I vapeur pour applications specifiques (hopitaux, piscine, etc.) • Etude des plans architecturaux, mecaniques et de regulation • Developpement d'un modele de reference (methode simple OU tres detaillee) • Calage du modele de reference (donnees disponibles ou mesurees)

• Systemes de

Estimation des economies

recuperation de chaleur par echangeurs • Systemes de chauffage performant (chaudieres) • Ralenti de nuit, relance de chauffage • • •

• Profil energetique electrique (courbe de charge) • Ratios energetique electrique (par surface, par etudiant pour une ecole, par repas, etc.) • Distribution des usages energetiques electriques (refroidissement, eclairage, auxiliaires de distribution, etc.) • Impact de la meteorologic sur la consommation electrique • Structure tarifaire, penalite de depassement de puissance, etc.)

Structure tarifaire

•

Rel eves sur site

13

energetique

Amelioration des systemes de conditionnement d'air Reduction de la demande d'ECS Cogeneration

• • • • • • •

Type de systemes de chauffage ventilation et climatisation Type d'eclairage et densite Type d'equipement et densite Energie pour le chauffage Energie pour le refroidissement Energie pour I'eclairage Energie pour les equipements

•

Energie pour le conditionnement d'air

•

Energie pour la distribution d'eau

• Etude des plans architecturaux, mecaniques et de regulation • Developpement d'un modele de reference (methode simple OU detaillee) • Calage du modele de reference (donnees disponibles ou mesurees) • • • •

• • • •

Efficaeite energetique de l'eclairage Efficacite energetique de la bureautique Efficacite energetique des moteurs Amelioration des systemes de conditionnement d'air et de production·d'eau glacee (compresseurs) Reduction des pies de consommations Systemes de stockage thermique Cogeneration Amelioration du facteur de puissance

• Reduction des harmoniques

Tableau 1.1: Resume de l'audit energetique des batiments residentiels et tertiaires

14

Guide technique d'audit energetique

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Analyse des

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Figure 2.2; Ambition globale europeenne {UE 27) des politiques d'efficacite energetique

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35

Chapitte 2 - Reglementation energetique en France et en Europe

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ObE;;,1tirn§ for P. l %, l'investissement est done rentable. Temps de retour actualise (t,J

t,. = 6,8 ans

tra est plus court que la duree de vie de I'equipement, (t,., N=lO), l'investissement est done rentable. Temps de retour brut (tJ

t, = 5,6 ans

Le projet est peut-etre rentable. I1 est important de noter que les methodes d'evaluation economiques decrites ci-dessus fournissent une mesure de la rentabilite d'une solution d'un projet de rehabilitation. Cependant, ces methodes ne peuvent pas etre utilisees pour comparer et classifier correctement differentes solutions. Seule la methode du cout global (CGA) est appropriee.

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Guide technique d'audit enetgetique

4. I.A METHODE DU COOT GLOBAL ACTUALISt La methode du cont global actualise est la plus communement acceptee pour evaluer les profits economiques des projets energetiques tout au long de leur duree de vie. Generalement, la methode est utilisee pour evaluer au moins deux variantes d'un projet donne (par exemple, evaluer deux solutions pour I'installation d'un nouveau systeme de climatisation: Uil systeme a debit d 'air VariableOU Uil systeme de pompe a chaleur). Seule une solution sera finalement selectionnee apres analyse economique. La procedure de base de la methode de cout global actualise est assez simple car elle cherche a determiner les rentabilites relatives des differentes solutions. Pour chaque solution y compris le cas de reference, le cout global est calcule sur toute la duree de vie du projet. Ensuite, la solution ayant le cout global actualise le plus bas est generalement choisie. Le montant du coflt global actualise peut etre calcule en projetant tous les couts (investissement, installation, maintenance et exploitation) des systemes energetiques envisages: CGA = I.+

I: (C, + M.) /(1 + a)'

(3.14)

O Exemple 3.5 : Le proprietaire du bdtiment a trots options pour investir: A) Remplacer l 'ancienne chaudiere (y compris le bruleur)par un systeme de chauffage plus rentable.L 'ancien systeme chaudiere/brideur a une efficaciteTJ de seulement60 % a/ors que le nouveau systeme chaudiere/brideur a une efficacite TJ" = 85 %. Le coin de ce remplacement est de 10 000 euros. BJ Remplacer seulement le brideur de1 'ancienne chaudiere. Cetteactionpeut augmenter l'efficacite du systeme chaudiere/brideur a TJ" = 66%. Le cout de remplacement du bruleur est de 2 000 euros. C) Ne rien faire et ne remplacer ni la chaudiere ni le bruleur: Determinez la meilleure option economique pour le proprietaire du bdtiment. Supposez que la duree de vie du projet est de JO ans et que le taux d'actuallsation est de 5 %. La chaudiere consomme 18 900 litres par an au prix de 0, 32 euros le litre. Le coia de la maintenance annuelle de 150 euros est independant de la chaudiere, Utilisez la methode du coia global actualise pour determiner la meilleure option. Solution: Le cont total d' exploitation du systeme chaudiere/bruleur est pris en compte pour Jes trois options. Dans cette analyse, la valeur de recuperation de la chaudiere ou du bnlleur est negligeable, Les seuls flux de tresorerie annuels apres l'investissement initial de la nouvelle chaudiere sont done les emits de maintenance et Jes profits nets dus a I' augmentation du rendement de la chaudiere ( ces profits peuvent 8tre calcules comme decrit dans I'exemple 3.3). Pour presenter les calculs de ]'analyse en cont global, il est recommande de proceder comme decrit ci-apres:

47

Chapitre 3 - Methodes d'arutlyse economiquc -----

~

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-~-

Lt f\ID:"' nu '.'t' r oroa\l

-· - ---· -- -

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Investissement initial

-

(a) coil.t de remplacement 10 (euros)

T

()prr011

iiT----OrnuNAT 01'TJON (.

2000

10000

0

(b) fioul (litres)

17 182

13 341

18 900

(c) cont combustible (euros)

5 498

4269

6048

(d) maintenance (euros)

150

150

150

(e) coil.t total d'exploitation (euros) (c)+(d)

5 648

!

Couts d'exploitation annuels

4 419

6 198

Facteur d' actualisation (USPW) a = 5 %, N= 10 7,72

7,72

7,72

CGA [(a)+USPW*(e)]

44 116

47 849

45 604

Le cont global actualise de I' option A est done le plus faible. Il est done recommande au proprietaire du batiment de remplacer l'ensemble du systeme chaudiere/bruleur,

Note: Si le taux d'actualisation valait a= 10 % (valeur rare, le facteur d'actualisation FA vaudrait 6, 145 et les CGA de chaque option deviendraient : CGA(B)= 36 375 euros

CGA(A)=36 952 euros

CGA(C)=37 791 euros

L'option B deviendrait done la plus economiquement rentable et serait done l'option recomrnandee au proprietaire du batiment. Un fort taux d'actualisation est done favorable aux solutions a frais d'exploitation eleves (en general a faible investissement).

5.

PROCEDURE Ci~NiRALE POUR UNE EVALUATION ECONOMIQUE

11 est important de se souvenir que les recommandations pour un projet d' economie d'energie issues d'un audit energetique doivent etre fondees sur une analyse economiquement recevable. En particulier, l' auditeur devrait poser plusieurs questions avant d'emettre les recommandations finales, telles que: (a) Les economies du projet depasseront-elles les couts? (b) Quelle solution de conception sera la plus rentable? (c) Quelle taille de projet minimisera les couts totaux? (d) Quelle combinaison de projets imbriques maximisera les economies nettes ? (e) Quelle priorite devrait-on dormer aux projets si le proprietaire a une capacite d'investissement limitee? Comme mentionne plus haut, la methode d' evaluationeconomique la plus appropriee est celle du CGA Auparavant, plusieurs informations sont necessaires pour realiser une analyse economique appropriee et sensee, Pour aider l'auditeur a rassembler les informations requises et a appliquer la methode du cont global, la demarche systematique suivante de toute evaluation economique est proposee: 1) Definir le probleme que le projet de rehabilitationtente de resoudre et mentionner l'objectifprincipaldu projet.[Par exemple, un batiment a une ancienne chaudiere qui ne fournit plus suflisamment de vapeur pour chautfer

48

Guide technique d'audit energetique

tout l'immeuble. Le projet est de remplacer la chaudiere avec comme objectif principal de chauffer tousles espaces situes I'interieur du batiment],

a

2) Identifier les contraintes liees a la mise en eeuvre du pro jet Ces contraintes peuvent varier dans leur nature et oomprendre des limitations financieres ou des conditions spatiales. [Par exemple, la nouvelle chaudiere ne peut pas fonctionner au gaz car ii n'y a pas d'alimentation en gaz nature! proximite du batiment].

a

3) Identifier les variantes techniquement recevables pour repondre a l'objectif du projet [Par exemple, deux solutions peuvent etre considerees pour le remplacement d'une ancienne chaudiere: (i) une nouvelle chaudiere avec le bruleur de l'ancienne, (ii) un nouveau systeme chaudiere/bruleur, et (iii) un nouveau systeme chaudiere/brfileur avec un controle automatique de reglage airfioul]. 4) Choisir une methode d'evaluation economique. Parmi plusieurs alternatives, y compris le cas de base ( qui peut consister « ne rien faire »), la methode du cout global actualise est preferable pour les projets energetiques. Lorsqu'une analyse economique preliminaire est consideree, la methode du temps de retour simple peut etre utilisee. Comme il a ete mentionne precedemment, la methode du temps de retour n'est pas precise et devrait etre utilisee avec precaution.

a

5) Compiler les informations et etablir des hypotheses. Les informations comprennent Ies taux d'interet, les couts energetiques, les couts d'installation, les couts d'exploitation et les couts de maintenance. Certaines de ces donnees sont difficiles a acquerir et des hypotheses ou estimations sont necessaires. Par exemple, un taux d'interet moyen tout au long de la duree de vie du projet peut faire l'objet d'une hypothese en se referent des donnees historiques.

a

6) Calculer les indicateurs de performance economique. Ces indicateurs dependent de la methode d'evaluation economique choisie. 7) Evaluer les solutions. Cette evaluation peut etre realisee en comparant simplement les valeurs de cont global actualise des differentes alternatives. 8) Realiser une analyse de sensibilite. Puisque I' evaluation economique realisee I'etape 6 est generalement fondee sur des valeurs hypothetiques (par exemple, le taux d'interet annuel), ii est important de determiner si les resultats d'evaluation realises I'etape 7 dependent fortement de certaines de ces hypotheses. L'evaluation economique doit etre repetee en utilisant differentes hypotheses plausibles.

a

a

9) Prendre en compte les effets non-quantifies. Certaines solutions peuvent avoir des effets qui ne sont pas inclus dans l' analyse economique mais qui peuvent etre des facteurs determinants pour la prise de decision. Par exemple, I'impact environnemental (emissions de polluants) peut etre important pour disqualifier une solution par ailleurs recevable. 10) Faire des recommandations. Le choix final doit etre fonde sur les resultats des trois etapes precedentes (i.e. etapes 7, 8 et 9). Typiquement, la solution ayant la valeur de cont global actualise la plus basse sera recommandee, Des que le projet de rehabilitation est selectionne sur la base d'une analyse economique, il est important de decider des options financieres pour veritablement executer le projet

Chapitte 3 - Merhodes d'analyse economique

49

et mettre en ceuvreles mesures qui permettent une reduction des coflts energetiques de l'exploitation de l'installation. La section suivante discute des options de financement generalement disponibles pour les projets de rehabilitation energetique,

6.

OPTIONS DE FINANCEMENT

Plusieurs solutions existent qui servent au proprietaire ou a l'exploitant d'une installation a financer un projet de rehabilitation. Ces alternatives peuvent etre groupees dans les trois categories suivantes : achat direct ; - leasing; - contrat de performance. Chaque option de financement mentionnee ci-dessus est brievement decrite dans les sections suivantes en indiquant leurs avantages et desavantages.

6.1. lnvestissementdirect Cette categorie inclut toutes les alternatives ou le maitre d'ouvrage (par son representant) achete I'equipement et les services qui sont necessaires a mettre en application les projets de rehabilitation energetique soit en utilisant son propre argent, soit par un emprunt. Les avantages a utiliser ses propres fonds sont que (i) le maitre d'ouvrage beneficie directement des economies d'exploitation generees par le projet de rehabilitation et que (ii) la valeur de l'amortissement de l'equipement qui a ete achete peut etre deduite des impots, Le desavantage principal est une perte de fonds propres pour d'autres investissements. Lemaitre d'ouvrage peut emprunter pour financer le projet de rehabilitation. En general,Jes entreprises pretenses fournissent seulementune partie des fonds necessaires pour la mise en application du projet. Ainsi, I'installation doit financer l'autre partie des coflts initiaux par ses propres fonds et doit fournir des biens comme caution de l'emprunt. Le remboursementde l'emprunt est en general structure de telle maniere qu'il soit inferieur aux economies des coiits de I'energie. Ainsi, le maitre d'ouvrage supporte les risques tels que des economies d'energie moins importantes que prevu, Ainsi, seuls les projets avec des temps de retour tres courts (moins d'un an) sont pris en compte pour cette option de financement. Si la gestion de l' exploitation et de la maintenance est realisee par une compagnie exterieure (comme le « P4 exploitants» qui s' occupe de grandes installations en France), le financement peut etre fait par cette societe,

50

Guide technique d'audit energetique

6.2. Leasing Au lieu de faire un achat, le maitre d'ouvrage peut acquerir en leasing l'equipement necessaire au projet de rehabilitation energetique, Les lois et reglementations pour le leasing de l 'equipement son en general complexes et changent souvent. Ainsi, ii est recommande qu'un expert en finance et/ou un avocat soient consultes avant de signer un contrat de leasing. L' avantage du leasing est que les paiements sont habituellement moins eleves que Jes remboursements de l'emprunt. Deux types de leasing sont possibles: (i) leasing de capital et (ii) leasing d'exploitation. Le leasing de capital satisfait un ou plusieurs criteres : le leasing transfere la propriete du bien au client

a la fin de la periode de leasing

;

- le leasing inclue une option d' achat avantageuse (i.e. le montant d' achat est inferieur la valeur marchande) ;

a

· la periode de leasing couvre 75 % l 'equipement;

OU

plus de la vie economique estimee de

- la valeur actuelle du leasing minimum est superieure ou egale valeur marchande de l'equipement,

a 90 % de la

Ainsi, le leasing du capital ne requiert pas un paiement de capital initial de I' installation. De plus, il est enregistre dans le bilan du maitre d' ouvrage en tant que bien et dette. Si un leasing ne repond pas aux criteres listes ci-dessus, il est considere comme un leasing d' exploitation. Ainsi, 1' equipement est loue pour une redevance annuelle et mensuelle fixe pendant la duree du contrat. A la fin du contrat, le maitre d'ouvrage a trois options: renoncer l'equipement, renegocier le leasing ou acheter I'equipement a sa valeur marchande. Le leasing d'exploitation est enregistre en tant que depense periodique du maitre d'ouvrage et n'est pas comptabilise dans le bilan.

a

6.3. Contratde performance Un contrat de performance est une option de financement de plus en plus usuelle pour des projets de rehabilitation energetique. Typiquement, une partie tiers telle qu'une societe de services energetiques (ESCO) obtient des financements et estime le risque de performance associe au projet de rehabilitation. Generalement, le maitre d' ouvrage ne prend pas en charge l'investissement mais garantit plut6t uncertain montant des economies d'energie, Le financeur possede l'equipement pendant la duree du contrat. Ainsi, le bien d'equipement et la dette associee n'apparaissent pas dans le bilan de I 'installation. Le contrat de performance OU «paye sur economies» le maitre d'ouvrage, selon fin du contrat, la propriete

est quelque fois un contrat de type « economies partagees » car les economies realisees sont reparties entre l'ESCO et un accord documente dans le contrat de performance. A la de l'equipement est transferee au maitre d'ouvrage selon

Chapitte 3 - Methodes d'analyse economique

51

les termes specifies dans le contrat. Les contrats de performance sont par essence complexes et longs a negocier, En effet, ils impliquent generalement : - des specifications detaillees pour chaque installation; - des sommes importantes pour le projet de rehabilitation energetique ; des durees importantes puisque les contrats peuvent s'etendre surplus de cmq ans;

une large gamme d'imprevus ; - une expertise de haut niveau en ingenierie, en finance et en droit. Ainsi, le projet de rehabilitation doit avoir un potentiel eleve deconomiea energetiques pour l'ESCO et pour l'institution de financement pour valider le contrat de performance. Ainsi, l'ESCO depense generalement du temps, des efforts et des ressources pour realiser l'audit energetique et etablir une reference recevable a partir de laquelle les economies energetiques peuvent etre estimees,

7.

