Memoire Ingenieur HOEGAN-Efficacité Énergétique [PDF]

Zitiervorschau

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT TECHNIQUE ET DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE

REPUBLIQUE TOGOLAISE Travail-Liberté-Patrie N° d’ordre : 2013/FL/GE-24/09

UNIVERSITE DE LOME (UL) ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI) DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

ETUDE DE L’EFFICACITE ENERGETIQUE DU BATIMENT PRINCIPAL DE L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI)

PROJET DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION EN GENIE ELECTRIQUE

Présenté et soutenu par : HOEGAN Kossi Mawulom

Jury : Président

: Prof. BEDJA Koffi-Sa, Enseignant à l’ENSI

Directeur

: Dr. SALAMI Akim A, Maître assistant, Enseignant à l’ENSI

Membre

: Prof. AJAVON Ayité Sénah, Maître de conférences, Enseignant à l’ENSI

Membre

: M. BOKOVI Yao, Ingénieur Génie Electrique, Enseignant à l’ENSI

Juillet 2013

Dédicaces

DEDICACES

Cette œuvre est dédiée :

 à l’Eternel Dieu tout puissant origine de toute grâce source de mon intelligence et de ma sagesse ;

 à mon père HOEGAN Komlanvi, Grâce à toi j’ai pu faire des études. Veuille trouver dans ce travail le fruit de tes efforts ;

 à ma mère EVLUI Akouwa, merci pour ton amour et tes efforts pour nous offrir une vie meilleure ;

 à mes frères et sœurs pour vos soutiens. Ensemble nous connaitrons le succès;

 à celle qui sera d’une aide semblable à moi, que l’Eternel me donnera selon sa volonté ;

HOEGAN Kossi Mawulom

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

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HOEGAN Kossi Mawulom

Remerciements

REMERCIEMENTS Je te remercie infiniment ô mon Dieu pour m’avoir assisté et guidé tout au long de ce travail. Que ton nom soit glorifié à jamais. J’exprime mes sincères remerciements :  au Prof. Koffi-Sa BEDJA, Professeur titulaire, ex-Directeur de l’ENSI ; dévoué pour la bonne cause de notre chère école. Merci de m’avoir recruté et formé ;  au Prof. Ayité Sénah AJAVON, Maître de Conférences, Chef de Département Génie Electrique de l’ENSI pour sa disponibilité sans faille ;  au Dr Komlan KASSEGNE, Maître de Conférences, Ingénieur Génie Mécanique, Directeur de l’ENSI ;  au Dr Sibiri BAYOR, Maître Assistant, Directeur Adjoint de l’ENSI pour ses conseils durant ma formation ;  au Dr KODJO Koffi Mawugno ; pour sa disponibilité et sa rigueur pour un travail bien fait ;  au Dr Akim A. SALAMI, pour nous avoir confié ce projet et l’avoir dirigé malgré ses occupations ;  à M. APALOO BARA K. Kpomonè pour les moyens matériels mis à notre disposition pour la réalisation de ce projet ;  a tout le corps administratif, professoral et technique de l’ENSI. Nous remercions toute la direction de l’ART&P pour la confiance qu’elle a placée en nous et le soutien qu’elle nous a apporté lors de notre formation, particulièrement :  le Directeur Général M. Abayeh BOYODI ;  le Directeur des affaires financières M. Kossi KASSEGNE ;

Mes remerciements vont également à tous mes camarades de la 13ème promotion de technicien supérieur et de la 24ème promotion des ingénieurs de l’ENSI, pour l’ambiance créée autour de moi qui m’a permis d’apprendre et de prendre goût aux études. Merci ! Que Dieu vous bénisse et vous rende au centuple chacun de vos bienfaits !!!

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

ii

HOEGAN Kossi Mawulom

Table des matières

TABLE DES MATIERES Pages DEDICACES .................................................................................................................................................................. i REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................................... ii TABLE DES MATIERES ........................................................................................................................................... iii LISTE DES FIGURES................................................................................................................................................ vii LISTE DES TABLEAUX .......................................................................................................................................... viii GLOSSAIRE................................................................................................................................................................. x INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................................. 1

Chapitre 1 : Situation énergétique au TOGO et protocoles d’étude de l’efficacité énergétique ..................................................................................................................................... 4 1.1.

Introduction ...................................................................................................................................................... 5

1.2.

Production d’énergie électrique au TOGO ...................................................................................................... 5

1.2.1.

Les sources d’énergies électriques au TOGO ............................................................................................. 5

1.2.1.1.

La production thermique ............................................................................................................................. 5

1.2.1.2.

Production hydroélectrique ......................................................................................................................... 6

1.2.1.3.

Les énergies renouvelables .......................................................................................................................... 7

1.2.2.

Production de l’énergie à la CEB ................................................................................................................ 8

1.2.2.1.

Centrales thermiques de la CEB .................................................................................................................. 8

1.2.2.2.

Centrales hydroélectriques de la CEB ......................................................................................................... 8

1.2.2.3.

Importation d’énergie par la CEB................................................................................................................ 9

1.2.3.

Production d’énergie à la CEET ................................................................................................................ 10

1.2.3.1.

Centrales thermiques de la CEET .............................................................................................................. 10

1.2.3.2.

Centrale hydroélectrique de la CEET ........................................................................................................ 11

1.2.3.3.

Importation d’énergie par la CEB.............................................................................................................. 11

1.2.4.

Production d’énergie à Contour Global ..................................................................................................... 11

1.3.

Interconnexion des réseaux électriques au TOGO ......................................................................................... 12

1.4.

Emission de gaz à effet de serre au Togo ...................................................................................................... 12

1.5.

Politique énergétique du Togo ...................................................................................................................... 14

1.6.

Protocoles d’étude de l’efficacité énergétique : démarche d’audit énergétique ............................................. 15

1.6.1.

Etude de la situation existante ................................................................................................................... 15

1.6.1.1.

Visites et enquêtes ..................................................................................................................................... 16

1.6.1.2.

Mesures sur site ......................................................................................................................................... 17

1.6.1.2.1.

Mesure de la température et l’humidité relative .................................................................................... 17

1.6.1.2.2.

Mesure de la consommation d’énergie électrique ................................................................................. 18

1.6.1.2.3.

Mesure de la luminosité ........................................................................................................................ 18

1.6.1.2.4.

Distances et épaisseurs de verre ............................................................................................................ 18

1.6.2.

Analyse des données collectées et mesurées ............................................................................................. 19

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

iii

HOEGAN Kossi Mawulom

Table des matières Scénario d’occupation ............................................................................................................................... 19

1.6.2.1. 1.6.2.1.1.

L’évolution quotidienne ........................................................................................................................ 19

1.6.2.1.2.

L’évolution hebdomadaire .................................................................................................................... 19

1.6.2.1.3.

L’évolution annuelle ............................................................................................................................. 19

1.6.3.

Examen du système de climatisation ......................................................................................................... 20

1.6.3.1.

Normes du confort thermique .................................................................................................................... 20

1.6.3.2.

Bilan thermique ......................................................................................................................................... 21

1.6.3.2.1.

Calcul des charges extérieures .............................................................................................................. 21

1.6.3.2.2.

Calcul des charges internes ................................................................................................................... 24

1.6.3.2.3.

Calcul des charges thermiques totales ................................................................................................... 25

1.6.4.