CONCLUSION

L'audit energetique de batiments tertiaires et industriels comprend une large variete de taches et necessite de 1' expertise dans de nombreux domaines pour determiner les meilleures mesures d'economie d'energie. Ce chapitre a decrit les differentes methodes d' evaluation economique. Les methodes d'analyse (telles que la valeur actuelle nette, le rapport cout/profit, le taux de rendement et le temps de retour sur investissement)adequates pour l'evaluation des alternatives simples ne peuvent pas etre utilisees rigoureusement pour classer ces alternatives. Seule la methode du cofrt global actualise devrait etre utilisee pour selectionnerI' option la plus economique. Sous certaines conditions, la methode du temps de retour peut conduire a des conclusionserronees et devrait done etre utilisee uniquement pour fournir une premiere indication sur le projet de rehabilitation energetique.

8.

BIBLIOGRAPHIE

Claude Riveline. Evaluation des couts. Cours de l'Ecole des mines de Paris. Daniel Fixari. Ca/cul economtque. Cours de l'Ecole des mines de Paris. Paul Reboux. Energetiquedes bdtiments. PYC Edition.

Chapitre 4 Outils d'analyse enerqetique

R£SUME Ce chapitre donne une breve vue d'ensemble des differents outils a disposition des auditeurs energetiques pour evaluer I' existant et Jes economies realisees a partir de solutions performantes. Ce chapitre se focalise sur les methodes de calcul simplifiees, les modeles de signature energetique, ainsi que les programmes de simulation par ordinateur.

1. I NTRODUOION Pour analyser la consommation d'energie et estimer la rentabilite des mesures d' economie d' energie, un auditeur peut utiliser differentes methodes de calcul. La litterature fournit la documentation sur un large eventail de methodes simplifiees et detaillees, de techniques et de procedures de reduction des coats d'exploitation des batiments. Cette litterature reflete l'experience acquise depuis la crise du petrole des annees 1970. Une methode usuelle d'analyse energetique est I'utilisation du bilan thermique fonde sur le premier principe de la thermodynamique. 11 est applique a tout systeme thermique: un batiment entier, un systeme de traitement de l'air ou un precede industriel. Par exemple, le calcul du transfert de chaleur de l' enveloppe du batiment permet d'estimer les deperditions thermiques. Une deuxieme methode consiste a appliquer des modeles de regression entre un parametre, decrivant le comportement d'un batiment (comme par exemple sa consommation energetique, ses cofrts energetiques,etc.) et d'autres variables (comme la temperature exterieure, le rayonnement solaire, le taux d' occupation, les unites de production, etc.). La demarche la plus simple est de realiser une modehsation de l' etat de regime permanent du batiment et d 'utiliser les mesures de consommation d'energie pendant des periodes predefinies (par exemple, les factures energetiques mensuelles). Cette demarche peut etre utilisee pour developper des modeles de signature energetique presentes dans ce chapitre. Le choix de la methode a utiliser pour analyser la consommation energetique d 'un batiment depend de l'objectif vise par l'analyse energetique, analyse technico-

54

Guide technique d'audit energetique

economique de la rehabilitation, diagnostic de mauvais fonctionnement d'un equipement, test de rentabilite des composants, evaluation des mesures de maitrise de la demande d'electricite, etc ... Trois methodes principal es d' analyse thermique existent : Des methodes basees sur des ratios, utilisees pendant un pre-diagnostic ; Des methodes synthetiques (ou des methodes d'identification) qui peuvent etre classees en deux categories : des methodes statiques OU « signatures energetiques » ; des methodes dynamiques. . Des methodes analytiques (ou des methodes explicatives previsionnelles ou de modelisation avancee) qui peuvent etre classees en deux categories : • des methodes statiques ; des methodes dynamiques. Une autre demarche consiste en des methodes incluant Jes deux definitions, c'est-adire les methodes avancee et inverse, appelees egalement methodes hybrides.

2.

METHODES BASEES SUR DES RATIOS

2.1. Que sont les ratios ? Ce n'est pas simple de comparer la consommation energetique de deux batiments. En effet, la taille, }'emplacementet la fonction peuvent tous etre des facteurs importants pour la consommation d'energie d'un batiment. Beaucoup d'auditeurs energetiques, meme s'ils ne l'avouent pas, confortent leurs resultats en se referant a des ratios. Ces ratios sont en general calcules sur la base des factures energetiques OU a partir de mesures prises pendant la visite sur site. Les ratios estimes sont compares a des ratios de reference, etablis pour d'autres batiments sirnilaires (meme fonction, meme emplacement, etc.), pour evaluer l'efficacite energetique du batiment. Les ratios sont parfois utilises pour d'autres raisons, telles que: - Detecter une forte consommation d'energie et evaluer si un audit energetique est rentable. Evaluer si un certain objectif energetiquea ete atteint pour le batiment, Sinon, la valeur de la reduction de consommation d'energie peut etre estimee. - Mesurer dans le temps l'evolution de la consommationd'energie des batiments, qui ont ete audites ou non, et estimer I'efficacite et la rentabilite des travaux effectues apres un audit.

55

Chaphre 4 - Outils d'analyse energetique

De plus, les ratios peuvent fournir quelques idees sur la nature des rehabilitations considerer :

a

• analyse des couts energetiques ; . gestion et controle energetique ; - equilibrage hydraulique ; - isolation thermique; - remplacement de materiel; recuperation d'energie. Une utilisation judicieuse des ratios necessite : - Une grande base de donnees1• Des analystes bien formes pour utiliser soigneusement cette methode. Ils auront une bonne connaissance de toutes les erreurs qui peuvent etre commises en utilisant des ratios et apprecieront chaque ratio grace leur experience.

a

Une connaissance suffisante des donnees du site. L' entreprise qui realise les audits energetiques doit tirer profit de l 'experience acquise pendant des audits precedents. Elle peut done constituer une base de donnees de ratios. Le contenu d'une telle base de donnees peut varier selon le secteur du batiment, mais la meme demarche et un format identique peuvent etre adoptes, Une base de donnees peut contenir, par exemple, les informations suivantes : le nom du site, de la ville, de l' emplacement dans la ville ; les donnees de degres-jours ( degres-jours

avec une temperature de base de

18°C); le type du batiment, la taille du batiment, la date de construction; le nombre d'occupants ou d'employes; la consommation energetique pour des applications specifiques : le chauffage, le conditionnement d' air, l' eau chaude sanitaire, etc; - des donnees structurelles sur le batiment et les puissances installees ; - des donnees concernant le scenario d'occupation

et d'utilisation d'energie.

Un exemple de fichier de base de donnees est presente dans le tableau 4.1 pour des hotels.

1 Ratios calcules pour des milliers de batiments ayant fait I' objct d'un suivi pendant plusieurs annees,

56

Guide technique d'audit energetique

date d&B maaures

nom dal'hotet r.RtAnorie viii&

rfflrance Audit

DJU

par1!culartttl

cantrB YIILelouVnon•

donnees structurelles Restaurant ouJlnon dlmatisation toullnon\ cepecite en reoes nombre de chambras surface chauffea surface totala surf8ca totat&I chambre

Stlrfaoelehambre de blanchl888rte tart! 61ect~ou•

nombre

t>uissanoe souscrtte en heure Dleim 61ectridt&

%

o;

Gaz

aulssance totale lnstallt!,e (kW) lcuissance lnstauee (kW/chambra) cha

•

kWlchamln kW/m2 kW/chambr& kW/m2 kW/ctiembra kWlm2 kW!dlembra

Ventilation dlrnatlsallon NU chauda sanltalre Acccumulstlon semi-6CC\lmulelion

instentennee

I

cuisine edalrana uterieur 6clairaae total interiaur branchlsser1a

I

I I I

I

avec ascenseur sans escenseur

W/rerJaB kW/chombre kW/dlambre kW/chem bro

I I I

I

kW/chambra kW/chambr&

donnees conjoncturelles nb de chambres I an ECS 111 chamtn lolleeJ !!CS """"""'"61Volicotl blanchl118811o no, I chembra lo""8 blenchisseria lka I roorl 6iec!ricite

%

Gaz

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kWh/m2 clleull6 kWhlchamb.ra loua kWl\leharnbro loue kW/m2 lUe kW/m2 ciimeti&6 l

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.

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900000 800000 700000 600000 50UOOO 400000 300000 200000 100000 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

C,egre-Jours

Figure4.1 : Application type de la methode agregee utilisant Jes degres-jours Cette methode est pratique pour visualiser la consommation d'energie pendant la periode de chauffage et aussi pour visualiser tout changement dans la structure d 'un batiment (due l' amelioration de l 'enveloppe) ou d' installation (due au remplacement de chaudieres, refroidisseurs, etc.).

a

Differents logiciels existent. Parmi les plus connus, on peut citer PRISM (Princeton Scorekeeping Method) largement employe aux Etats-Unis (dont l'equivalent francais est Ia methode ANAVILLE), et la methode ANAGRAM en France. Ces deux programmes sont decrits brievement ci-dessous :

Methode ANAGRAM La methode ANAGRAM («Analyse Graphique Mensuelle des consommations ») a ete developpee par Gaz de France en 1985. La consommation d' energie annuelle Ch (Wh/ an) est calculee par: B

Ch=24xRxVxDJxI -

(4.1)

24: nombre d'heures dans la journee B : coefficient de besoins du batiment (W /m3. 0C) R: rendement moyen du systeme de chauffage V: volume chauffe (m3) DJ: degres jours moyens du site (fondes sur 18°C) I: coefficient d' intermittence

La consommation mensuelle en fonction des degres-jours mensuels est representee par une droite. Cela suppose que le chauffage depend uniquement de la difference entre temperature interieure et exterieure, et que la pente BIR et la temperature de non chauffage Tnc sont independantes des degres-jours, La pente de la droiterepresente

la consommation d'energiea fournirlorsque la temperaturebaisse d'un degre Celsius. La valeur en abscisse pour une consommation nulle permetde calculer la temperaturede non chauffage.

Chapitre 4 - Outils d'analyse

67

energetique

Exemple d'utilisation de la methode ANAGRAM Dans un batiment de 15 000 m3 chauffe d'octobre a mai, la consommation d'energie moyenne et les degres jours sont indiques ci-dessous pour les annees O et 1. Degres jours mensuels r°C.il

Ch [MWh] Annee O

Ch[MWh] Annee D

115 235 375 485 580 535 165 310 185

0 80 200 280 340

0 20 80 120 150 135 110 50 10

Septembre Octobre Novembre Decembre Janvier Fevrier Mars Avril Mai

310

260 140 60

Figure 4.2: Montre graphiquement Jes variations des consommations d'energie avec Jes degres-jours mensuels

------------...-,;,) aco 2W

~ ~~Jr:~~r~i1Jt

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'.50

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Figure 4.3: Application de la methodeANAGRAM

La droite de Figure 4.3 coupe l'axe des x (pas de chauffage) pour 120 DJ I'annee 0. Calcul de la temperature de non chauffage Tnc: [DJ(mois)-(18-Tnc(mois))]=O --> Tnc

=18-120/30 = 14°C

Pente de la droite 225000/300 = 24*0.001 *(B/R)*V I> B/R=2.08 W/(m3. C) 0

Puissance nominale de chauffagepour Tb = - 7 °C (Paris) et Ti = l 9°C, P= O.OOI*(B/R)*V*(19-Tb)= 811 kW. Entre les annees O et 1, une amelioration de I'isolation du batiment a ere realisee. Les resultats sont illustres sur la courbe. La pente est plus faible puisque le coefficient B est ameliore ; la temperature de non chauffagepasse de 14 °C a 13 .5°C.

68

Guide technique d'audit energetique

Cette methode a ete principalement utilisee pour evaluer l'effet de la renovation thermique (ajout d'isolation, changement de chaudiere, etc.) et suivre l'evolution de la consommation d'energie d'un batimenr' lorsque des ameliorations sont mises en ceuvre. Elle a egalement ete utilisee pour verifier la qualite du reglage des regulations dans un batiment, par exemple lorsque la temperature de chauffage nul se situe endessous de 15 °C.

Methode PRISM (Princeton Scorekeeping Method}- Methode ANAVILLE De la meme maniere qu' ANAGRAM, les methodes PRISM et ANA VILLE correlent les degres-jours de chauffage ou de refroidissement par periode de fucturation avec l'energie consommee, PRISM est fonde sur une regression de consommation avec des degresjours a base variable (contrairement a ANAGRAM qui prend la temperature de l8°C comme reference). De plus, PRISM peut etre utilise avec une periode irreguliere de releves de facturation. Un logiciel base sur PRISM a ete mis au point pour les ingenieurs des villes de France: ANAVILLE prenant en compte le taux d' occupation. Le tableau 4.3 presente une comparaison entre le modele ANAGRAM et le modele ANAVILLE. L'expression de la consommation d'energie Ch (kWh/an) est Iegerement differente de celle d' ANAGRAM:

Ch= 24 x 0,001

X

GV

RX DJ(T,,) +Chase

(4.2)

- Chase: Consommation de base kWh/an - G: coefficient de deperditions du batiment (Th-G) - DJ (T~) = ~ [ Tm - T...] avec T i = temperature exterieure V, R, Tnc ont la meme significatio~ que pour ANAGRAM

ls~1 I I

I

I

~·

Degres jours en base Tnc Ratio d'Occupation Frequence des releves Donnees necessaires

1\NA(iRAM --·~---·Correction de D.J. Non

I

AK·\'• JI.LE Exacts

----

l

Oui

30jours

Variable

Degres jours mensuels

Temperaturesexterieuresjournalieres

Tableau 4.3: Comparaison des caracteristiques de ANAGRAM et ANAVILLE 4 Dans certains cas, Jes releves de compteurs utilises pour etablir la facturation d'energie soot differentes de la con.sommation reelle (par exemple a cause d'une defection de cornpteur). Ces problemes peuvent etre identifies par exemple lorsque des periodes avec des degres-jours bas connaissent des consommations importantes.

Chapitte 4 - Outils d'analyse

energetique

69

3.2. Les modeles identifiesdynamiques Les modeles statiques sont uniquement applicables a des valeurs moyennes de consommation d'energie. On a besoin en general de donnees de consommation d'energie sur une longue periode de temps pour pouvoir les etablir, Une alternative consiste a faire l'hypothese d'un modele dynamique du batiment et a identifier ses parametres a partir de mesures en regime dynamique sur de courtes periodes (generalement une semaine). Les modeles dynamiques se distinguent par la fonne du modele et par l'algorithrne servant a I'Identification des parametres. Un exemple de modele dynamique est presente ci-dessous :

Dans ce cas, la temperature Ti est expliquee par la temperature exterieure T 0• Les coefficients a identifier a partir des mesures sont les bi et les aj. Leur nombre definit l'ordre du modele. L'experience montre qu'un modele d'ordre reduit est peut etre moins precis sur I'echantillon servant a I'identification mais plus robuste des qu'on cherche a se servir du modele pour d'autres valeurs d'entree. La presence de T. a differents pas de temps traduit la memoire thermique du systeme (son etat a l'instant t depend non seulement des sollicitations a cet instant mais aussi de son passe). Ces modeles sont capables de reproduire des effets dynamiques du batiment. Leur inconvenientprincipal est leur de comprehension et le besoin de mesures detaillees,

4. MoDfUSATIONPHYSIQUEDU BATIMENT La methode la plus utilisee par les auditeurs ne consiste pas a identifier un modele mais plutot a en reconstituer un a partir des differents elements intervenant dans le bilan thermique du batiment. Ce modele sert a determiner les consommations d'energie courante ou anterieure et ii prevoir la consommationd'energie consecutive a certaines ameliorations. Afin d'atteindre une large partie du public, 1' ADEME propose aux personnes interessees de connaitre I'efficacite energetique de leur maison via un prediagnostic sur son site Internet'

4.1. Les modeles statiques Le modele en regime permanent le plus simple calcule la consommation avec l'equation 4.1 : 5 http://www.ademe.fr

70

Guide technique d'audit enecgetique

Ch= (EKS +0,34.Q). (1-F) .24.DJ 1J

(4.4)

- Ch: consommation (Wh) - K: conductance de paroi (W/(m2• C)) - S: surfaces (m2) Q: debit de renouvellement d'air (m3/h) • F : ratio de gains internes - DJ : degres jours - 1J rendement 0

4.2. Les methodes dynamiques Les modeles dynamiques consistent generalement en des programmes de simulation sur ordinateur avec des pas de temps horaires ou sous-horairse pour estimer les effets de l'inertie, les gains solaires, les changement de consigne, le stockage explicite d'energie ou les strategies de regulation. Ces programmes sont assez coiiteux a faire fonctionner et generalement utilises pour des ensembles complexes de batiments du secteur tertiaire. L'utilisation de tels outils represente un investissement financier qu'il faut pouvoir justifier. Le schema typique d'un programme de simulation est presente dans la Figure 4.4.

Don«, bidment Puissanec-. d., chauJTags et rafuiichis•~mi;nl

cl.,

Donn&s Mjulpemeat Pul..·.anct. °" due 9 B~"".~

aluioem-:.nts

Figure 4.4: Diagramme d'un modele complet de batiment

Ce type de programme de simulation detaillee necessite une description precise du batiment (geometric et composition du toit, des murs, des fenetres, la masse interieure, de I'equipement de conditionnement d'air, du planning d'occupation, etc.). La simulation est executee toutes les heures. Certains des programmes de simulation sont brievement presentes ci-dessous: - DOE-2 (versions DOE-2.1, bientot 2.2). DOE-2 a ete developpe par le laboratoirede Berkeley, Etats-Unis. II a ete largementutilise a cause de son caractere complet. 11 peut calculer des couts de consommations horaires, journaliers, mensuels, et annuels de chaque type de fioul utilise que ce soit sur le site OU a la source. La methode de calcul de cont global actualise est utilisee

Chapitre 4 - Outils d'analyse energetique

71

pour foumir une mesure pour comparer le rendement de chaque cas par rapport a un cas de reference. DOE-2 est le standard pour la simulation energetique des batiments aux Etats-Unis. La Figure 4.5 illustre un exemple d'un modele pour un batiment developpe avec eQUEST.

Figure 4.5: Exemple d'un modele d'un batiment developpe avec eQUEST

- Le programme BLAST (Building LoadsAnalysis and Systems Thermodynamics) permet de calculer les besoins energetiques d'un batiment. Tout comme DOE2, les calculs de charge dynamique dans BLAST peuvent etre realises pour un OU plusieurs jours types OU pour une annee, Cependant, les calculs energetiques dans BLAST sont fondes sur le principe d'equilibre de chaleur (plutot que sur les facteurs de ponderation utilises par DOE-2). C'est pourquoi BLAST peut etre utilise pour analyser des systemes tels que les panneaux de chauffageradiatifs qui ne peuvent etre modelises de faeon convenable par DOE-2. - ENERGYPLUS6 construit a partir des caracteristiques et des fonctionnalites de DOE-2 et de BLAST. Sa premiere version est parue en 2000. ENERGYPLUS corrige la plupart des Iacunes de BLAST et de DOE-2. Des solutions integrees pourront egalement permettre aux ingenieurs et aux architectes d'evaluer de nombreuses mesures d'economies d''energie qui ne peuvent pas etre correctement simulees ni par DOE-2 ni par BLAST, incluant: • le free cooling utilisant l 'air exterieur ; . les regulationsrealistes ; · I'adsorption et la desorption d'humidite des elements du batiment. II existe quelques interfaces pour EnergyPlus comme DesignBuilderet Open Studio. Le modele de la Figure 4.6 est developpe par Open Studio.

Figure 4.6: Exemple d'un modele developpe avec EnergyPlus 6 Plus d'informations sur: http :,lwww.cren.doe.gov/buildings,"energy _tools/energyplus.htm

72

Guide technique d'audit energetique

• HAP (1.17 ou 3.05) est un programme developpe par Carrier et couramment utilise pour calculer les charges pour les systemes d'air conditionne dans des systemes multizones (allantjusqu'a 20 zones). - TRNSYS est un programme de simulation de systeme avec des modules caracteristiques de la flexibilite du programme. II permet de creer des modeles mathematiques differents de ceux deja fournis dans la bibliotheque. La connaissance de Fortran est necessaire pour l'utiliser correctement.

5.

BIBLIOGRAPHIE

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Chapitte 4 - Outils d'analyse energetique

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Chapi re 5 Amelioration des systernes electriques

RESUME Ce chapitre porte sur les solutions d'amelioration et d'economie d'energie des systemes electriques, D'abord, on rappelle les caracteristiques de base d'un systeme electrique, Ensuite, on decrit des solutions d' amelioration energetiquepour les moteurs, I'eclairage et quelques equipements. En plus de breves descriptions des solutions, on propose des methodes de calcul simples pour estimer les economies d'energie et de couts. Enfin, on presente une fiche de calcul typique pour chaque solution.

1.

INTRODUCTION

Dans la plupart des batiments et des installations industrielles, les systemes electriques representent une part importante de la consommation d'energie finale. Dans le tableau 5.1, on compare la repartition de la consommation electrique dans trois secteurs (residentiel, commercial et industriel) pour les Etats-Unis et la France.

=-

?ECfFU~_i

__-____ US

j

FRANCE _j

residentiel

41%

27%

tertiaire

55%

40%

industrie

15%

30%

Tableau 5.1: Repartition en% des consommations d'energie finale dans les trois secteurs pour les Etats-Unis et la France (Source: Krarti, 2011)

Les moteurs, l 'eclairage et les systemes de climatisation sont des installationspresentes partout. Dans des batiments tertiaires, la consommation d' energie en electricite a progresse au cours des annees 1990 du fait de la croissance de I'equipement bureautique. Avec les annees 2000, s'amorce une legere decroissance due a la saturation en equipement conjuguee aux effets de reduction des consommations des appareils (politique soutenue de maitrise de la demande d'electricite - MDE).

76

Guide technique' d'audit energetique

2.

RAPPEL DES BASES CONCERNANT LES svsTiMEStLECTRIQUES

Lorsqu'un systeme electrique lineaire fonctionne sous courant alternatif, la variation de la tension et de I'intensite au cours du temps peuvent etre representees sous la forme d'une fonction sinusoidale:

(t) = V mCOSW't

(5.1)

i(t) =Im.cos(mt-.T + fw.Vw2)12

(6.11)

AT est la difference de temperature entre l' exterieur et l' interieur ; - v la vitesse moyenne du vent mesuree sur une periode donnee ; fwet f sont respectivement les coefficients de I'effet cheminee et du vent. '

w

Les tableaux 6.7 et 6.8 donnentles valeurs de ces coefficients en fonction de la hauteur du biitiment et des conditions du terrain environnant le biitiment.

r-- ------ ·-·-·. ·-----------

I

··--· ······----

U!11111

----··

.--.

[(L 'm~f/cn:rl,C)C]

----

-~--

HAullillR DP 1\,\TIJ\lm~rCNm,mP.li o'EIAGU~) 1

Coefficient -£;.

··-~·-·.

0,000139

·-.

2

0,000278

-r---·--

----

3+

0,000417

Tableau6.7 : Coefficient f, en fonction de la hauteur du batiment

-

- - - ·~r·· --- . . - - - -··-· · -

116

Guide technique d'audit energetique

CCJBFYil'lRNT f

1, rf·, D{I Ttr.r.Arr;O!" .. -- . -; f----

-----

..

1

----~1 . v..mp. [4L'm~n:m4 °C (m,'s)-1

-~-ii~~:;;;~-;:- ('l:r-;~l~!~~ l

----· -------~ 0,000319

I

~

(_t.1~f~~;· ;)~~;~~~;· - ~

:!

--

-···--· ·--·~0,000420

!

. --

-

3.... ~--

-- .

0,000494

2

0,000246

0,000325

3

0,000174

0,000231

4

0,000104

0,000137

0,000161

5

0,000032

0,000042

0,000049

0,000382 ~ 0,000271

* Description des types du terrain: 1. 2. 3. 4.

Pas d'obstacles ou d'obstructions Quelques obstacles et quelques arbres Certains obstacles avec des clotures solides et des batiments voisins Obstacles dans la majeure partie du perimetre, existence aux alentours de 10 m des batimcnts et' ou des arbres dans la plupart des directions 5. Grands et hauts obstacles entourant le perimctre du batiment, terrain typiquc d'un centre-ville.

Tableau 6.8: Coefficient fw en fonction de la hauteur et du terrain du Mtiment

Pour reduire les infiltrations d'air, il existe plusieurs methodes dont le masticage, le calfeutrage, l'amenagement d'espaces verts aux abords des immeubles pour les proteger du vent et la mise en place d'un bardage pennettant de renforcer l'isolation de l'enveloppe du batiment,

Figure 6.5: Mesure de l'infiltration d'air en utilisant la technique de la porte soufflante

Les gaz traceurs sont generalement utilises pour mesurer le taux d'infiltration d'un batiment. En observant la concentration, apres injection, d'un gaz traceur (un gaz inactif, inoffensif et qui se fond dans l'air), on evalue les echanges d'air a l'interieur du batiment. Par exemple, la methode de dilution consiste a injecter un gaz traceur pendant une courte periode, On observe alors, sur une longue periode la diminution de la concentration du gaz traceur du fait de l'apport d'air neuf infiltre. Le taux de renouvellement d'air ACH (nombre de fois par heure ou le volume d'air du local est totalement renouvele) sert a mesurer le debit infiltre. On le determine a partir de la variation de la concentration c(t) du gaz traceur:

117

Chapitre 6 - Audit energetigue de l'enveloppe du batiment

c (

t) =

Co .e-ACH.t

ACH =sh= i .Ln[ c(;)]

(6.12)

- c0 est la concentration initiate du gaz traceur [m3,m3] vh est le volume du batiment (m31

a

La charge thermique due aux infiltrations d'air est delicate estimer. La charge thermique sensible, qinf' est generalement approximee comme suit:

qinf

= p.Cpa.vinf· (T; -To) =

ffi;nt.Cpa•

(T; -To)

(6.13)

- p: densite ou masse volumique de l'air [kg/m3] - cpa: capacite thermique de ]'air [J/kg.0C] - V;nr: debit volumique d'infiltration de l'air [m3/s] - minr= debit massique d'infiltration de l'air [m3/s] - T; : temperature interieure [0C]

- To : temperature exterieure [°C]

a

L'hypothese dans l'Eq.(6.13) est que ]'air infiltre arrive dans Jes locaux la temperature exterieure T0• Toutefois, diverses etudes recentes montrent qu'en fait, ]'air qui s'infiltre se rechauffe l'interieur de la paroi du batiment avant d'arriver dans Jes Iocaux. Ce rechauffernent apparait en particulier lorsque la fuite se produit d'une maniere diffuse (grace Ia longueur des canaux d'ecoulement d'air l'interieur de l'enveloppe). Par consequent, l' energie thermique prov enant des infiltrations d 'air est inferieure a celle determines par l'Eq.(6.13) et depend des echanges de chaleur entre l'air et son mode de circulation l'interieur de l'enveloppe.

a

a

a

a

a

Lorsque l'enveloppe du batiment n'est pas impermeable l'air, on peut supposer que l'infiltration d'air se produit directement par cheminement de l'exterieur vers l'interieur, sans recuperation significative de chaleur, et ainsi, ]'Equation (6.14) peut etre utilisee, Dans le tableau 6.9, on trouve des valeurs typiques pour les infiltrations de ]'air pour les batiments en France.

VoLUMF DU BATIMENl (m')

Dsarr D'AIR

INFillRE

(vol/n)

BONNE CONSTRTJCrIOi''

CO!'TSTRUC"TION SOlGi'1EE

De o s 100

1,5

0,75

De 100 a500

1,2

0,60

De500a2000

1,0

0,40

De 2000 a 5000

0,9

0,35

De 5000 a 15000

0,65

De 15000 a 25000

0,5

Plus de 25000

sov=

Tableau 6.9 : Valeurs typiques pour Jes infiltrations de l' air Source: AICVF

.