Examen du système d’éclairage................................................................................................................. 26

1.6.4.1.

Analyse du bâti .......................................................................................................................................... 27

1.6.4.2.

Analyse de l’installation ............................................................................................................................ 27

1.6.4.2.1.

Caractéristique des lampes .................................................................................................................... 27

1.6.4.2.2.

Les types de lampes............................................................................................................................... 29 Dimensionnement des équipements d’éclairage ........................................................................................ 30

1.6.4.3. 1.7.

Proposition de solution .................................................................................................................................. 30

1.8.

Conclusion ..................................................................................................................................................... 30

Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant .................... 31 2.1.

Introduction .................................................................................................................................................... 32

2.2.

Objectifs du projet d’audit énergétique du bâtiment de l’ENSI ..................................................................... 32

2.3.

Difficultés du projet ....................................................................................................................................... 33

2.4.

Etude de l’existant.......................................................................................................................................... 33

2.4.1.

Description du bâtiment principal de l’ENSI ............................................................................................ 34

2.4.1.1.

Présentation générale ................................................................................................................................. 34

2.4.1.2.

Description du bâti .................................................................................................................................... 34

2.4.2.

Scénario d’occupation du bâtiment ........................................................................................................... 35

2.4.3.

Description de l’installation électrique BT du bâtiment ............................................................................ 35

2.4.4.

Zonage et fonctions spécifiques des locaux ............................................................................................... 37

2.4.5.

Inventaire des équipements à usage spécifique d’énergie ......................................................................... 38

2.4.5.1.

Inventaire des équipements d’éclairage ..................................................................................................... 38

2.4.5.2.

Inventaire des équipements de climatisation ............................................................................................. 39

2.4.5.3.

Inventaire des équipements informatiques ................................................................................................ 39

2.4.5.4.

Inventaire des équipements divers ............................................................................................................. 40

2.4.5.5.

Répartition de la puissance installée par secteur de consommation .......................................................... 41

2.4.6.

Bilan énergétique : calcul de la consommation théorique ......................................................................... 42

2.4.6.1.

Principe de calcul ...................................................................................................................................... 42

2.4.6.2.

Application numérique .............................................................................................................................. 43

2.4.6.2.1.

Hypothèses d’heures d’utilisation ......................................................................................................... 44

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

iv

HOEGAN Kossi Mawulom

Table des matières 2.4.6.2.2.

Consommation théorique de l’éclairage ................................................................................................ 44

2.4.6.2.3.

Consommation théorique de la climatisation ........................................................................................ 45

2.4.6.2.4.

Consommation théorique des équipements informatiques .................................................................... 46

2.4.6.2.5.

Consommation théorique des équipements divers ................................................................................ 48

2.4.7.

Bilan de la consommation d’énergie réactive et calcul de pénalité ........................................................... 48

2.4.7.1.

Composantes active et réactive du courant ............................................................................................... 49

2.4.7.2.

Facteur de puissance .................................................................................................................................. 50

2.4.7.3.

Pénalité due à la consommation d’énergie réactive dans le bâtiment ........................................................ 50

2.4.8.

Répartition de la consommation énergétique ............................................................................................. 51

2.4.9.

Le dépassement de la puissance souscrite ................................................................................................. 52

2.4.10.

Consommation de référence ...................................................................................................................... 53

2.4.11.

Unités de l’énergie .................................................................................................................................... 53

2.4.12.

Diagnostic de performance énergétique .................................................................................................... 55

2.4.11.1. 2.5.

Comparaison aux prescriptions de la RT 2012 ...................................................................................... 56

Conclusion ..................................................................................................................................................... 56

Chapitre 3: Analyses des données et propositions de solutions d’amélioration .................... 58 3.1.

Introduction .................................................................................................................................................... 59

3.2.

Analyse du système d’éclairage ..................................................................................................................... 59

3.2.1.

Caractéristiques des lampes utilisées ......................................................................................................... 60

3.2.1.1.

Température de couleur ............................................................................................................................. 61

3.2.1.2.

Type de lampes : sources de lumière ......................................................................................................... 61

3.2.2.

Types de ballast utilisé .............................................................................................................................. 62

3.2.3.

Disposition des luminaires ......................................................................................................................... 63

3.2.4.

Dimensionnement : calcul de l’éclairement et de la puissance installée ................................................... 64

3.2.4.1.

Caractéristiques du local ............................................................................................................................ 64

3.2.4.2.

Le calcul du flux total ................................................................................................................................ 65

3.2.4.3.

Le nombre de luminaire ............................................................................................................................. 65

3.2.4.4.

Normes d’éclairage .................................................................................................................................... 66

3.2.4.5.

Application numérique .............................................................................................................................. 67

3.2.4.6.

Comparaisons et commentaires des résultats ............................................................................................. 70

3.2.5.

Solutions de rénovation du système d’éclairage ........................................................................................ 71

3.2.5.1.

Remplacement des ballasts électromagnétiques ........................................................................................ 71

3.2.5.1.1.

Description de la solution ...................................................................................................................... 72

3.2.5.1.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnementaux ....................................... 73

3.2.5.1.3.

Etude économique ................................................................................................................................. 73

3.2.5.2.

Utilisation des lampes efficaces................................................................................................................. 74

3.2.5.2.1.

Description de la solution ...................................................................................................................... 74

3.2.5.2.2.

Dimensionnement de la nouvelle installation ........................................................................................ 76

3.2.5.2.3.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnementaux ....................................... 80

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

v

HOEGAN Kossi Mawulom

Table des matières 3.2.5.2.4.

Etude économique ................................................................................................................................. 82 Réduire la charge d’éclairage dans les laboratoires pendant les heures hors TP ....................................... 82

3.2.5.3. 3.2.5.3.1.

Description de la préconisation ............................................................................................................. 82

3.2.5.3.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie ..................................................................................... 83

3.2.5.3.3.

Etude économique de la préconisation .................................................................................................. 85

3.2.5.4. 3.3.

Rénover la technologie de gestion de l’éclairage extérieur ....................................................................... 85 Analyse du système de climatisation ............................................................................................................. 86

3.3.1.

Bilan de charges thermiques ...................................................................................................................... 87

3.3.1.1.

Conditions atmosphériques ........................................................................................................................ 87

3.3.1.2.

Les hypothèses de calcul ........................................................................................................................... 87

3.3.1.3.

Application numérique .............................................................................................................................. 87

3.3.2.

Evaluation de la performance de climatisation .......................................................................................... 90

3.3.3.

Solution : utilisation des systèmes de climatisation performants............................................................... 91

3.3.3.1.

Description de la solution .......................................................................................................................... 92

3.3.3.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnemental ............................................... 93

3.3.3.3.

Etude économique ..................................................................................................................................... 94

3.4.

Analyse des installations d’équipements informatiques ................................................................................ 94

3.4.1.

Utilisation d’équipements performants : ordinateurs portables ................................................................. 95

3.4.2.

Utilisation d’équipements à haut rendement ............................................................................................. 96

3.4.3.

Activation du gestionnaire de veille .......................................................................................................... 97

3.4.4.

Suppression de la consommation à l’arrêt ................................................................................................. 97

3.5.

Analyse de la consommation en dehors des heures ouvrées .......................................................................... 97

3.5.1.

Campagne de mesure ................................................................................................................................. 97

3.5.2.

Histogramme des charges aux heures d’inoccupation et gisement d’économie d’énergie ........................ 98

3.5.3.

Solution : sensibilisation des utilisateurs ................................................................................................... 99

3.6.

Analyse du bâti et solution de rénovation ...................................................................................................... 99

3.7.

Cumul des gains d’énergie ........................................................................................................................... 100

3.8.

Diagnostic de performance énergétique de la future installation ................................................................. 100

3.9.

Coût du projet d’audit énergétique ............................................................................................................... 102

3.10.

Conclusion ................................................................................................................................................... 102

CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................................... 103 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................................................................. 105 ANNEXES ................................................................................................................................................................ 107

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

vi

HOEGAN Kossi Mawulom

Liste des figures

LISTE DES FIGURES

Pages

Chapitre 1 : Figure 1.1 : Répartition des émissions de GES directs à l’année en 2000 par type de gaz. ........................................ 13

Chapitre 2 : Figure 2.1 : Répartition de puissance .......................................................................................................................... 41 Figure 2.2 : Composition vectorielle des courants ...................................................................................................... 49 Figure 2.3 : Diagramme de puissance ......................................................................................................................... 49 Figure 2.4 : répartition de la consommation énergétique du bâtiment ........................................................................ 52 Figure 2.5 : Etiquettes énergétique (a) et d’émission de GES (b) du bâtiment principal de l’ENSI ........................... 56

Chapitre 3 : Figure 3.1 : Consommation due à l’éclairage des différents locaux ........................................................................... 59 Figure 3.2 : Classification générale des sources de lumière ........................................................................................ 62 Figure 3.3 : Limite supérieure du rapport entre l’espacement et la hauteur ................................................................ 63 Figure 3.4: Ballast électromagnétique (a) et ballast électronique (b) .......................................................................... 72 Figure 3.5: Répartition de la consommation d’éclairage dans les locaux ................................................................... 86 Figure 3.6 : Comparaison des niveaux de consommation en climatisation de l’existante et la nouvelle installation . 93 Figure 3.7 : répartition de la consommation des équipements informatiques dans les locaux .................................... 95 Figure 3.8 : Logo du label ENERGY STAR ............................................................................................................... 96 Figure 3.9 : Profil type de consommation aux heures d’inoccupation ........................................................................ 98 Figure 3.10 : Etiquettes énergétique (a) et d’émission de GES (b) du bâtiment principal de l’ENSI ....................... 101

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

vii

HOEGAN Kossi Mawulom

Liste des tableaux

LISTE DES TABLEAUX Pages

Chapitre 1 : Tableau 1.1 : Puissance potentielle des sites (MW) ..................................................................................................... 6 Tableau 1.2 : Normes du confort thermique................................................................................................................ 21 Tableau 1.3 : Classement des teintes des lampes par température de couleur ............................................................ 28

Chapitre 2 : Tableau 2.1: caractéristiques des transformateurs du poste N° 327 ............................................................................ 36 Tableau 2.2 : Inventaires des équipements d’éclairage ............................................................................................... 38 Tableau 2.3 : Inventaire des équipements de climatisation ......................................................................................... 39 Tableau 2.4 : Inventaire des équipements informatique .............................................................................................. 40 Tableau 2.5 : Inventaire des équipements divers ........................................................................................................ 41 Tableau 2.6 : Hypothèses des durées d’utilisation des équipements ........................................................................... 44 Tableau 2.7 : Consommation théorique annuelle due à l’éclairage ............................................................................. 45 Tableau 2.8 : Consommation théorique annuelle due à la climatisation ..................................................................... 46 Tableau 2.9 : Consommation théorique annuelle des équipements informatiques ..................................................... 47 Tableau 2.10: Consommation théorique annuelle due aux équipements divers .......................................................... 48 Tableau 2.11 : Calcul de pénalité ................................................................................................................................ 51 Tableau 2.12 : Table de conversion ............................................................................................................................ 54 Tableau 2.13 : Diagnostic de performance de l’éclairage ........................................................................................... 55

Chapitre 3 : Tableau 3.1 : Caractéristiques des lampes existantes .................................................................................................. 60 Tableau 3.2 : Classement des lampes en fonction de la température de leur couleur ................................................. 61 Tableau 3.3 : Normes pour l’éclairage des lieux de travail ........................................................................................ 67 Tableau 3.4 : Evaluation de l’éclairement et de la puissance d’éclairage ................................................................... 68 Tableau 3.5 : Evaluation de l’éclairement et de la puissance d’éclairage (suite et fin) ............................................... 69 Tableau 3.6 : comparaison de l’existant aux normes .................................................................................................. 70 Tableau 3.7 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction de GES ................................................ 73 Tableau 3.8 : Calcul du temps de retour d’investissement pour la préconisation ....................................................... 74 Tableau 3.9 : Dimensionnement de l’éclairage ........................................................................................................... 77 Tableau 3.10 : Dimensionnement de l’éclairage (suite et fin) ..................................................................................... 78 Tableau 3.11 : comparaison de l’existant et de la future installation .......................................................................... 79 Tableau 3.12 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction d’émission de GES ........................... 81 Tableau 3.13 : Etude économique de la préconisation ................................................................................................ 82 Tableau 3.14 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction d’émission de GES ........................... 84

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

viii

HOEGAN Kossi Mawulom

Liste des tableaux Tableau 3.15 : Etude économique de la préconisation ................................................................................................ 85 Tableau 3.16 : Calcul des apports thermiques dans les locaux ................................................................................... 88 Tableau 3.17 : Calcul des apports thermiques dans les locaux (suite et fin) ............................................................... 89 Tableau 3.18 : Coefficient de performance frigorifique et état du dimensionnement ................................................. 91 Tableau 3.19 : Propositions de solutions de rénovation .............................................................................................. 92 Tableau 3.20 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction de GES .............................................. 93 Tableau 3.21 : Etude économique de la solution ......................................................................................................... 94 Tableau 3.22 : Exemple de puissance d’ordinateur économique et standard .............................................................. 96 Tableau 3.23 : Cumul des gains d’énergie ................................................................................................................ 100 Tableau 3.24 : Diagnostic de performance de la future installation .......................................................................... 101 Tableau 3.25 : Estimation du coût du projet d’audit énergétique .............................................................................. 102

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

ix

HOEGAN Kossi Mawulom

Glossaire

GLOSSAIRE

CEB

:

Communauté Electrique du Bénin ;

CEET

:

Compagnie d’Energie Electrique du TOGO ;

CIE

:

Compagnie Ivoirienne d’Electricité ;

COVNM

:

Composés Organiques Volatiles Non Méthaniques ;

CTL

:

Centrale Thermique de Lomé ;

ENSI

:

Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs ;

GBF

:

Générateur Basse Fréquence ;

GES

:

Gaz à Effet de Serre ;

LES

:

Laboratoire sur l’Énergie Solaire ;

LFC

:

Lampe Fluorescente Compacte ;

RDC

:

Rez-de-chaussée ;

TCN

:

Transmission Company of Nigeria ;

TEP

:

Tonne Pétrole Equivalent ;

VRA

:

Volta River Authority ;