-

-

118

Guide technique d'auclit energetique

Ponts thermiques Les ponts thermiques sont des rupteurs d'isolants, ce qui se produit generalement a l'intersection de deux parois. Ils sont responsables d'environ 5 a 10% des pertes thermiques et peuvent provoquer de la condensation dans les murs ce qui peut les deteriorer rapidement. Plusieurs types de ponts thermiques peuvent etre detectes dans un batiment: - plancher bas/mur exterieur ; - plancher intermediaire (ou balcon)/mur exterieur; - plancher haut (ou toiture terrasse )/mur exterieur; ~ liaison entre deux murs exterieurs (angle rentrant ou sortant) En utilisant des images thermographiques, les ponts thermiques des batiments peuvent etre identifies comme le montre la Figure 6.6.

Figure6.6: Exemple d'un pont thennique dans une residence

Les consequences des ponts thermiques sont bien documentees et incluent: - Des consommations de chauffageet de refroidissement plus elevees : les ponts thermiquessont des zones ou ii ya un defaut d'isolantet done ou se produisent des «fuites de chaleur», Une partie de l'air chauffe/refroidi"Va done se refroidir/ chau:fferdirectement au niveau de ces ponts thermiques necessitant un surplus de chauffage/refroidissement. - La sensation de deconfort: la temperatureau niveau des ponts thermiques va provoquer des sensations de parois froides (pendant l'hiver) et/ou chaudes (pendant l 'ete) provoquant des inconforts certains pour les occupants. - La condensation: les ponts thermiques peuvent provoquer la condensation de l'air humide a l'interieur des murs conduisant a une degradationde leur structure.

Coefficientglobalthermique Pour caracteriser la performance thermiquede l 'enveloppe d'un batiment, un coefficient global thermique est generalement utilise. Ce coefficient global, GVh, (ou BLC, en

Chapitre 6 - Audit energetique de l'enveloppe du batiment

119

anglais pour «Building Load Coefficient») donne une estimation de la deperdition totale thermique et de l' infiltration incontrolee de l' air a travers toutes les parois:

BLC=

I:~=i UA + Ihc;m

(6.14)

UAi est le produit de la conductance thermique et la surface de chaque paroi, Nest le nombre des parois en contact avec la temperature exterieure, et minf est le debit de masse de I'mfiltration d'air. En France, le coefficient thermique global est generalement calcule en determinant d' abord un coefficient de deperditions thermiques volumiques G 1 en W /m3• °C a partir de tous Ies elements de qualite composant l'enveloppe du batiment (toiture, parois, portes et fenetres) : (6.15) - U. est la conductance thermique surfacique associee

u:Ai en W/°C,

a la surface interieure Ai,

- ui est la conductance thermique lineique associee a la liaison de longueur Li, UiLi en W/°C, - Vh est le volume total du batiment en m3•

3.

8ESOINS ENERGETIQUES DE CHAUFFAGE ET DE REFROIDISSEMENT DES BATIMENTS

Bilan thermique Les charges de chauffageet de refroidissement d 'un immeuble peuvent etre estimees a partir des bilans thermiques des flux de chaleur en fonction des deperditions de l'enveloppe, mais aussi des gains solaires et intemes. Pour le regime de chauffage, illustre par la Figure 2.7, le bilan thermiquepermet de determiner les deperditions a un instant donne : (6.16) - GV h ou BLC est le coefficient de deperditions thermiques et complete des pertes par infiltrations. (6.17) • qg integre 'l.ot (apports solaires), qint les apports intemes (occupants, eclairage, equipements, etc.).

CJ.g = CJ.sol + Cf int

120

Guide technique d'audit energetique

.

q~

Figure 6. 7: Bilan thermique simplifie d'un batiment Cette equation peut etre modifiee en integrant la temperature de non chauffage du batiment Tb: (6.18) Avec la temperature de non chauffage Tb, aussi connue sous le non de temperature de base ou d' equilibre, definie par: (6.19)

a

Par consequent, la temperature de non chauffage correspond la temperature interieure de consigne en tenant compte des apports de chaleur gratuits. On estime que les apports gratuits contribuent a l'augmentation de la temperature d'environ 3°C dans la plupart des batiments. Du fait de l 'amelioration de l' enveloppe, les gains gratuits sont de plus en plus importants en valeur relative. L'integration des charges de chauffage instantanees sur toute la saison de chauffe permet de determiner la charge globale de chauffage d'un batiment. On remarque que seules Jes valeurs positives de 'lH sont prises en compte dans I'integration, Dans la pratique, on evalue approximativement I 'integrale en faisant la somme des moyennes calculees sur des intervalles courts (une heure ou unjour). Si l'on prend une moyennejour, la charge de chauffage est estimee a: NH

Nu

i=l

i=l

QH = 24.Lq;,i-:: 24.GVh.L (Tb-To,i)+

(6.20)

La somme est calculee en fonction du nombre NH' de jours de chauffage sur toute la saison de chauffe. L'equation (2.20) definit les degres-jours de chauffage, DJH

Chapitre 6 - Audit energetique de l'enveloppe du batiment

121

(ou DDH en anglais), qui depende uniquement des temperatures exterieures et de la temperature de non chauffage: NH

DJH(Tb)= L(Tb-To,)+

(6.21)

i=l

La methode des degres-jours pourrait aussi a priori etre appliquee aux charges de refroidissement en estimant des degres-jours de refroidissement, DJc(ou DDc en anglais) en utilisant une equation similaire a l'Eq. (6.20):

DJc(Tb) =

L er, -Tb)+ Ne

(6.22)

i=l

T:

- N est le nombre de jours de la saison de refroidissement est la temperature de base qui represente la temperature de non refroidissement. La methode des degres-jours necessite plusieurs hypotheses dont: - coefficient de deperditions thenniques constant, - infiltrations d'air constantes, - aucune influence de la dynamique du batiment sur les consommations, - aucune influence de l 'humidite interieure et exterieure sur les consommations. Par ailleurs pour passer a des consommations, il faut supposer que I'efficacite des systernes de chauffage ou de refroidissement est constant et notamment independant des conditions exterieures et du niveau de charge. La plupart de ces hypotheses sont tout a fait justifiees pour la saison de chauffage, mais aucunement pour la saison de refroidissement.La methode des degres-jours permet done d'obtenir une estimation tres satisfaisante de la consommation annuelle de chauffage, en particulier pour les batiments ou les deperditions sont tres importantes. En revanche, la methode des degres-jours n'est pas assez precise pour calculer les charges de refroidissement, en raison de differents facteurs: e:ffetde masse thermique du batiment retardant l'action des apports de chaleur intemes, temperature exterieure estivale douce provoquant d'importantes erreurs sur l'estimation des degres-jours de refroidissement, et grande variation du taux d'infiltration ou de ventilation provoquee lors de l'ouverture des fenetrespar les occupants ou de I 'utilisation de cycles economiseurs. D'une maniere generale, une methode statique se revele peu adaptee pour permettre de calculer les consommationsd'energie des batiments climatises en saison de reftoidissement. Le concept des degres-jours de chau:ffageet de refroidissementest illustre par la Figure 6.8 pour une temperature de base, Tb, en fonction de Ia variation de Ia temperature exterieure pendantune annee.

122

Guide technique d'audit energetique

90

I

180 Clay

Figure 6.8: Degres-joursde chauffageet de refroidissementassocies a une temperature de base,Tb Bi/ans energetiques de chauffage et de refroidissement Connaissant le rendement de systeme de chauffage, 11H, la consommation d'energie totale peut etre estimee en utilisant les degres-jours de chauffage, DJH (Th) :

EH= QH = Nh,H·GV.DJH(Tb) T)H

1JH

(6.23)

Avec Nh,H le nombre moyen d'heures de chauffage par jour. Similairement, la consommation d' energie pour la climatisation peut etre estimee en utilisant les degres-jours de refroidissement, DJc (Tb) et le rendement, exprime en COPC, du systeme de refroidissement:

_ Qc _ Nh,c.GV.DJc(Tb) E0 - COPc COPc

(6.24)

Avec Nh,C est le nombre moyen d'heures de refroidissement par jour. A:fin de determiner la rentabilite d'une mesure d'amelioration relative

du batiment, on doit evaluer au prealable les economies d'energie,

a l'enveloppe

Estimation des economies d'energie Quand une mesure d' economie d' energie est mise en place pour ameliorer I' efficacite energetique de l'enveloppe du biitiment (par exemple, lamise en ceuvred'une isolation thermique en toiture ou la reduction des infiltrations), le GV du biitiment diminue.

Chapitte 6 -Audit enecgetique de l'enveloppe du bariment

123

Selan l'Eq. (6.18-b), et en supposant que la temperature interieure de consigne et Jes apports de chaleur internes restent constants, la rehabilitation de I' enveloppe permet la temperature de non chauffage de baisser. Ainsi, cette rehabilitation permet de reduire la charge de chauffage et, par consequent, la consommation d' energie puisque Jes deux coefficients GV et DJHCThl ont baisse. On calcule les economies d'energie comme suit (en indiquant ex et R les caracteristiques du batiment respectivement avant (existant) et apres rehabilitation):

a

L'Eq. (6.25) suppose que le rendement du systeme de chauffage reste le meme avant et apres la rehabilitation. Cette hypothese n'est pas du tout valable si le systeme de chauffage est remplace OU renove, Dans bon nombre de cas, la variation de Tb est peu importante. On considere alors que Jes degres-jours (DJH) avant et apres la rehabilitation sont constants, DJiTb), ce qui perrnet d' evaluer plus facilement les economies :

(6.26)

Pour estimer Jes economies d'energie associees au refroidissement, la meme methode de l'Eq. (6.26) peut s'appliquer en utilisant les degres-jours de refroidissement, DJC(Tb):

AE

u

_ Nc,h· (GV""-GVR) .DJc(Tb) COPc

c,R-

(6.27)

Avec Nh,c est le nombre moyen d'heures de refroidissement par jour. Lorsqu'un element de l'enveloppe du batiment est rehabilite (la toiture par exemple), la difference (GV.x-GVR) est egale la difference UA du toit avant et apres la rehabilitation (c'est-a-dire UAtoi~ex - UAtoit.R).

a

Pour pouvoir appliquer Jes Eq.(6.26) ou l'Eq.(6.27), ii faut tout d'abord faire ]'estimation des degres-jours de chauffage et de la charge existante dans l'ensemble du batiment. Des indications permettant de calculer ces deux parametres sont resumees ci-apres,

Estimation du coefficientglobal thermique d'unbatiment On peut estimer le coefficient de charge du batiment de deux manieres differentes, decrites brievement ci-dessous. La personne en charge de l'audit choisira la methode en fonction des donnees disponibles.

124

Guide technique d'audit energetique

- Caleul direct: l'auditeur en possession des plans architecturaux et des modifications faites pendant le chantier) estime la valeur R ou la valeur U de tous les composants de l'enveloppe du batiment et de leurs interfaces. Certaines donnees permettent de definir la valeur R des differentes couches de construction frequemment utilisees dans Jes biitiments (ASHRAE). Par ailleurs, il estime les taux d'infiltration et de ventilation soit a dire d'expert soit en faisant des mesures. A l'aide de ces donnees, on peut calculer le GV du batiment en appliquant les Eqs. (6.15)-(6.18). - Estimation indirecte: cette methode s 'appuie sur la facture d' energie (des donnees mensuelles suffisent), et sa correlation avec la temperature exterieure, pour realiser une estimation precise du GV. Cette methode est semblable a celles de Princeton Scorekeeping (PRISM). Les exemples d'application de la methode, permettant de definir le GV, sont illustres dans les Figures 6.9 et 6.10 et determinent respectivement le GV du chauffage et du refroidissement. Dans !es deux figures, le GV est determine par la pente de la droite de regression entre la temperature exterieure et la consommation d'energie. On devra faire la moyenne de la temperature exterieure avec la moyenne des factures correspondant a la meme periode.

lD

tij"

b$

.

.

Y=-0.2251ff•X+1m181

(

~\ ~ "T

\.\

u

8

j

0.005 mis

2%-5%

0.5 mis - 15 mis

2%-5%

Necessite des calibrations periodiques

0.25 mis - 50 mis

10%

Pas assez precis pour des mesures de debits d'air neuf.

::- 2.5 mis

1%-5%

Pas assez precis pour des mesures de faibles debits

0.005 mis- 25 mis

1%-3%

Precis faible debit. Trop cher pour ce champ d'application.

Sensible aux turbulences.

> 0.1

mis

1%-5%

necessite de frequentes calibrations

a

La precision depend grandement de la mise en eeuvre

Tableau 7.1: Details des differentes techniques d'ecoulement d'air

149

Chapitre ':' - Amelioration des systemes de conditionnement d'air

On remarquera que toutes les techniques repertoriees dans le tableau 7.1 permettent de determiner le debit de ventilation. Mais ces mesures sont relativement couteuses et il est generalement difficile de les mettre en place au sein des systemes existants. Pour obtenir une estimation de la ventilation produite par le systeme de VMC, on utilise la technique de I' equilibre enthalpique. Cette technique permet de mesurer la temperature a trois endroits differents du systeme d'acheminement d'air, voir Figure 7.6, avant que l' air n' entre dans le registre (pour mesurer la temperature de l 'air exterieur, T.,), dans le conduit de reprise (pour mesurer la temperature de l' air repris, T.), et dans le caisson de melange (pour mesurer la temperature de l'air melange, Tm). On determine alors la part de l'air exterieur Xext (part de la ventilation sur le total d'air scuffle) en appliquant I'equation approchee: (7.1) on determine alors le debit de ventilation, V ext , d' apres la puissance de la centrale de traitement d'air, comme indique dans l'Eq. (7.2):

v,

· · Ven=Xe:ct.V.=

( Ta-Tm T -T ) .V. · a ext

(7.2)

.. ·------"" -'· -- ----·------,..-_,._ T

·m

•

Figure7.5: Emplacement des detecteurs de temperature dans une centrale de traitement d'air

On remarquera que I'estimation faite en appliquant l'Eq. 7.2 est moins precise lorsque la difference de temperature entre l'air repris et l'air exterieur est faible. La Figure 7.5 indique la precision en fonction de la difference de temperature entre l' air repris et l' air exterieur (Krarti et al. 1999). 11 est done conseille d' effectuerles mesures lorsque la temperature exterieure est extreme (durant la saison de chauffe ou de refroidissement).

150

Guide technique d'audit en.ergetique

70~.

· ...

60%

l

':,

~

UJ

• • • .. • • 10% Fraet\or, d'A~ Elcterieur

50%

--

401', Fraction dAn E •tSrieur

40% 30% 20~~ 10% 0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

T0-T,.,. Figure 7.6: Erreurs sur l'estimation

de

V ext

en fonction de l'ecart de temperature lors de la mesure

Une fois le debit de ventilation estime, on le compare aux valeurs requises par les normes en vigueur. Le tableau 7.2 repertorie certains criteres minimums d'air exterieur requis par les reglementations pour des zones definies dans des batiments. Chambres et bureaux

a

Local pollution non specifique

par occupant si non-fumeur

18 m3/h

par occupant si fumeur

25 m3/h

Salles de reunion par occupant si non fumeur

18 m3/h

par occupant si fumeur

30m3/h

Salle de bains ou de douches individuelles sans WC avecWC Local

a pollution

specifique

Cabinet d'aisance isole

36 m3/h 54m3/h 30m3/h

Sanitaires collectifs (N nb d'equipernent dans le local) avecWC

30+ 15Nm3/h

sans WC

110 + 5Nm3/h

Tableau 7.2 : Criteres de ventilation requise pour des batiments tertiaires

Si l 'estimation revele un exces de ventilation, on peut ajuster le volet permettant a l'air exterieur d'entrer, en fonction du debit de ventilation requis repertorie dans le tableau 7.2. On peut egalement obtenir une importante reduction d'air exterieur en utilisant l'air exterieur uniquement dans des periodes ou il est necessaire,

Chapitre 7 ~ Amelioration des syst:emes de conditionnement d'air

151

Une methode consiste a observer le niveau de concentration en C02 dans les zones definies. Le C02 est un indicateur fiable de la pollution generee par les occupants et autres materiaux de construction. On regle la position du volet, permettant a l'air exterieur d'entrer, de facon a maintenir le niveau de C02 de consigne dans la zone. Les economies d'energie, realisees grace a la reduction du debit de ventilation, s 'expliquent par le fait que les charges de chauffage et de refroidissement necessaires, en fonction des conditions de l'air, sont restreintes. On peut evaluer les economies instantanees de chauffageet de refroidissementen appliquant respectivement l'Eq. (7.3), et l'Eq. (7.4): (7.3)

et (7.4) - pa est la densite OU masse volumique de l' air - cpa est la capacite thermique de l'air

- Ven-ex

et V ext-R sont respectivement les debits de ventilation avant et apres rehabilitation. - T. et Text sont les temperatures d'air interieur et exterieur pendant la saison de chauffage. - h4 et h0,1 sont les enthalpies de l'air interieur et exterieur pendant la saison de refroidissement. Si I'humidite est controlee pendant l'hiver, il faut aussi prendre en compte l'enthalpie et non la temperature dans l'Eq. (7.3). Pour determiner les economies d'energie globales realisees grace a la reduction de la ventilation, il faut evaluer, au prealable, les economies annuelles realisees sur les charges de chauffage et de refroidissement. On peut calculer ces economies sans avoir recours a une simulation detaillee, en appliquant les methodes de calcul donnees dans les Eq. (7.3) et (7.4), a des tranches de temperatures differentes, et en additionnant les variations de temperature de toutes les tranches. En prenant en compte le rendement energetique des equipements de chauffage et de refroidissement, on peut evaluer les economies d'energie par reduction de l'air ventile, en ete comme en hiver, respectivement Eq. (7 .5) et (7 .6):

(7.5) et,

152

Guide technique d'audit energetlque

Nb.in

3,6 .dEc (kWh) ~ __

* LNh,k·.deck

o=n=----

(7.6)

k"'"=c=:=-=1

rc • Nh,k est le nombre d'heures dans la tranche k; • Nbin est le nombre de transches pendant toute la session de climatisation - COPc est le COP moyen pour le systeme de refroidissement; - riH l' efficacite moyenne en mode chaud pour le systeme de chauffage. Lorsqu'on est en presence d'un economiseur cote air, on peut faire la somme de l'Eq. (7.5) et de l'Eq.(7.6) pour les tranches de temperature oil le volet d'air exterieur est regle au minimum. On peut simplifier les calculs en supposant que la masse volumique de l'air soit constante et que le systeme de climatisation fonctionne toute l'annee. Dans ce cas, les economies d'energie realisees grace au chauffage sont:

.dEH(kWh) = 3,6

* Pa,CJ)ll,Nh,

(Vex-ex- V ext-R). (Ta -Text)

(7.7)

T)H -

-

est le nombre total d'heures de la saison de chauffage. Si la ventilation ne fonctionne pas en permanence, Nh est ajuste pour ne prendre en compte que les periodes de fonctionnement de la ventilation en supposant que la temperature moyenne de l'air exterieur ne soit pas modifiee par cet ajustement. Nh

Text

est la temperature moyenne exterieure pendant la saison de chauffage.

Pour calculer les economies d'energie realisees grace au refroidissement, on utilise une forme simplifiee de l'Eq.(7.5), obtenue par I'integration d'une charge de refroidissement saisonniere. Celle-ci permet de climatiser un debit de reference (par exemple 1000 m3/h) d'air exterieur, LlHc, dependant du climat et de la temperature interieure etablie, (7.8) D'autres mesures, permettant de reduire la ventilation entrainent les actions suivantes: - Reduction des fuites d'air grace aux volets laissant penetrer l'air exterieur, en particulier lorsque ceux-ci sont volontairement fermes. On calcule la variation de ventilation a l'aide des pourcentages de fuites. Lorsqu'ils sont fermes, les volets speciaux faible fuite permettent de limiter les fuites a moins d' I%, alors que les volets classiques les laissent passer de 5 a 10 %. - Arret de la ventilation lorsque les locaux sont inoccupes ou lorsque la ventilation n' est pas necessaire, Les methodes de calcuJ permettant d'etablir que Jes economies d'energie realisees grace aux mesures detaillees ci-dessus sont les memes que celles evoquees par Jes Eq.(7.3) a (7.8). Quelques exemples sont donnes pour illustrer les methodes de calcul de ces mesures.

Chapitre -: ~ Amelioration des systemes de conditionnement

153

d'air

Lorsque l' on reduit la ventilation, il faut reduire egalement l' extraction d' air pour eviter de mettre le local en depression (puisque l' on introduit moins d' air exterieur qu'ii ne s' en echappe ). La mise en depression du batiment peut entrainer differents problemes, dont: - ouverture des portes exterieures et des fenetres difficile; ~ courant d'air en perimetre du biitiment (air froid aspire aux abords des fenetres et des portes) ; - augmentation de la concentration en polluants (fumee, odeurs, poussiere),

4.2. Economiseurs

cote air

Lorsque les conditions exterieures d'air sont favorables, on peut utiliser le surplus de ventilation pour climatiser le batiment, et reduire ainsi la consommation d'energie necessaire au refroidissement pour un systeme de climatisation. On trouve generalement deux techniques de regulation qui permettent de determiner le seuil partir duquel i1 est possible d'utiliser un debit d'air plus important que le minimum requis pour refroidir un biitiment: la gestion des temperatures et les enthalpies de l'air, appelees respectivement economiseurs enthalpique et de temperature. Certains systemes n'ont pas de cycle economiseur et ne peuvent alors beneficier de ce potentiel d'economie sur la consommation d'energie, Les deux cycles economiseurs sont detailles brievement cidessous ainsi que les methodes de calcul permettant d'estimer les economies d'energie,

a

Cycle economiseur en temperature Ce cycle fonctionne grace a l'ouverture du volet d'air exterieur qui se positionne audessus du minimum, quand la temperature de 1 'air exterieur est plus froide que celle de l 'air repris. Cependant, lorsque la temperature de l 'air exterieur est trop froide ou trop chaude, le volet d'air exterieur retourne automatiquement sa position minimum. Par consequent, le cycle economiseur ne fonctionne pas au-dela de certaines limites de temperature exterieure, Ces limites de temperature sont appelees limite de temperature basse et haute, et sont illustrees Figure 7. 7. Au-dela des limites de temperature, le volet d' air exterieur garde automatiquement sa position minimum.

a

~------'-----'-------!• Te..:t-mir.

Te-~t

Figure 7.7: Limites de temperature pour l'utilisation du cycle economiseur,

154

Guide technique d'audit energetique

Si la limite Text-max est programmee a la meme temperature que celle de 1' air repris, la limite Text-min varie en fonction des conditions de 1' air repris et de l' air scuffle. Le debit d' air exterieur necessaire (pour la ventilation) n' a pas besoin d'etre augmente, si celuici contient plus de chaleur que l'air repris.

Cycle economiseur enthalpique Ce cycle fonctionne de la meme maniere que le cycle economiseur de temperature mais utilise l'enthalpie de l'air et non la temperature. Ainsi, on mesure generalement deux parametres pour chacun des courants d'air afin d'en estimer l'enthalpie (temperature et hygrometrie, par exemple). Bien qu'ils permettent de realiser des economies plus importantes, s'ils sont employes correctement, les economiseurs enthalpiques sont moins couramment utilises parce qu'ils necessitent des sondes plus cheres.

5. RECiULATIONDE LA TEMPERATUREINTERIEURE Le reglage de la temperature interieure pendant les saisons de chauffe et de refroidissement a des incidences importantes sur le confort thermique des zones occupees et sur la consommation d'energie. I1 est done important de connaitre les possibilites de reglage de la temperature interieure afin d'evaluer le potentiel d'economies d'energie realisable et/ou d'ameliorer le confort thermique interieur sans avoir recours a des investissements importants. On peut regler la temperature interieure de quatre facons differentes: - augmenter la temperature de consigne pendant l'ete pour eviter le surrefroidissement; - baisser le niveau de chauffagependant l'hiver pour eviter les surchauffes; - empecher le systeme de produire simultanementdu chaud et du froid; - reduire le chauffage et/ou le refroidissement pendant les heures inoccupees en baissant le niveau de temperature de chauffageou en augmentant le niveau de temperature (OU en laissant evoluer }a temperature interieure) pendant le refroidissement. Les methodes pour calculer les economies d' energie realisees grace aces mesures sont basees sur les degres-jours (chapitre 6)_ Quelques exemples illustrent les economies d'energie realisees grace au reglage de la temperature interieure, On remarquera que certaines des mesures evoquees ci-dessus peuvent entrainer une augmentation de la consommation d' energie si elles ne sont pas appliquees correctement. Par exemple, quand la temperature interieure est reglee a un niveau bas pendant l'hiver, les zones interieures peuvent depenser de I'energie pour etre refroidies. De meme, le reglage de la temperatureinterieure a un niveau eleve peut entrainer une augmentation de la consommation d'energie due au rechauffageen ete dans les zones equipees d'elements de rechauffage,

155

Chapitte 7 - Amelioration des systemes de conditionnemenr d'air

6.

AMELIORATION DES AUXILIAIRES, VENTILATEURS EN PARTICULIER

6.1. Part de consommation due aux auxiliaires L'utilisation d'energie due aux ventilateurs et aux pompes peut representer une partie significative de la consommation d'energie (de 20% a 60% d'utilisation de l'electricite de la consommation de la climatisation dans un biitiment). Bien que les auxiliaires representent en general des puissances faibles, leur consommation est tres importante car ils fonctionnent a 100% de la puissance pendant de longues periodes, Les systemes a debit d'air variable (DAV) sont utilises depuis de nombreuses annees, toutefois l' economic d' energie de ventilation associee a ce type de systeme reste limitee par les technologies disponibles. Depuis peu, I'augmentation de fiabilite et la baisse des couts de la vitesse variable a permis d'augmenter le potentiel d'economies sur le poste ventilation. Cette tendance est contrebalancee par I'importance croissante de la qualite de l'air interieur (augmentation des debits minimum d'air, filtration accrue). Les contributions des auxiliaires de systemes de production centralisee de chaud et de froid (pompe du condenseur et pompe d'eau glacee, ventilateurs de tour de refroidissement ou des condenseurs) sont relativement modestes parce que leur puissance est tres faible et que le systeme de production concerne moins d 'un tiers de la surface utile du batiment. La Figure 7.8 donne un exemple de la repartition par equipement des consommations energetiques auxiliaires. Jlep11.rtition par 6qnipcrnent

Vcntilatours d'extraction ...•/] 33% L.

==--«

/

I

\

(

. Vcnt,lateursde la tour '\ de refroid.

1::

J

'y?~

Ventilateurs du ~--·----~ condcnseur ---·-------, 5% / Autrcs ventilateurs _/ /

2%

r'"

\

VentilaleW11de soufflage ct de roprise 50%

: Pompes d'cau glacCC 2%

Porepes du condcnscur Pompcs d'eau chaude 2% 5%

Figure 7.8: Consommation d' energie due aux auxiliaires - repartition par equipernent

Selon les resultats de l'enquete menee par l'Energy Information Administration americaine (EIA, 2009), la consommation necessaire au fonctionnement des ventilateurs represente environ 25 % de la consommation d' energie electrique totale d'un immeuble classique. Elle peut done etre considerablement economisee, A titre

156

Guide technique d'audit energetique

d'exemple, pour un systeme de traitement d'air ventilation, le rapport indique :

a debit d'air variable DAV avec

GroupeEG- CTA - DAV evee yeatilation

Figure 7.9: Consommation d'energie due aux auxiliaires - systeme DAV avec ventilation

La Figure 7. 10 represente la repartition typique des consommations energetiquespour un systeme de traitement d'air a debit variable DAV sans ventilation: Groupe EG- CTA-DAV sans veotilation

·,

.' / PompeEG 6%

Figure 7.10: Consommationd'energie due aux auxiliaires - systeme DAV sans ventilation

La part des auxiliaires constitue dans ce cas 49 % de l 'energie totale consommee, Pour une installation de ventilo-convecteurs, la Figure 7.11 illustre la repartition des consommationsenergetiques:

157

Chapitre 7 - Amelioration des systemes de conclitionnement d'air

GroupeEG .. V cndlo-coovcctcun

\'entilatcur (Tout) 6%

pllllll"'~ 8%

-----

Refmidisseur EG 60~0

_.,,,,,.,

Figure 7.11: Consommation d'energie due aux auxiliaires - systeme ventilo convecteurs

Dans ce cas, la consommation des auxiliaires est de l'ordre de 40%.

6.2. Principes de base du fonctionnement d'un ventilateur Dans une centrale classique de traitement d'air, les ventilateurs produisent la pression necessaire pour acheminer I'air a travers le reseau de conduits, aux batteries de chauffage et de refroidissement, au filtrage et a tout autre element du systeme. Deux types de ventilateurs sont utilises dans les systemes de climatisation: ventilateurs centrifuge et helicoide. Le ventilateur centrifuge est constitue d'une roue rotative, appelee aubage, montee au centre d'un cylindre. L'aubage est entraine par un moteur electrique grace a une courroie. Le ventilateur helicofde comprend un emplacement cylindrique clans lequel est monte l'aubage le long de l'axe. Ils ne supportent pas de pertes de charge importantes. 11 existe differentes mesures pour favoriser les economies d'energie permettant de reduire la consommation des ventilateurs. Certaines de ces mesures sont detaillees dans le paragraphe suivant, et sont precedees d'un brefrappel des lois fondamentales definissant le fonctionnement d'un ventilateur. Pour decrire le fonctionnement d'un ventilateur, il faut determiner differentsparametres tels que l'alimentation d'energie electrique necessaire en kW, le debit d'air maximum y en m3/s pour une difference depression totale (DPT) ou une difference depression statique (dP.), et le rendementdu ventilateur 7/,-.nt. Si on utilise la pression totale, l'Eq.(7.9) donne la quantite d'energie electrique,

158

Guide technique d'audit energetique

Pvent(kW) =

V.LlJlT

(7.9)

7}.-ent

Si la pression statique est utilisee, TJvcnt-st•' l ' Eq (7 .10) doit etre prise en compte en necessitant l'efficacite statique du ventilateur:

pvent = V.L\.P.