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

x

HOEGAN Kossi Mawulom

Introduction générale

INTRODUCTION GENERALE

INTRODUCTION GENERALE

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

1

HOEGAN Kossi Mawulom

Introduction générale

Le secteur de développement le plus inquiétant est celui de l’énergie, en raison des multiples dégâts environnementaux que cause sa production. En effet, l’extraction et l’utilisation des combustibles fossiles pour la production de l’énergie électrique sont sources des émissions polluantes. Pour répondre aux défis énergétiques et environnementaux du moment, une maitrise de la consommation d’énergie et donc l’efficacité énergétique s’avèrent indispensables. Ces mesures sont importantes non seulement pour le secteur de l’industrie mais aussi pour le secteur du bâtiment. Au niveau mondial, le secteur du bâtiment représente à lui seul plus de 32 % de la consommation d’énergie finale et contribue à hauteur d’un tiers environ à des émissions de CO2. Le potentiel d’économies d’énergie dans le secteur du bâtiment, au niveau mondial, est estimé autour de 40% [9]. Cela va sans dire qu’un accroissement du rendement énergétique dans ce secteur contribuera à l’amélioration de notre environnement. Dans le bâtiment principal de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs (ENSI) de l’Université de Lomé (UL) au TOGO, classé dans la catégorie de bâtiments administratifs et ERP (Etablissement Recevant du Public), la consommation d’énergie électrique n’est pas négligeable. Ne serait-il pas possible d’utiliser moins d’énergie dans ce bâtiment pour fournir les mêmes services ? C'est dans ce contexte qu'apparaît l'idée d’évaluer le gisement d’économie d’énergie disponible au niveau de ce bâtiment principal d’où notre thème de mémoire de fin d’étude : «ETUDE DE L’EFFICACITE ENERGETIQUE DU BATIMENT PRINCIPAL DE L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI)». Ce projet contribuera à l’effort visant la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l’environnement.

Il permettra d’apprécier les niveaux réels de consommation

énergétique du bâtiment, quantifier le gisement d’économie d’énergie électrique et de mettre en œuvre des actions de maitrise des consommations rentables économiquement. Pour ce faire, nous avons organisé notre travail en trois chapitres. Le premier est un aperçu global de la situation énergétique au TOGO. Il présente aussi la méthodologie

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

2

HOEGAN Kossi Mawulom

Introduction générale

adoptée pour un projet d’étude de l’efficacité énergétique. L’étude de l’existant exposé en début du deuxième chapitre permettra par la suite d’établir une consommation moyenne théorique en se basant sur les scénarios d’occupation du bâtiment et d’utilisation des équipements. Cette consommation rapportée à l’unité de surface situera le bâtiment principal dans les classes énergétiques et dans les classes d’émissions de GES. En vue de faire des propositions de solutions pour une amélioration de l’efficacité énergétique, nous analyserons, dans le troisième chapitre, tous les secteurs de consommations du bâtiment et déduire le gisement d’économie d’énergie disponible. Chaque préconisation sera étudiée du point de vue économique afin de permettre au maître d’ouvrage d’adopter celles qui sont rentables économiquement.

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

3

HOEGAN Kossi Mawulom

Chapitre 1 : Situation énergétique au TOGO et protocoles d’étude de l’efficacité énergétique

Chapitre 1 : Situation énergétique au TOGO et protocoles d’étude de l’efficacité énergétique

Chapitre 1 :

SITUATION ENERGETIQUE AU TOGO ET PROTOCOLES D’ETUDE DE L’EFFICACITE ENERGETIQUE

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

4

HOEGAN Kossi Mawulom

Chapitre 1 : Situation énergétique au TOGO et protocoles d’étude de l’efficacité énergétique

1.1.

Introduction

La demande en énergie des pays est sans cesse croissante. La production en énergie du Togo est de 183 GWh en 2005 et devra passer à 1059,3 GWh en l’an 2030 pour satisfaire la demande [4]. Mise à part la production d’énergie hydroélectrique, l’électricité produite au TOGO est principalement de sources non renouvelables ce qui a un impact négatif sur l’environnement et nous exposera à une pénurie de ressources fossiles dans les années à venir. Une démarche écologique est d’accroitre le rendement énergétique des secteurs de consommation afin de préserver ces ressources et assurer un développement durable. Consommer moins pour le même ou de meilleur confort tel est l'objectif de tout concept d'efficacité énergétique. Ce premier chapitre présente la situation énergétique du Togo et sa part dans les émissions de gaz à effet de serre (GES). La fin du chapitre sera consacrée aux protocoles d’étude de l’efficacité énergétique dans un bâtiment.

1.2.

Production d’énergie électrique au TOGO

Dans cette partie il sera question du bilan de la production de l’énergie électrique au Togo. Ensuite, il sera nécessaire de souligner la production de l’énergie dans les diverses compagnies d’énergie du pays.

1.2.1. Les sources d’énergies électriques au TOGO [9] Au TOGO, l’électricité est produite essentiellement dans les centrales thermiques. L’hydroélectrique contribue pour une petite proportion dans cette production d’énergie électrique. Les énergies renouvelables nouvelles, quoique peu développées représentent aussi un potentiel non négligeable dans la gamme des sources d’électricité du Togo.

1.2.1.1.

La production thermique

Elle est la principale source de production de la CEET avec ses diverses centrales dans tout le pays. La société Contour Global avec sa centrale thermique de 100 MW renforce le réseau électrique du TOGO. Notons que ce domaine thermique a connu son expansion

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surtout avec l’incapacité de la CEET à satisfaire sa clientèle du secteur industriel. Ces industrielles font tourner dans leurs enceintes des groupes électrogènes de moyenne voire de grande puissance, en fonction bien entendu de leur besoin. On peut aussi compter des chaudières servant de petites centrales thermiques, tournant à partir des combustibles comme la coke du coton et autres, toujours dans ces unités industrielles.

1.2.1.2. Production hydroélectrique [9] Plusieurs sites hydroélectriques potentiels ont fait l’objet d’études. La dernière, réalisée par le cabinet d’étude TRACTIONNEL, avait identifié 39 sites dont 23 présentant un potentiel supérieur à 2 MW. L’essentiel de ce potentiel se trouve sur les fleuves Mono et Ôti. Le productible qui peut être attendu de ces sites était évalué à 850 GWh pour une puissance installée de 224 MW. Les sites qui ont fait l’objet de l’étude sont repris dans le tableau 1.1. Tableau 1.1 : Puissance potentielle des sites (MW) [9]

Nom du site

Fleuve

Tétéou Nangbéto Tomégbé Tomégbé Ezimé Tomégbé Landa-Pozanda Bougoulou Wonougba Titira Adjarala

Mono Mono Domi Sin-Sin Koulassou Ghanhou Kara Kéran Sio Kéran Mono

Puissance potentielle (MW) Etude 1981 Etude 1984 TRACTIONNEL USAID 60 20 8 1,6 2,5 11,3 0,2 1,25 0,16 12 80

34 26 0,7 7 2 17

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Eu égard aux données de l’étude réalisée par TRACTIONNEL, il y a lieu de reconnaître qu’il existe une quantité non négligeable de sites pour lesquels une utilisation serait possible dans le plan directeur de l’électrification du pays. Pour ce faire, d’une part, une actualisation des études menées en vue de disposer des données et informations fiables et d’autre part, une vérification de la localisation des sites et leur production annuelle

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pourraient permettre de savoir dans quelles mesures, l’électrification sera techniquement et économiquement faisable en vue de les exploiter.

1.2.1.3. Les énergies renouvelables Dans le contexte de la très faible demande prévue pour certaines localités et dans la perspective de la lutte contre la pauvreté en zones rurales, le recours aux énergies renouvelables est considéré comme une alternative pouvant être retenue pour une option de pré-électrification. Malheureusement, ces énergies ne sont pas prises en compte dans le bilan énergétique national en raison de leur état embryonnaire. Pourtant, chacune de ces énergies représente un potentiel énergétique plus ou moins intéressant. Le potentiel solaire est fort intéressant. Les mesures effectuées par le Laboratoire sur l’Énergie Solaire (LES) de l’Université de Lomé et la Direction de la Météorologie Nationale à différentes latitudes du pays permettent d’estimer l’énergie solaire globale moyenne rayonnée sur un plan horizontal à 4,4 kWh/m2/j pour Atakpamé et à 4,5 kWh/m2/j pour Mango et environ 5 kWh/m2/j pour Lomé [9]. Les puissances pouvant dépasser 700 Watts/m2 surtout en saison sèche quand le ciel est clair et le taux d’humidité de l’air est bas. L’énergie éolienne est en train de se tailler une importante place dans le mix énergétique mondial mais malheureusement au Togo, le gisement éolien reste très insuffisant pour la production d’électricité par les aérogénérateurs dans des conditions économiques garantissant le retour sur investissements. Le Togo peut être classé parmi les zones plutôt calmes bien que des pointes instantanées de vent puissent atteindre des valeurs très élevées jusqu’à 4 m/s dans certaines régions. Le domaine du biogaz au Togo peut être constitué par 400 à 500 ktep de déchets végétaux d’agriculture, auxquels s’ajoutent les matières fécales animales du cheptel togolais évalué à près de dix millions (10 000 000) de têtes en 1998 et les déchets ménagers urbains [5]. Le Laboratoire sur l’Énergie Solaire (LES) de l’Université de Lomé avait expérimenté des digesteurs de type continu et discontinu en utilisant du lisier de vaches, de moutons et de volailles. De même, la coopération sino-togolaise avait

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réalisé un projet pilote de biogaz à Avétonou et à Namiélé. L’expérience togolaise dans ce domaine n’a pas été concluante.

1.2.2. Production de l’énergie à la CEB La CEB possède en plus des centrales thermiques, des hydroélectriques et se charge des transactions d’énergie dans les pays membres.

1.2.2.1.

Centrales thermiques de la CEB

La centrale thermique principale de la CEB est composée de deux turbines à Gaz qui se situent dans la zone portuaire. Elles ont chacune une puissance de 25 MW. Elles viennent généralement en appoint à la production de la CEET en cas de déficit. Elles sont tournées à partir du Jet A (carburant d’avion).

1.2.2.2.

Centrales hydroélectriques de la CEB

Elles sont au nombre de deux, une en exploitation et l’autre en étude.

1.2.2.2.1.

La centrale hydroélectrique de NANGBETO

La principale centrale hydroélectrique est celle de NANGBETO située à une quarantaine kilomètres de la ville d’Atakpamé et construite depuis 1983. Elle avait pour vocation, en plus de la production de l’électricité, l’approvisionnement en eau, la promotion de la pêche, voire l’aquaculture et l’irrigation agricole. Elle est dotée d’un réservoir qui occupe une superficie de 180 km2. La centrale, située à un niveau de 122 m, dispose de deux alternateurs (Kaplan) qui produisent une énergie de 32,4 MW chacun. La capacité totale de production est estimée à 65 MW et le barrage peut produire 150 GWh/an. Cette énergie est équitablement répartie entre le Bénin et le Togo, mais consommée pour la partie du Togo à 90 % par le centre et le sud du pays.

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1.2.2.2.2.

Les projets en cours dans le domaine hydroélectrique

Le projet hydroélectrique d’Adjarala, du nom du village le plus proche, est situé sur le fleuve Mono, à la frontière entre le Togo et le Bénin. Il s’agit, pour la Communauté Électrique du Bénin (CEB), promoteur du projet, de poursuivre la mise en valeur du potentiel hydroélectrique du fleuve Mono, d’augmenter la disponibilité en énergie, de réduire son coût, de limiter l’importation d’hydrocarbures coûteux et d’accroître l’indépendance énergétique de ses pays membres. Deux fois moins important en surface que Nangbéto, il produira presque deux fois plus d’électricité grâce à la réserve constituée par Nangbéto. Le projet d’aménagement hydroélectrique d’Adjarala a été étudié à la fin des années 1980. Le débit sera de 210 à 315 m3/s et la puissance installée de 98 à 147 MW répartie sur trois groupes identiques chacun. Jusqu’à une date récente, l’argument solide avancé en faveur de la construction du barrage d’Adjarala était la situation déficitaire de la fourniture d’énergie électrique par la CEB au Togo et au Bénin face à une demande fortement croissante qui s’établit autour de 213,48 MW pour le Togo et le Bénin dont 114,09 MW pour le Togo seul avec des moyens de production et de transport dans un état de saturation.

1.2.2.3.

Importation d’énergie par la CEB

Pour venir à bout de la demande sans cesse croissante de l’énergie électrique des pays membres, la CEB s’approvisionne auprès des compagnies d’énergie des pays proches. On peut évoquer l’achat auprès de la VRA (Volta River Authority) au Ghana, de la CIE (Compagnie Ivoirienne d’Electricité) en Côte d’ivoire et de la TCN (Transmission Company of Nigeria) du Nigeria. Elle se charge du transport jusqu'à restitution en haute tension dans de diverses régions des deux pays alliés. C’est l’exemple des 14 points de vente à la CEET au TOGO dont certains sont les suivants : LOME PORT (185288811 kWh en 2009), LOME AFLAO (390593000 kWh en 2009), DAPAONG (70930245,95 kWh en 2009), KARA (51991038,31 kWh en 2009).

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1.2.3. Production d’énergie à la CEET Principale distributeur d’énergie électrique au TOGO, la CEET est une société parapublique chargée de la couverture électrique du pays. Elle alimente également en électricité certains sites isolés afin de palier à d’éventuels manquements.

1.2.3.1.

Centrales thermiques de la CEET

La CEET dispose des centrales thermiques Diesel installées dans certaines localités du pays. Au total, il existe 45 unités de production. La puissance totale installée est de 42 MW avec une production de 50 à 70 GWh à l’exclusion de la CTL de 90 MW composée de 4 groupes de 10 MW chacun et 2 turbines à gaz de 25 MW chacune qui sont tous dans un état obsolète. La puissance disponible est de 26 MW et celle garantie n’est que de 21 MW. Les indisponibilités constatées sont liées à des nombreuses perturbations de production provoquées par les avaries des groupes. Le coût de production reste élevé à cause du coût de combustible, du faible rendement des groupes et de l’importance de la demande qui à son tour est liée à la densité de la population ou l’importance de sa population [9]. Il existe quatorze petites localités à être alimentées par de petits groupes électrogènes isolés dont les puissances installées varient entre 40 et 300 kVA. Ces petites centrales tournent avec un mode de fonctionnement aménagé de 12 heures par jour. Elles servent à alimenter des régions non couvertes par le réseau électrique. On peut citer par exemples les centrales isolées de KOUGNOHOU (17,5 kW a produit 112090 kWh en 2009), KAMBOLI (37,8 kW qui a produit 286176 kWh en 2009), GANDO (20,5 kW qui a produit 137746 kWh en 2009). Pour ce qui concerne la ville de Lomé, elle est desservie par les centrales de Lomé Siège d’une puissance de 16 MW, de Lomé B d’une puissance de 14 MW, CTL d’une puissance de 40 MW, toutes utilisant du DDO comme combustible.