(7.10)

T/vent-sta

Pour mesurer la pression totale du ventrlateur, on peut utiliser un tube de Pitot comme

illustre Figure 7.12: P,

Filt. ~

:\_.

~01:teri~ dt;

Refrol,•l,!. ·-

-~~-

("n

j

P.liFPJ.lfl)JS~FMJ'HT (

C'(lm>f:lr.E.llF

~-~-- -- -~~ .. ----------~Petites puissances refroidissementa air -

-

- - - -- -----

~----·-, C:hMr..tr DE COP ou C OA I --- - --------- --- ~-- --~---2.2 -3.2

!

Grandes puissances s

refroidissementa air refroidissementa eau

3.7-4_1

Simple effet

0.4-0.6

Doub/e-Effet

0.8-1.1

4.6-5-3

Groupes a absorption

Refroidisseur entraines par moteur thermique

l.2-2.0

I - Pour un groupe a absorption on parle de COA: coefficient d'amplification - rapport de deux energies thermiques. Son ordre de grandeur est 1,1 - plus faible que Jes COP rapport d'une puissance thermique a une puissance electrique.

Tableau8.5 : COP classique pour differents types de refroidisseurs

170

4.

Guide technique d'audit energetique

MESURES D1tCONOMIE D1ENERGIE

Pour reduire la consommation d' energie des system es de refroidissement, le rendement energetique de l'equipement doit etre ameliore, a charge totale et a charge partielle. En general, l 'amelioration du rendement energetique des systemes de refroidissement est realisee au moyen de l'une des mesures suivantes : - remplacer les systemes de refroidissement existants par des systemes a meilleur rendement energetique OU plus recent comme les chiffres precedents l' indiquent; - ameliorer les regulations de ces systemes ; - utiliser d'autres systemes de refroidissement permet.

si le contexte energetique

le

Le calcul simplifie des economies denergie realisees grace a I'augmentation du rendement energetique des systemes de refroidissement est donne par l'Eq. (8.4):

AE _ ( Pr.Nh,f.LF) _ (Pr.Nh,r.LF) L.l.

f -

•

SEER

ec

SEER

•

(8.4) R

Les indices ex et R indiquent les valeurs des parametres avant et apres amelioration • SEER est le ratio d'efficacite energetique saisonnier (COP moyen saisonnier); - Pr est la puissance nominale du systeme ; - Nb.rest le nombre d'heures equivalentes

a pleine

charge;

- LF est le ratio de la puissance de froid maximale appelee par le batiment sur la puissance nominale. 11 caracterise le surdimensionnement. Lorsque l'objectif de la rehabilitation ne concerne que l'amelioration du rendement energetique du systeme de refroidissement, le calcul des economies d' energie peut etre effectue en utilisant 1 'equation suivante :

1

1

fl.Et= Pr .N h,f .LF. ( SEERe:: - SEERR)

(8.5)

Dans Jes paragraphes suivants, des mesures d'economies d'energie, associees aux systemes de refroidissement, sont decrites, ainsi que des exemples de calculs d' economies sur la consommation d' energie,

4.1. Rem placementdes refroidisseurs Le remplacement d'un refroidisseur rendement est rentable.

existant par un refroidisseur neuf et de meilleur

- Des etudes montrent que les refroidisseurs equipes de compresseurs multiples peuvent economiser jusqu'a 25 % de l'energie utilisee pour le refroidissement, par rapport aux refroidisseurs a compresseur simple (Tuluca, 1997).

Chapitre 8 - Amelioration des systemes de production de froid

171

- Les refroidisseurs a compresseur a vitesse variable en general centrifuges fonctionnent avec une pression d'aspiration variable. On estime que ces refroidisseurs reduisent la consommation d' energie de presque 50 % (Tuluca, 1997). • Le compresseur a vis est un appareil a compression rotative equipe de deux composan.ts de base, une vis fixe et une vis tournante ont un meilleur rendement energetique que les compresseurs centrifuges puisque la perte de chaleur, entre refoulement et aspiration, est reduite, Les fabricants exigent que le COP soit superieur a 3,2. L'exemple 8.1 illustre des calculs permettant de determiner la rentabilite du remplacement du refroidisseur existant par un refroidisseur a plus haut rendement energetique, D Exemple 8.1: Un refroidisseur existant d'une puissance de 800 kW et ayant un COP saisonnier moyen de 3, 5 doit etre remplace par un refroidisseur neuf de la meme puissance mats d'un COP saisonnier moyen de 4,5. Determiner le temps de retour simple du remplacement du refroidisseur en admettant que le cout de l'electrictte soit de 0, 12 €/kWh et que le cout du refroidisseur neufsoit de 105 000 €. On suppose que le nombre d'heures a charge totale pour le refroidisseur est de 2 500 heures par an, avant et apres le remplacement. Solution : Les economies annuelles associees au remplacement du refroidisseur existent avec un COP de 3,5 avec un nouveau refroidisseur ayant un COP de 4,5 elles sont: 1 4' 5) D'ou le temps de retour de l'investissement: aEr = 800kW

TR=

* 2500h/an

1 * 1 * (35-

,

98000 50800kWh/an*0,45€/kWh

= 126984kWh/an

= 6•9ans

L'analyse du cofrt global permettrait de determiner si l'investissement refroidisseur a plus haut rendement energetique est reellement justifie,

dans un

Dans certains cas, seules certaines parties du refroidisseur ont besoin d'etre remplacees, Des reglements ont steppe la production et I'utilisation des chlorofluorocarbones (CFC) y compris le R-11 et le R-12, depuis 1995. Par consequent, le remplacement des refroidisseurs, fonctionnant avec des CFC par des refroidisseurs qui n 'en utilisent pas peut parfois se faire en remplacant uniquement le refrigerant. Le passage au R- l 34a et R- 717 peut reduire la puissance frigorifique. Certaines des strategies d'amelioration, utilisees pour augmenter le rendement des refroidisseurs existants, sont designees ci-dessous ; - augmenter la surface de I' evaporateur et du condenseur pour que le transfert de la chaleur soit plus efficace; - ameliorer le rendement et la regulation du compresseur; • elargir les tuyauteries pour qu'il y ait moins de frottement; - ozoner I' eau du condenseur pour eviter le tartre et la contamination biologique.

172

Guide technique d'audit energetique

La puissance trop elevee est un autre probleme qui peut justifier le remplacement des systemes de refroidissement. Ainsi, il n' est pas rare que les refroidisseurs existants aient une puissance beaucoup plus elevee que la pointe de refroidissement. Ces refroidisseurs fonctionnent exclusivement a charge partielle faible avec un rendement energetique reduit et un grand poids des auxiliaires. Ceci augmente les couts de fonctionnement et de maintenance. Lorsque des refroidisseurs de trop grande puissance ont plus de 10 ans, leur remplacement par des refroidisseurs plus petits, a plus haut rendement energetique et fonctionnant sans refrigerants CFC, pourrait etre rentable.

4.2. Ameliorationde la regulationd'un refroidisseur Avant de remplacer un refroidisseur existant, il est conseille d'envisager d'utiliser d'autres systemes de refroidissement ou de prendre des mesures simples relatives au fonctionnement, pour ameliorer la performance energetique, On peut installer une regulation pour : - introduire de l' eau refroidie charge de refroidissement;

a la plus

haute temperature pour l' adapter

a la

- baisser la temperature de l' eau in troduite clans le condenseur (pour les condenseurs a eau) lorsque la temperature humide exterieure diminue. Ainsi, la performance du refroidisseur ne depend pas seulement de la charge de refroidissement mais aussi de la temperature de l'eau froide et de celle du condenseur. Le rendement de Carnot, defini dans l'Eq. (8.2), montre que le COP augmente lorsqu'on baisse la temperature du condenseur (Tc) et/ou que l'on augmente la temperature de I'evaporateur TE. Pour les refroidisseurs classiques, la Figure 8.3 illustre I'amelioration du COP d'un refroidisseur lorsqu'on augmente la temperature de I'eau sortante de 4,5°C. De meme, la Figure 8.4 montre les consequences de la reduction de la temperature du condenseur sur le COP du systeme, D Exemple 8.2: Un refrotdisseur centrifuge, d'une puissance de 500 kW et d'un COP saisonnier moyen de 4, fonctionne a une temperature d'eau glacee de 4,5 °C; determiner les economies d'energie realisees gr/ice a l'installation d'une commande automatique permettant d'augmenter la temperature sortante de 2,5 °C de plus en moyenne. On suppose que le nombre d'heures a charge totalepour le refroidisseur est de 1500 heures par an etque le coiu de I'electricite est de 0,12 €/kWh. Solution: A partir de la Figure &.3, on determine I'amelioration du COP en passant de 4,5°C a 7°C. On trouve 8%. Les economies d'energie se calculent a partir de l'Eq. (8.5) avec SEER ..=4 et SEE8x = 4*1,08 =4,32; Nh.r=1500 h; Pr= 500 kW; LF =1 (en supposant un dimensionnement correct): ~Er=500kW*1500h/an*1*(410Les economies sont done de I 667 €.

'

4~2 , )=

13889kWh/an

173

Chapitte 8 - Amelioration des systemes de production de froid

20 A: Absorption P: Pistons

C: Centrifuge

S: Scroll

20

Pourcentage 15 d'amelioration du COP

10

5

10.5

9.0

7.5

6.0

4.5

Temperature de sortie d'eau glacee

Figure8.3: Consequences de la modification de la temperature d'eau glacee sur le COP. 50 A: Absoiption P: Pistons C: Centrifuge S: Scroll

40

Pourcentage

s

d'amelioration 30 duCOP

20

10

10.0

7.5

S.O

2.5

0

Reduction de la temperature au condenseur 'C

Figure 8.4: Consequences d'une baisse de temperature au condenseur sur le COP

1'"'4

Guide technique d'audit energetique

4.3. Autres systemes de refroidissement 11 existe bien d'autres systemes de refroidissement et d'autres technologies qui permettent de reduire, voire d'eliminer, les charges de refroidissement des systemes existants. Parmi ceux-ci: - Les economiseurs cote eau sont utilises lorsque les conditions exterieures sont favorables, Au lieu de faire fonctionner des refroidisseurs pour produire la climatisation, l' eau est refroidie par des tours de refroidissement puis acheminee directement vers les batteries soit par le circuit normal de refroidissement, soit par des echangeurs de chaleur. - Le refroidissement par evaporation utilise la vaporisation d'eau, ou l'humidification, pour refroidir I'air, directement ou indirectement, ce qui permet a l'air de se rapprocher de la temperature humide de l'air exterieur, Le refroidissement par evaporation directe humidifie ]'air scuffle, alors que le refroidissement par evaporation indirecte qui utilise un echangeur air/air n'ajoute pas d'humidite. Generalement, le refroidissement par evaporation indirecte est moins efficace et plus cofrteux que le refroidissement par evaporation directe. En plus de l' energie consommee (principalement electrique pour faire fonctionner les ventilateurs), le refroidissement par evaporation, quel que soit le type, consomme de l' eau. Le refroidissement par evaporation est utilise dans des climats secs. Les COP moyens des systemes de refroidissement par evaporation vont de 10 a 20 en fonction du climat (Huang, 1991). - Le rafraichissement par dessicant consiste a diminuer l 'humidite de l 'air par adsorption tandis que la temperature est augmentee, L'air est ensuite refroidi par le refroidissement par evaporation. Une source de chaleur est necessaire pour regenerer le dessicant apres que celui-ci a absorbe l'eau de l'air. Le rafraichissement par dessicant est surtout utilise dans le secteur industriel. - Le sous refroidissement du refrigerant augmente la puissance de refroidissement et diminue la puissance du compresseur, augmentant ainsi le rendement global du systeme. Le sous refroidissement necessite un echangeur de chaleur pour abaisser l'enthalpie du refrigerant. 11 existe actuellement deux technologies de sous refroidissement. La premiere utilise un echange avec l' admission au compresseur. La deuxieme technologie necessite un refroidissement externe tel qu'une petite tour de refroidissement ou une source d'eau.

5.

BIBLI06RAPHIE

ARI, 1999, American Refrigeration Institute, Statistics about US Refrigeration Equipment Shipment, Website: hhtp://www.ari.org. ASHRAE, 2015, Handbook of HVAC Applications, American Society of Heating, refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA. EIA, 1991, Energy InformationAdministration, Energy Facts, Department of Energy, DOE/EIA-0469(91), Washington,DC.

Chapitre 8 - Amelioration des systemes de production de froid

175

EIA, 2009, Energy Information Administration, Annual Energy Review, Department of Energy, Washington, DC, http://www.doe.eia.gov.

K.rarti, M., 2011, Energy Audit of Building Systems: An Engineering Approach, Second Edition. Francis and Taylor Publishing, CRC-Press. Gordon J.M., and Ng. K.C., 1994, Thermodynamic Modeling of Reciprocating Chillers, Journal of Applied Physics, 76(6), 2769. Huang J., 1991, The Energy and Comfort performance of Evaporative Coolers for Residential Buildings in California Climates, ASHRAE Transactions, 97(2), 847-881. Phelan J., Brandemuehl M.J., and Krarti M., 1996, Methodology Development to Measure In-Situ Chiller, Fan, and Pump Performance, Final Report for ASHRAE Project RP-827, American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineering, Atlanta, GA. Tuluca A., and Steven Winter Associates, 1997, Energy Efficient Design and Construction for Commercial Buildings, Mc-Graw Hills. Vrinat, G., 1991, «Compresseurs». Techniques de l'ingenieur 82365.

Chapitre 9

Modernisation des chaufferies

RESUME Ce chapitre donne des conseils sur la modernisation et l'amelioration des systemes de production de chaleur des batiments tertiaires industriels. Tout d'abord, il donne un apercu des principes de base de la combustion pour permettre de comprendre les parametres fondamentaux qui alterent le rendement energetique d'un systeme de production de chaleur. Ensuite, i1 suggere differentes mesures d' amelioration energetique applicables aux chaufferies.

1.

INTRODUCTION

Le bilan francais etabli en tep des energies consommees par le secteur residentiel et tertiaire en 1995 montre que plus de 20 % des energies sont consommees en brfilant directement un combustible (chiffres de 1987 entre parentheses): - charbon 1 % (3 %) ; - produits petroliers 20 % (26 %) ; - gaz naturels 20 % (18 %) ; le reste se composant de : - energies renouvelablesdont bois 4 % ( 5 %) ; - electricite 55 % (48 %). Le rendement de combustion moyen des chaudieres existantes va de 65 a 75 %. Les chaudieres neuves a gaz ou au combustible ont un rendement energetique qui va de 85 a95%.

178

2.

Guide technique d'audit energetique

PRINCIPES DE BASE DE LA COMBUSTION

2.1. Differentstypes de combustibles La chaleur utilisee dans les secteurs tertiaires et residentiels, hors electricite, resulte en majeure partie de la combustion d'hydrocarbures. Ces combustibles sont toujours brfiles avec un exces d'air dee%, suivant la reaction valable pour une combustion complete: CmHn

+ (1 + e/lOO)(m + n/4)02 - mC02 + (n/2)H20 + (e/lOO)(m + n/4) 02

(9.1)

Comme 02=32 et que !'air (M=28,96) comporte 23,2 % d'oxygene en masse, 1 kilogramme de combustible demande pour bruler avec un exces d'air e, a = (1 +e/IOO)*(m+n/4)*0,32/0,232kilogramme d'air, soit un volume a/pN en Nm3 (avec la densite de l'air clans les condition normales de temperature et depression: pN=l,2928 kg/m3), et il produit (1 +a) kilogramme de fumees. La combustion theorique, c'est-a-dire sans exces d'air definit le pouvoircomburivore a et le pouvoir fumigene du combustible (l+a), en rapports de masses ou rapports de volumes (en Nm3). La reaction chimique permet d'etablir les bilans massiques. Le bilan energetique (ou enthalpiquea pression constante) fait, de plus, intervenir les chaleurs de formation des composants, Un combustible est en pratique caracterise par son pouvoir calorifique qui est (voir Figure 9.1): - superieur (PCS) si les fumees sont ramenees a 0°C et done I' eau a l 'etat liquide; - inferieur (PCI) si 1'on considere que l' eau demeure sous forme de vapeur. Pour que l' eau demeure sous forme vapeur, il faut eviter que, meme au voisinage des parois les plus froides, la temperature des fumees s'abaisse sous le point de rosee (a pression atmospherique,> 100°C pour un combustible sans soufre).

~L~.h:,·r ..-' .n/..

Figure 9.1: Bilan energetique dans une chaudiere

179

Chapitre 9 - Modernisation des chaufferies

1 1

(\>MBll~TllJU'

---

I _1 ____

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---~---

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A

B

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PCI

I

Ml1kt~ ; l\1J1,.:g . . --- -- .1. ---- -- . .

Liqui des FOD

840

11,34

12,10

10,59

42,7

46

F02 BTS

985

10,75

11,61

10,27

40,55

43,05

1,98

11,87

25,4

21,6

46,16

50,00

2,60

11,81

33,l

28,3

45,65

49,38

Lacq

0,74

13,11

10,7

8,7

49,32

54,73

Groningue

0,83

10,12

9,4

7,3

38,19

42,41

Gaz de petrole propane butane Gaznaturel

FOD = fioul domestique, teneur en soufre < 0,30 %, teneur en eau < 0, 10% F02 BTS = fioul lourd n°2, basse teneur en soufre (< 2 %), teneur en eau < 1,5% Lacq = composants principaux: 97,3 % CH4, 2, 1 % C2H6 Groningue = composants principaux: 81,3% CH4, 14,2% N2, 2,9% C2H6, l % C02 A= avec l'eau sous forme vapeur B = avec I' eau condensee et separee N = conditions normales de temperature et de pression.

2.2. Generalites sur les diaudleres Le bilan thermique moyen d'une chaudiere au fioul dans les annees 1960/70 est indique dans la Figure 9.2:

PCS 100%

-f

Pertes div erses dont parois 4~5% Eau non condensce6,5% Gaz brules chauds 9,5% Exces d'air 4~ o

_.._ Pettes par les fumees 20% Puissanceutile 75%

Figure9.2: Puissance utile d'une chaudiere installee dans les annees 1960/70

Pour eviter les risques de corrosion dus a d'eventuelles condensations (Ies condensats sont acides par la presence d'oxydes de soufre et d'azote dans les fumees), les fumees sont evacuees a des temperatures avoisinant 300°C, d'ou une perte thermique de l 'ordre de 20 % sur le PCS. Ces pertes par les fumees dependent du debit de fumees et done de l'exces d'air, ainsi que de leur temperature. Les pertes a l'arret prennent en compte les pertes par les parois. Les ameliorations apportees ont porte sur ces points :

I

180

Guide technique d'audit energetique

Reduction du debit des fumees Ce debit depend de la nature du combustible et de la puissance demandee. Il depend aussi de l'exces d'air necessaire pour realiser une combustion complete malgre les imperfections du melange comburant combustible. L'exces d'air minimal pour eviter la presence d'imbrflles s'est reduit de 50 % a environ 10%.

Reduction de la tern perature des fumees, chaudieres a condensation Pour beneficier de la chaleur latente disponible dans la vapeur d' eau contenue dans les fumees, ii est necessaire de surmonter un certain nombre de difficultes : - les surfaces d'echange doivent etre augmentees (diminution de I'ecart de temperature entre fluide chaud et paroi) ; - ces surfaces doivent permettre une evacuation aisee des condensats; - les condensats sont acides (pH 3 a 5 suivant le combustible) et les echangeurs doivent resister a cette agressivite chimique ; - les fumees etant rejetees a basse temperature, le tirage de la cheminee est tres faible. Un ventilateur est presque toujours necessaire pour faire circuler les fumees. Ainsi les chaudieres a condensation sont des appareils plus compliques et done plus couteux que les chaudieres traditionnelles.

2.3. Configurations et composants d'une chaudere Les chaudieres sont constituees de differentes parties telles que: une enveloppe isolante, un bruleur, un systeme de ventilation mecanique, des tubes et des chambres pour la combustion a gaz, des tubes et des chambres pour la circulation de I'eau et une regulation. Plusieurs facteurs peuvent influencer le dimensionnement de la chaudiere tels que : la nature du combustible, le mode d'allumage, la pression de la vapeur et la puissance de chauffage. Cependant, les chaudieres des immeubles tertiaires ou industriels peuvent etre divisees en deux groupes de base : chaudiere multitubulaire (carneaux de fumees) ou chaudiere a tube a eau. Les paragraphes suivants font une breve description des differents types de chaudieres et de brfileurs.

Differents types de rhaudieres La plupart des chaudieres commerciales sont fabriquees en metal. Certaines chaudieres sont en fonte. Les chaudieres en metal transferent la chaleur de combustion au fluide par un assemblage de tubes pouvant etre des tubes a eau ou des carneaux de furnees.

Chapitre 9 - Modernisation des chaufferies

181

Chaudieres multitubulaires (a cameaux de fumees) Dans ces chaudieres, les produits de combustion chauds s'ecoulent par des tubes plonges dans l'eau de la chaudiere, avec done une recuperation accrue sur les fumees de combustion. Pour augmenter la surface de contact entre les gaz chauds et l 'eau, on utilise 2 a 4 passages pour les tubes. Les tubes multi-passages permettent d' augmenter le rendement de la chaudiere mais requierent un ventilateur plus puissant. Pour des raisons economiques, la puissance maximale d'une chaudiere a cameaux de fumees est actuellement de 10.000 kg de vapeur a l'heure pour une pression d'exploitation de 16 atm. 11 est generalement facile d'installer les chaudieres multitubulaires et d'en faire la maintenance. De plus, elles sont capables de supporter d'importantes et soudaines fluctuations de charge sans que cela entraine de grands changements de pression.

a

Choudieres tubes d'eau Dans ces chaudieres, l'eau s'ecoule a I'interieur des tubes eux-memes entoures d'un tuyau pour les gaz de combustion. Les chaudieres a tubes d'eau sont classees en differentes categories dependant de leur forme, de leur puissance et de leur nombre. Lataille des chaudieres a tubes d'eau varie de la plus petite a la plus grande, allant de 400kg de vapeur a l'heure a une unite de 1000 MW. Les plus grosses chaudieres industrielles produisent generalement plus de 250000 kg de vapeur a l'heure. Choudieres en fonte Ces chaudieres sont installees dans les petits immeubles (en-dessous de 1 MWh) et ont une duree de vie importante. Ces chaudieres sont faites en plusieurs morceaux pre-moules et s'assemblent plus facilement que les chaudieres en metal. Pour une puissance similaire, les chaudieres en fonte sont generalement plus coflteuses que les chaudieres a tubes d'eau OU a cameaux de fumees.

Systemes de combustion Le systeme de combustion des chaudieres depend du combustible utilise. Les caracteristiques du systeme de combustion de chaque type de combustible sont resumees ci-dessous. Centrales ti gaz Le gaz nature! est le combustible le plus facile a brfiler car il se melange facilement a l'air de combustion diffuse. Le gaz est achemine generalement jusqu'au brfileur par I'intermediaire de differents orifices qui projettent le gaz naturel, lequel se melange

182

Guide technique d'audit energetique

rapidement a l' air de combustion. Il existe tout une gamme de brfileurs dependant de l'orientation, du nombre et de la situation des orifices. Lors du reglage et de la maintenance habituelle des chaudieres a gaz, ii est important de verifier que les orifices d'injection de gaz ne sont pas obstrues. 11 est egalement important de remplacer les parties endommagees ou manquantes des brftleurs. Centro/es ou fioul Le fioul necessite une certaine preparation ainsi qu'un traitement final avant d'etre achemine vers le brO.leur. Sa preparation peut requerir les actions suivantes: • utilisation de filtres perrnettant de purifier le fioul en eliminant tout depot ou corps etranger solide; - ajout de prechauffeurs de boucle afin que le fioul ait une viscosite adaptee ; - utilisation d'un atomiseur pour diffuser le fioul en fines gouttelettes avant de le melanger a l'air de combustion. La diffusion du fioul par atomiseur peut etre realisee par une buse dont les orifices perrnettent de vaporiser finement. Pendant le reglage, ii est important de verifier que le brflleur sera adapte au type de chaudiere. 11 est particulierement important de verifier que I' atomiseur est adaptable, de la bonne taille et place correctement. De plus, les orifices qui diffusent le fioul doivent etre nettoyes et verifies afin d'eviter tout endommagement et assurer une diffusion correcte.

a

Centro/es charbon Il existe deux systemes principaux a charbon : - Systemes au charbon pulverise qui vaporisent, humidifient, classent en differentes categories et acheminent le charbon vers les bruleurs. Le charbon pulverise est generalernent economique pour des centrales de grande puissance (plus de 100000 kg de vapeur a l'heure). - Les unites de stockage de charbon qui ont un lit de combustion sur la grille de la chaudiere a travers laquelle la combustion d'air est acheminee, 11 existe actuellement differentes methodes de combustion, utilisees dans des applications industrielles, telles que Ia sous-alimentation, la sur-alimentation et Ia diffusion. Les methodes de sur-alimentation et sous-alimentation necessitent que le charbon soit achemine directement au lit de combustion et sont generalement peu sensibles aux variations soudaines de charge. Ces centrales peuvent brfiler une vaste gamme de combustibles y compris des dechets ou de la bio masse. L' efficacite d'un systeme a charbon depend du systeme de combustion, du type de chaudiere, et des caracteristiques de la cendre du charbon. Certaines centrales sont

Chapitre 9 - Modernisation des chaufferies

183

equipees de systemes de reinjection de cendres permettant de recuperer les cendres qui contiennent du carbone non consume et de les reintroduire dans le bruleur,

2.4. Rendementthermiqued'unerhaudiere Comme illustre par l'Eq. 9.1, la combustion est une reaction chimique resultant du melange d'atomes de carbone et d'oxygene qui produisent de la chaleur. L'oxygene provient de l'air transmis au brflleur qui allume la chaudiere. L'air contient egalement de l'azote inutile au processus de combustion. Un certain volume d'air est necessaire pour que la combustion du combustible soit parfaite. Ce volume d'air est appele generalement l'air stoechiometrique, Cependant, les reactions de combustions actuelles montrent que l'on a besoin d'un volume d'air plus important que le volume ideal (ou stoechiometrique) pour que la combustion du combustible soit totale. Pour assurer des conditions d'exploitation optimales de ces chaudieres, il faut arriver a fournir un exces d'air approprie a la combustion du combustible. On considere generalement que 10% d 'exces d' air produi t le ratio de 1' air optimum pour le combustible permettant une combustion totale. Un surplus trop important d'air provoque de plus fortes stratifications et necessite plus de combustible pour que l'air ambiant atteigne les temperatures stratifiees. Par ailleurs, si l'air achemine est insuffisant, la combustion ne pourra se faire completement et la temperature de la flamme en sera reduite, La definition generale du rendement thermique global d'une chaudiere est le ratio de la chaleur de sortie, E8, sur la chaleur d' entree, EE : (9.2)

Le rendement global est determine par le rendement de combustion, les pertes de chaleur par les fumees, et les pertes de chaleur dues aux surfaces exterieures des chaudieres. On entend par rendement de combustion, la puissance du brfileur a foumir un ratio optimum de combustion/air permettant la combustion totale de combustible. Pour determiner le rendement thermique global d'une chaudiere, il faut relever certaines mesures. Le test le plus couramment utilise pour les chaudieresest l' analyse du conduit de gaz pour determiner le pourcentagepar volume de C02, CO, 02 et N2 dans le gaz de combustion sortant du conduit des gaz. D'apres la composition et la temperature du conduit de gaz, on peut regler la chaudiere pour qu'elle atteigne le meilleur ratio air/combustible et ameliorer, ainsi, le rendement de la chaudiere, Les approximationsgenerales suivantes, sont utilisees pour regler le fonctionnement de la chaudiere, - Stratification de temperatur e: Plus les temperatures stratifiees sont basses, plus la combustion est efficace. De hautes temperaturesdans le conduit de gaz

184

Guide technique d'audit energetique

indiquent que le transfert entre les gaz de combustion et l'eau ne se fait pas correctement. 11 faut alors nettoyer les tubes et les chambres a I'Interieur de la chaudiere afin d'enlever la suie, les depots et tout corps qui pourrait entrainer une reduction du transfert de la chaleur. Toutefois, la stratification doit eviter la condensation d' eau le long du conduit. L' eau provenant de la condensation se melange avec le souffre et peut entrainer la corrosion du conduit des gaz. Le tableau 9.1 donne la temperature stratifiee minimum de sortie permettant d'eviter la corrosion, pour des types de combustible courants. ~

lYP}o

__ _.__ --

ns ((J\tBlTTTBlt

Ul\llTF: Dr II, _ ..J ---· -~--

A

Methodes Simplifies

20-100%

1-5%

Instantane/ court terme

Equipement

Constante

B

Meth odes Simplifies

10-20%

3-10%

Longue terme

Equipcment/ Systeme

Constante/ Constante/ Variable Variable

c

Methodes de Regression

5-10%

1-10%

Longue terme (journalier ou Batiment rnensuel)

Variable

Variable

D

Methodes Dynamiques/ Outils de Simulation

3-10%

Longue terme Systeme/ (horaire) Batiment

Variable

Variable

10-20%

Constante

Tableau 12.3: Caracteristiques des differentes options pour les procedures d'estimation des economies d'energie

Le document d' ASHRAE Guideline 14 (2002) fournit une methode pour estimer I'incertitude dans le calcul des economies energetiques realisees par des projets de renovation. L'incertitude dans les economies determinees est fonction de Ia covariance de l' erreur quadratique moyenne CVRSME du modele de simulation, Test de Student (t-test), des fractions des economies, et du nombre de mois avant et apres la renovation. En effet, le niveau d'incertitude des econormes energetiques est calcule comme suit:

253

Chapitre 12 - Methodes de rnesure et verification

AE..,,,,m 1,26.CVRSME[ (1+f)i]12 F Esave.m =t.