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1.2.3.2.

Centrale hydroélectrique de la CEET

C’est à l’aube de l’indépendance que les autorités togolaises, voulant une certaine autonomie en matière d’énergie électrique, ont décidé de disposer d’une source d’énergie nationale. Grâce à un partenariat entre les États Togolais et Yougoslave, la construction du barrage de Kpimé va commencer en 1960 et s’achèvera en 1963. Il a une puissance installée de 1,6 MW avec une puissance garantie en saison sèche de 600 kW en moyenne. La production annuelle est de 2,46 à 4,14 GWh avec un débit de 500 litres/s. La production de cette centrale desserre les villages et villes situées non loin du site, Kpalimé, Agou et autres [5].

1.2.3.3.

Importation d’énergie par la CEB

La CEET achète à hauteur de 90% environ l’énergie totale qu’elle exploite. Son principal fournisseur est la CEB. L’acquisition de l’énergie se fait en haute tension au niveau des postes de transformation HT/MT qui se situent à de diverses localités à travers tout le pays, il revient à la charge donc de la CEET de l’abaisser et de la distribuer. Il existe au total 15 points de fourniture dans le pays dont deux à Lomé à savoir LOME-AFLAO et LOME PORT. Ces deux points de livraisons tirent leurs sources des réseaux électriques (161 kV) de la VRA du Ghana et de la CIE en Côte d’Ivoire, qui viennent tous du Ghana. Ces points de livraisons sont de véritables courroies de transmission entre les deux compagnies. Notons qu’ils comprennent chacun deux compteurs appartenant à chaque compagnie (CEET ou CEB). L’évaluation de l’énergie totale achetée se fait sur ces compteurs. On a par exemple en 2009, 390593000 kWh livrée à LOME-AFLAO et 185288811 kWh pour Lomé Port. Les autres points de livraisons n’ont pas une énergie aussi élevée que ceux de Lomé. On peut citer par exemple KARA, DAPAONG, ATAKPAME etc.

1.2.4. Production d’énergie à Contour Global La compagnie américaine Contour Global vient en renfort pour l’autosuffisance énergétique au Togo. Elle a son site situé dans la zone portuaire à Lomé et produit annuellement jusqu'à 876 GWh avec une puissance installée de 100 MW. Contour Global Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

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devra être alimenté en gaz naturel par le Nigeria grâce au projet gazoduc mais pour l’heure, afin de pallier au besoin urgent du pays elle utilise le fuel lourd. L’énergie produite est vendu à la CEET et à la CEB.

1.3.

Interconnexion des réseaux électriques au TOGO

Etant conscientes du déficit énergétique dont souffre le pays et vu qu’il ne dispose pas d’une centrale principale capable d’assouvir le besoin national, les autorités togolaises, loin d’avoir un choix, n’ont fait que se plier à l’idée de se connecter aux réseaux des pays voisins. Ainsi, elles ne pourront que se contenter des avantages de ces interconnexions et subir les inconvénients. Ces interconnexions permettront au pays de s’approvisionner en énergie à partir de l’extérieur. C’est l’exemple de la ligne Haute Tension de 161 kV qui relie la VRA au Ghana au réseau électrique du TOGO, les lignes Hautes-Tension de la CIE en Côte d’Ivoire, de la TCN au Nigeria par le biais du Benin bien sûr et les lignes du barrage de NANGBETO qui partent pour le Benin. L’interconnexion des réseaux électriques est une méthode qui est souhaitée par les institutions d’énergies dans les sous régions de nos jours; l’énergie étant difficile de stockage, le surplus de production irait donc à une autre région ou pays en besoins. Par conséquent, les sources d’énergie se mêlent et s’entremêlent ; les sources thermiques, hydroélectriques, éoliennes et tant d’autres se mélangent. Un utilisateur ne peut déterminer exactement l’origine de production de l’électricité qui lui est fournie. Si nous considérons le réseau de la ville de Lomé par exemple, il est constitué des sources venant des centrales thermiques de la CEET (Lomé siège, Lomé B, TAG CEB et de Contour Global), de la source d’approvisionnement de la CEB (LOME-AFLAO, Lomé Port) qui proviendrait du barrage hydroélectrique d’AKOSSOMBO (VRA) au Ghana.

1.4.

Emission de gaz à effet de serre au Togo [3]

Dans le cadre de la mise en œuvre de la Convention-Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques, le Togo a procédé à l’inventaire en 2000 de ses émissions de gaz à effet de serre (GES). Selon ces études, en 2000, les émissions nettes des GES directs (émissions moins absorptions) du Togo sont estimées à environ 13249,76 Gg. Le

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dioxyde de carbone (CO2) constitue la plus grosse part avec 9010 Gg suivi du méthane (CH4) 72,02 Gg et de protoxyde d’azote (N2O) 8,79 Gg pour les gaz directs. Les gaz indirects sont dominés par le monoxyde de carbone (CO) 1067,4 Gg, les composés organiques volatiles non méthaniques (COVNM) 51,17 Gg, les oxydes d’azote (NOx) 42,79 Gg et le dioxyde de soufre (SO2) 8,36 Gg. Les émissions agrégées du Togo à la même année sont estimées à 13249,76 Gg CO2-e de GES directs rejetés dans l’atmosphère. Sur l’ensemble de ces GES, le dioxyde de carbone (CO2) constitue le principal GES émis avec 9010 Gg CO2-e (secteur UTCATF inclus) soit environ 68 % des émissions totales ; suivent les émissions de protoxyde d’azote N2O, 2724,13 Gg CO2-e soit 21 % et enfin, celles de méthane CH4 1512,42 Gg CO2-e soit 11%.

CH4 11%

N2O 21%

CO2 68%

Figure 1.1 : Répartition des émissions de GES directs à l’année en 2000 par type de gaz.

Les émissions de CO2 dues à la combustion de la biomasse sont estimées à 153,91 Gg. Selon l’analyse des émissions de gaz à effet de serre par secteur, le secteur Utilisation des Terres, Changement d’Affectation des Terres et Foresterie (UTCATF) est la principale source d’émission du dioxyde de carbone (CO2) avec 84% des émissions nationales (7548,09 Gg) suivi du secteur Energie avec 13 % (1149,34 Gg) et du secteur des Procédés Industriels avec 3 % (312,57 Gg). La prédominance du secteur UTCATF en matière d’émissions de CO2 trouve son explication dans le fait que l’économie du pays se repose essentiellement sur l’agriculture

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dont le mode d’exploitation est l’agriculture extensive sur brûlis. En outre, la forme d’énergie la plus utilisée est la biomasse énergie, affectant ainsi les écosystèmes forestiers. Comme c’est le cas dans la plupart des pays en développement, les émissions de gaz à effet de serre du secteur de l’énergie croissent très vite au Togo. En effet, de 1995 à 2000, les émissions de GES directs en équivalent CO2 se sont accrues de 16 % (passant de 1487,5 Gg en 1995 à 1721,9 Gg en 2000), puis d’environ 20 % entre 1995 et 2003. Avec cette tendance, on s’attend à plus qu’un doublement des émissions de GES dans le secteur énergie à l’horizon 2050, selon l’hypothèse tendancielle "Business as usual" (DCN, 2010).