(12.9)

Avec:

jl 2

RMSE""' [ ~ (E; - :E;) \re/ (n - p) . n

(12.10)

- t = test de Student a intervalle de confiance selectionne ; - n = nombre de mois de renovation pre-utilises clans le modele ; - m = nombre de mois apres le projet de renovation utilises dans l'analyse des economies; - F = fraction en pourcentage des economies energetiques ; - p = nombre de parametres pour le modele (p = 3 pour l'analyse basee sur des factures, p = 1 pour l' analyse basee sur un modele de simulation calibre). Cette methode d'analyse de lmcertitude ne suppose aucune erreur de mesure, ce qui est vrai lorsque vous utilisez des donnees mensuelles basees sur les factures. La variation de I'incertitude fractionnaire dans les economies est graphiquement representee dans la Figure 6 pour divers coefficients de variation avec 12 mois de donnees pour la periode avant le projet de renovation et un intervalle de confiance de 68%. lncertitUde Frar.tlonnelle des Econormes,FX

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Mois Apres un Projet d'AAelioration

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Figure 12.6: Variationdu niveau d'incertitude des economies energetiques avec les mois et les valeurs de coefficient de variance (CV)

254

Guide technique d'audit energetique

La Figure 12.6 indique que 1 'incertitude fractionnaire dans les economies energetiques estimees diminue avec la disponibilite de plus de donnees apres le projet de renovation et avec de meilleurs modeles de simulation [c'est-a-dire des valeurs plus faibles de CV estime avec I'equation (12.8)]. L'incertitude fractionnaire des economies prevues depend egalement de la fraction estimee de ces economies par rapport la consommation totale. Par exemple, un modele avec un CV de 15 %, une fraction des economies attendues de 15 %, et 3 mois de donnees apres la completion du projet de renovation a une valeur d' ordonnee y de 0,02 ( voir Figure 12.6) et donne une incertitude fractionnaire pour l'estimation des economies energetiques de (.02/.15)*100 = 13%. Le meme modele et les memes donnees apres la renovation mais avec une fraction des economies prevues de 40 % (au lieu de 15 % ) donneraient une incertitude fractionnaire pour I'estimation des economies de (.02/.4)* 100 = 5 %.

a

4. ETUDE DE CAS 4.1. Descriptiondu projetde renovation Pour illustrer les procedures de mesure et de verification des economies energetiques presentees dans ce document, un projet de renovation d'un complexe residentiel est considere, Le complexe residentiel consiste en 30 logements sociaux repartis comme suit (Guitennan et Krarti 2011): - 10 unites

a 1 chambre

;

a 2 chambres; 8 unites a 3 chambres ; 4 unites a 4 chambres.

- 8 unites -

•

Les occupants des logements sont des familles pauvres et des personnes agees. Tous les logements sont construits avec des briques avec un systeme de chauffage au gaz nature I. Figure 12.7 decrit les trois phases du projet de renovation pour ameliorer I'efficacite energetique du complexe residentiel et par consequent reduire les factures energetiques pour chaque logement. Les phases incluent : - Phase 1: une etude d'avant-projet pour determiner les mesures d'efficacite energetique qui sont economiquement faisables pour chaque unite. - Phase 2: une periode de construction pour implementer les mesures d'efficacite energetique selectionnees apres la phase 1. - Phase 3: une etude d'apres-projet pour mesurer et verifier les economies energetiques actuelles obtenues pour chaque logement type.

255

Chapitre 12 - Methodes de mesure et verification

i-Auc!ITTnergetique ---, • Mesure et Collection des donnees (test d'etanchelte, camera infrarouge, interviews) • Simulation du batiment

jI

··-----------

• Implementation des mesures d'efflcacite energetique • lsolationthermique, amelioration de l'etanchelte, lampes de haute performance, svsterne de chauffage

]

.-Ccill"ectfon oesclonnees (monitoring ae temp~rature, resultatscre-·1 test de porte soufflante)

f.lifl1~Jml •

Modeles Energetiques Raffines • Methodes de Simulation lnte rale des Batiments

·---

-~)

Figure 12.7: Etapes du projet de renovation et procedure de mesure de verification des economies energetiques En particulier, les phases l et 2 consistent en un audit energetique avec elaboration d'un rnodele de simulation detaille et estimation des economies energetiques comme decrit ci-dessous: - Audit energetique : audit simple (visite de site); · interview les occupants ; test de porte soufflante ; ·

photos infrarouges ;

- Model es de simulation: • modelisation d'un echantillon de 6 unites representatives utilisant un logiciel de simulation detaillee. eQuest; • etalonnage des modeles avec les consommations energetiques obtenues par !es factures de 3 ans ; ·

evaluation de plusieurs mesures de conservation energetique;

Estimations des economies. Durant la phase 1, une serie de mesures d'efficacite energetique a ete recommandee pour les unites residentielles, Les mesures incluent: (1) ameliorer I'etancheite de J'enveloppe pour reduire les fuites d'air, (2) installer un thermostat programmable pour reduire les temperatures de consigne pendant !es heures ou les unites ne sont pas occupees, (3) remplacer les lampes incandescentes par des lampes compactes fluorescentes (LCF), (4) remplacer le systeme de chauffage par un systeme plus efficace, (5) remplacer le systeme de chauffe-eau. Une reduction de 23 % de la consommation energetique est estimee pour chaque logement.

256

Guide technique d'audit energetique

4.2. Resultats des mesures Pendant Jes phases 1 et 2, quelques caracteristiques des logements on ete mesurees. L' etancheite de l 'enveloppe des unites typiques a ete mesuree en utilisant le systeme de la porte soufflante. Les resultats de la porte soufflante pour deux unites obtenus avant et apres le projet de renovation sont donnes dans le tableau 12.4 en exprimant l'etancheite de l'enveloppe en fonction du taux de renouvellement d'air par heure (ACH). Pour les deux unites, le projet de renovation a permis de reduire au moins de moitie les fuites d'air par infiltration. Avant

Apr es

Unite

Type

(ACH)

(ACH)

R~ductlon %

1-A

1-Chambre

0.89

0.35

61%

2-A

2-Chambre

0.67

0.33

51%

Tableau 12.4: Resultats de mesure de l'etancheite de deux logements types avant et apres le projet de renovation

Les resultats de mesure de la variation des temperatures internes et externes pendant une periode de chauffage (hiver) sont illustres par la Figure 12.8 pour deux unites types. Les mesures, faites pendant la phase 1, montrent que les occupants ne reduisent pas la temperature de consigne meme quand les unites ne sont pas occupees. Unite(lAI Varfatlondela Temp~rature

OU !a

r~-~·--~--i····

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70 ( ·-·-

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-

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2.'15

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Air lnt6rleur

-

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Air Exterleur

Unit~(2A) Variation de la Temperature

80 ~60

0

.... ---

t/11

.,.

------

Arrlnt6rlaur

-

AlrExt6rfeur

Figure 12.8 : Variation des temperatures internes et externes pour deux unites pendant une periode de IO jours de fevrier avant le projet de renovation

257

Chapitre 12 - Methodes de mesure et verification

4.3. Analyse de mesure et verification Pour determiner les economies energetiques reellement realisees apres I'implementation des mesures d'efficacite energetique, les factures mensuelles pendant toute la duree du projet (c.a.d, 4 ans) ont ete collectees. La Figure 12.9 presente Jes variations des degres-jours et des consommations mensuelles de gaz naturel pour un logement avec une seule chambre et les predictions du modele de simulation avant et apres le projet de renovation. En utilisant ces predictions, on peut estimer les economies comme indique sur la Figure 12.9. Deux options (C et D) sont utilisees pour estimer Jes economies energiques associees au projet de renovation du complexe residentiel, I

Consommatlons 114!elles -~ Pro)Kllonsw C.. de 118erence -

Pro)ec!lons d'Apru Arnolllontlc,n -

45 --

-·-··-··--

Deg~ours deO..uffqe ····--·-

···-··---

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_____ Economies---·--·······--··-'-'"'

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i

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Figure 12.9: Variation mensuelle des consommations energetiques, degres-jours, et predictions des modeles de simulation avant et apres le projet de renovation pour un logement avec une seule chambre

En utilisant l'option D, des modeles de simulation pour chaque logement sont developpes avec eQUEST et calibres avec: - les facturesobtenues pendant deux ans avant les ameliorations ; - les resultats de l'audit energetique, tests, et mesures. L'etalonnage du modele est fait avec une precision de 5 % pour les predictions des consommations mensuelles comme Figure 10 illustre pour un modele d'un logement a deux chambres. Les modeles de simulation sont capables de modeliser et predire les economies associees a chaque mesure d'efficacite energetique implementee dans le complexe residentiel, Par consequent, les economies energetiques sont estimees en utilisant directement les differences entre les resultats des modeles de simulation obtenus sans et a, ec Ies mesures d'efficacite energetique,

258

Guide technique d'auclit energetique

Natural Gas CalibraUon Unit2-A 10.0 9.0

a.a

~------·---

i::. :I

3.0

- ·-·-·----

.

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6.0 4.0

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+-'---'-'. . :_-.. .~.-~--------------7.

7.0 50

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10

12

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2.0

~ I I

-+-Utility Data

---eouest

1.0

a.a 4

5

6 Month

8

11

Figure 12.10: Comparaison des consommations energetiques mensuelles obtenues des factures estimees d'un modele de simulation pour un logement avec une seule charnbre L20 1.10 1.CO 0.90

E

......

!:::!!!

080 0.70

o.eo 0.50

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s

w

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n

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m

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~

OutdoorTemperature (Fl

+ Avant Amelioration

x

- Hivers

Apres Amelioration - Ete

-

.~. Aprei: Amelioration - Hivers Regression Lineaire (Avant Amelioration- Hivers)

-

• Avant Amelioration - Ete Regression Lineaire (Apres Amelioration - Hlvers]

Figure 12.11: Methode de variation de la consommation energetique avec la temperature ambiante pour un logement a une seule charnbre l.00

....

MO

0.70

ij ....

f

.,•.. ,, •

Avant Am611omlan

~ -

Apres Am61amlon 116gnHlanUnhlre (AvantAm•llarltlonl

-

R..,_nlan U""'lre (Aprw1Amellamlon)

O.iD

:I! ...

. .. Daplour

Jouma1ier de Chauffage

Figure 12.12: Methode de variation de la consommation energetique avec !es degres-jours pour un logement a une seule charnbre

Chapitre 12 - Methodes de mesure et verification

259

En utilisant l'option C, des modeles de regression lineaire pour trouver des correlations entre les consommations mensuelles obtenues des factures et les temperatures exterieures ou Jes degres-jours, La Figure 12.11 illustre les rnodeles de regression en utilisant les temperatures exterieures mensuelles avant et apres le projet de renovation. La Figure 12.12 presente les modeles de regression en utilisant les degres-jours mensuels avant et apres le projet de renovation. Avec Jes coefficients de regression, les economies energetiques associees au projet de renovation peuvent etre estimees, Les economies energetiques obtenues apres 1 'Implementation des mesures defficacite energetique sont estimees pour chaque logement dans le complexe residentiel en utilisant soit l'option C (deux methodes) soit l'option D (une seule methode). La Figure 12.13 presente ces resultats obtenus par les trois methodes (regression lineaire avec la temperature ambiante, regression lineaire avec le degres-jours, et modele calibre de simulation detaillee) pour 5 logements avec deux chambres. Les resultats montrent que les economies energetiques dependent du logement et de la methode de mesure et de verification. Le tableau 12.5 donne pour chaque logement type, les mesures d'efficacite energetique implementees et leur impact pour reduire la consommation energetique en utilisant l 'option D de l'approche de mesure et de verification. En utilisant les economies energetiques, un temps de retour du projet de renovation est obtenu pour chaque logement type. Les mesures qui ne necessitent pas des investissements importants (c.a.d. installer des thermostats programmables, reduire les fuites d'air et utiliser des lampes fluorescentes compactes) resultent en un temps de retour court mais des economies energetiques reduites par rapport aux mesures plus coiiteuses (c.a.d, rempJacer les systemes de chauffage et chauffe-eau). Quant Jes resultats de toutes les unites dans le complexe residentiel sont consideres, les trois methodes d'analyse donnent des estimations similaires pour Jes economies energetiques associees au projet de renovation comme l 'indique la Figure 12.14. L'implementation des mesures d'efficacite energetique specifiees dans le tableau 12.5 a reduit la consommation energetique dans le complexe residentiel de 19-21 % assez proche de I'estimation initiale faite par l'audit energetique de la Phase 1 (c.a.d. 23%).

260

Guide technique d'audit energetique

•

Methode de Templ!:rature • Methode de Degn!J-Jour

50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

Mod~le de Slmulatlon Callbrl!:

32"-

710

716

163-A

163-B

696-B

696-A

Figure 12.13 : Estimations des economies energetiques obtenues avec trois rnethodes de M&V pour Jes logements avec deux chambres 1-Chambre Systeme deChauffage

x

Chauffe-eau

x

Temperature de Conslgne

Z-Chambres

3-Chambres

x x

x

Etanchel~

x

x

Lampes (CFL)

x

x

x x

Economies Annuelles de l'Energie

22%

V%

17%

lOannlees

2annees

Temps de Retour

llannees

Tableau 12.S : Mesures de I' efficacite energetique et Jes reductions des consommations energetiques obtenues pour chaque logement type

•

Methode de Tempenlture • Methode de Degre-Jour

'Ill

Madele de Slmulatlon callbn!

30!. ·------·-·--~--·-------------25%

15% 10% 5% 0%

Figure 12.14: Estimations des economies energetiquesmoyennes obtenues avec trois methodes de T\l&V pour tous Jes logements dans le complexe residentiel

Chapitre 12 - Methodes de mesure et verification

5.

261

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Annexes

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