1.5.

Politique énergétique du Togo [1]

A l’issue de la consultation des acteurs, il est apparu que la politique énergétique du Togo pouvait se décliner selon les 6 axes suivants :  sécuriser l’approvisionnement énergétique et maîtriser les coûts ;  accroitre le taux d’accès à l’électricité ;  améliorer l’offre d’électricité pour les consommateurs industriels ;  favoriser l’efficacité énergétique sur l’offre et la demande ;  développer les sources d’énergies renouvelables nationales ;  permettre à la direction générale de l’énergie de jouer son rôle central dans le secteur. Le Togo, dans sa politique énergétique fait mention de l’efficacité énergétique comme axes de développement. Cette politique stipule une amélioration de l’efficacité énergétique sur l’offre et la demande d’énergie électrique. Les objectifs fixés sont :  concevoir un programme d’économie d’énergie permettant une réduction de 30% de la facture d’électricité dans les bâtiments administratifs ;  concevoir un programme d’amélioration de l’efficience énergétique dans l’industrie ;  définir un programme d’amélioration de l’efficience énergétique et de substitution de combustibles ;

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 réaliser une étude de faisabilité et rédiger une proposition visant à réglementer l’importation de véhicules trop anciens ;  réaliser une étude de faisabilité de développement du transport en commun. La politique énergétique du Togo, fait apparaitre l’engagement des autorités togolaises à contribuer à une efficacité énergétique dans le secteur du bâtiment. L’étude de l’efficacité énergétique s’inscrit dans une démarche d’audit énergétique et nécessite l’adoption d’une méthodologie spécifique, d’où la notion de protocoles d’étude de l’efficacité énergétique.

1.6.

Protocoles d’étude de l’efficacité énergétique : démarche d’audit énergétique

L’efficacité énergétique est d'autant meilleure que le système énergétique utilise le moins d'énergie possible, de l’éclairage, de la climatisation, et de toute sorte de besoin énergétique. L’étude de l’efficacité énergétique s’inscrit dans une démarche d’audit énergétique. En effet, l’audit énergétique n’est qu’une étape d’un processus global dont la finalité est la réduction des factures énergétiques. La réalisation de l’audit permet de prendre connaissance de la situation énergétique du bâtiment et d’avoir des outils pour l’améliorer. L’audit peut être chronologiquement décomposé en trois grandes phases :  étude de la situation existante ;  analyses des données ;  propositions de solutions.

1.6.1. Etude de la situation existante L’étude de l’existant se base sur la collecte des informations. Il faut recueillir des informations afin de comprendre comment l'énergie est utilisée. Ceci est la première étape vers un audit énergétique efficace. Plus la quantité d’informations est importante, plus l'analyse sera précise et réaliste. Basé sur cet ensemble de données, nous pouvons identifier les différentes sources d'énergie, la répartition des consommations et des pertes d'énergie probables. L’objectif de cette étape consiste à :

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 acquérir une connaissance approfondie du site ;  faire le bilan des informations manquantes et nécessaires. Les documents nécessaires pour la réalisation de l’audit énergétique sont :  plan masse, plan de niveau, vue en coupe, description des matériaux (isolation entre autres) ;  schémas hydrauliques et électriques ;  caractéristiques des générateurs d’énergie secondaires;  description de toutes les mesures mises en place afin de réduire les consommations d’énergie ;  factures énergétiques sur les trois dernières années ;  contrôle des équipements consommant de l’énergie (manuel, automatique, time) ;  inventaire et description des consommateurs d’énergie (bureautique, éclairage, climatisation, équipements mécaniques, équipements bureautiques, etc.) ;  scénario d’occupation des locaux avec une estimation du nombre d’occupants hors-site ;  description des horaires de travail des employés ;  précédents audits énergétiques.

1.6.1.1. Visites et enquêtes Lors de ces visites, l'ensemble des bâtiments et tous leurs équipements sont revus. L’auditeur constate le fonctionnement de la maintenance, des systèmes de contrôle, de l'état général des bâtiments et des équipements. C’est grâce à cette visite que l’auditeur détecte les éventuelles anomalies dans l’enveloppe, l'utilisation générale du bâtiment ainsi que des équipements. C’est l’étape qui permet d’identifier les plus grandes sources d’économie d'énergie. C’est pour cette raison qu’elle est très importante. La visite du site permet à l’auditeur de rencontrer les employés qui utilisent les bâtiments tous les jours, et les questionner sur leurs besoins et idées d'amélioration. Il faut aussi constater, quand cela est possible, la nature des parois principales ainsi que la présence ou non d’isolant thermique. Les objectifs de cette étape sont :

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 collecte d'informations visuelles telles que la structure du site et de l'état des équipements présents tout en s'appuyant sur les connaissances des utilisateurs et inventaire des consommateurs ;  relever les informations manquantes ;  évaluer le confort des utilisateurs, afin de l'améliorer ;  sensibilisation pour une meilleure utilisation ;  détection de défauts relatifs à l’enveloppe et aux équipements.

1.6.1.2. Mesures sur site Ces données fournissent des informations quantitatives et qualitatives. Les mesures sont prises dans des endroits différents qui sont représentatifs des variations à l'intérieur d’un même bâtiment. Elles peuvent être réalisées dans certaines zones problématiques comme dans les locaux que le personnel a trouvés particulièrement inconfortable. Ces mesures concernent généralement :  la température et l’humidité ;  la consommation en énergie électrique ;  la luminosité dans le bâtiment.

1.6.1.2.1. Mesure de la température et l’humidité relative Ces données sont mesurées respectivement par des thermomètres et hygromètres. Munis d’une unité de mémoire qui enregistre les mesures à intervalles de temps réguliers, ils sont disposés à diverses positions stratégiques du site. Ainsi, au bout d’une certaine période, on peut observer l’évolution des deux grandeurs dans le temps.

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1.6.1.2.2. Mesure de la consommation d’énergie électrique Une analyse détaillée des pertes d’énergie sur le site ne serait pas complète sans une étude approfondie du profil de la consommation d'énergie électrique. À cette fin, les compteurs individuels sont installés sur l'équipement ciblé pour permettre la lecture instantanée de mesure de puissance. Cela permet d’identifier les sources de consommation les plus importantes et les pics de consommation. Ces mesures permettent de relier les modes de consommation pour les opérations quotidiennes à l’intérieur des bâtiments. On peut ainsi établir un profil type de consommation et constater où se trouvent les pics, trouver leur origine et chercher des solutions afin de les réduire.

1.6.1.2.3. Mesure de la luminosité A cette étape, l’auditeur est amené à mesurer la luminosité de l'éclairage naturel et artificiel sur le site. Ainsi, il peut approfondir la compréhension de la situation et formuler des recommandations qui prennent aussi en compte le confort des occupants. Avec un luxmètre, on peut mesurer le niveau de luminosité dans différentes parties du bâtiment et établir ainsi un éclairement moyen. Ce résultat est comparé avec les niveaux optimaux de confort de travail afin d’apprécier la luminosité et en déduire le gisement d’économie d’énergie relatif à l’éclairage.

1.6.1.2.4. Distances et épaisseurs de verre L’utilisation du télémètre est utile pour obtenir des informations quant aux longueurs caractéristiques du bâtiment et plus particulièrement dans le cas où l’on possède très peu d’informations architecturales le concernant. Cet outil permet de connaître les différentes hauteurs sous plafond, les hauteurs sous plancher ainsi que les dimensions d’huisserie. L’utilisation d’un mesure vitre permet de déterminer les différentes épaisseurs de vitrage ainsi que les lames d’air dans le cas de double ou de triple vitrage. Ces valeurs peuvent être utiles pour connaître avec précision la nature des vitrages dont les baies sont constituées.

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1.6.2. Analyse des données collectées et mesurées A cette étape du projet, toutes les données primaires concernant le bâtiment et les relevés effectués lors des visites sont traités. Il faut au préalable réaliser un scénario complet d’occupation du bâtiment permettant d’évaluer la consommation théorique en se servant du bilan de puissance. Ensuite, adopter des méthodologies de dimensionnement pour évaluer le juste besoin en matière de consommation énergétique au niveau de chaque poste de consommation afin de déduire le gisement d’économie d’énergie.

1.6.2.1.

Scénario d’occupation

Cette étape de l’audit permet de répertorier l’évolution de l’occupation de différentes zones sur plusieurs périodes.

1.6.2.1.1. L’évolution quotidienne En fonction du type d’activité du bâtiment ou de l’ensemble des bâtiments audités, l’évolution est très variable selon ces différentes bases. Par exemple s’il s’agit de bâtiments résidentiels, l’évolution quotidienne montrera une présence humaine du soir jusqu’au matin. Ce sera l’inverse si l’on traite du tertiaire. Cette évolution permet d’illustrer les horaires de fonctionnement de l’activité ainsi que l’occupation de pointe dans le cas d’accueil de public.

1.6.2.1.2. L’évolution hebdomadaire Cette période temporelle permet d’avoir un aperçu des jours ouvrables de la semaine dans le cas d’une activité secondaire ou tertiaire.

1.6.2.1.3. L’évolution annuelle L’évolution annuelle illustre les congés annuels ou les vacances scolaires s’il s’agit de bâtiments d’enseignement. Les scénarios ainsi obtenus vont permettre de comptabiliser le nombre d’heures et de jours annuels d’occupation des différents locaux. Ce sont ces

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valeurs qui vont servir de base afin de déterminer le temps d’utilisation des différents récepteurs électriques et donc leur consommation annuelle.

1.6.3. Examen du système de climatisation L’examen du système de climatisation est une étape très importante dans l’évaluation des besoins en climatisation. Il s’inscrit dans la démarche d’audit énergétique et constitue une base fondamentale pour le calcul de la puissance des équipements de climatisation d’un local pour un confort thermique optimal des occupants. Cette analyse nécessite une connaissance des normes du confort thermique dans les bâtiments.

1.6.3.1.

Normes du confort thermique

Le confort thermique des usagers d’un bâtiment passe par le respect des consignes de température et d’hygrométrie. Le code du travail reste vague en matière de température convenable des locaux de travail. Toutefois, il est recommandé l’utilisation de la norme AFNOR, NF X 35-121 (ISO 7730). Cette norme est fondée sur les recherches et la méthode de calcul de Fanger. Elle part du principe qu’il est question de confort lorsqu’il existe un équilibre entre la production de froid et la chaleur dégagée par le corps humain. Cet équilibre est influencé par un certain nombre de facteurs :  la température de l’air ;  la température de rayonnement ;  l’humidité relative ;  les vêtements ;  le niveau d’activité physique. Le tableau (1.2) présente des intervalles de températures acceptables en fonction de l’activité des personnes.

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Tableau 1.2 : Normes du confort thermique [source : NF X 35-121] Type d’activité

Température du local (°C)

Activité légère, position assise

20 – 22

Activité debout

17 – 19

Activité physique soutenue

14 – 16

1.6.3.2.

Bilan thermique

Le calcul du bilan thermique de climatisation ou de conditionnement d’air nous permet de comparer les puissances des équipements de climatisation installés et les charges thermiques à vaincre dans chaque local d’un bâtiment. Ce calcul s’effectuera à partir des gains réels, c'est-à-dire au moment où les apports calorifiques atteignent leur maximum dans le local. Les charges sont des facteurs physiques intérieurs et extérieurs qui perturbent la température et l’hygrométrie d’un bâtiment. Elles jouent donc un rôle très important dans le dimensionnement d’une installation de climatisation. Les équipements devront en effet être suffisamment puissants pour pallier aux plus fortes perturbations prévisibles. Les charges peuvent être classées en 2 catégories :  les charges intérieures ;  les charges extérieures.

1.6.3.2.1. Calcul des charges extérieures Les charges extérieures sont dues aux sources de dégagement de chaleur situées à l’extérieur du local à climatiser. Il s’agit essentiellement de la chaleur apportée par le réchauffement solaire, et le renouvellement d’air.

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a- Apport de chaleur par transmission à travers les parois extérieures (murs, toit, plafond et plancher) et les vitrages ; Il est donné par la relation (1.1) : 𝑸𝒔𝒕𝒓 = 𝒌 × 𝑺 × 𝜟𝜽

(1.1)

où : k est le coefficient de transmission thermique de la paroi ou du vitrage considéré en W/m² °C [Tableau A-2.1 de l’annexe 2] ; S est la surface de la paroi ou de la fenêtre considérée en m² ; 𝛥𝜃 est la différence de température entre les deux faces de la paroi considérée (°C) [Tableau A-2.2 de l’annexe 2].

b- Apport de chaleur par rayonnement solaire à travers les parois La quantité de chaleur traversant le mur (𝑄𝑆𝑅𝑚 𝑒𝑛 𝑊) est donnée par la relation (1.2) : 𝑸𝑺𝑹𝒎 = 𝜶 × 𝑭 × 𝑺 × 𝑹𝒎

(1.2)

où : α est le coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement ; S est la surface des parois en m² ; F est le facteur de rayonnement solaire ; 𝑅𝑚 est le rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en W/m. Le coefficient d’absorption « 𝛼 » dépend de la couleur et de la nature du mur [Tableau A2.3 de l’annexe 2]. Le facteur de rayonnement « F » indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à travers le mur du local [Tableau A-2.4 de l’annexe 2]. La valeur du rayonnement solaire « 𝑅𝑚 » sur un mur [Tableau A-2.7 de l’annexe 2] dépend de la latitude sous laquelle le local se trouve, de l’orientation du mur et de l’heure pour laquelle le calcul sera effectué.

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c- Apport de chaleur par rayonnement solaire sur les vitrages La quantité de chaleur traversant le vitrage (𝑄𝑠𝑟𝑣 en W) : 𝑸𝒔𝒓𝒗 = 𝜶 × 𝒈 × 𝑺 × 𝑹𝒗

(1.3)

où : 𝛼 est le coefficient d’absorption du vitrage [Tableau A-2.3 de l’annexe 2] ; 𝑔 est le facteur de réduction est fonction du mode de protection de la fenêtre contre le rayonnement solaire [Tableau A-2.5 de l’annexe 2] ; S est la surface vitrée (m²) ; 𝑅𝑣 est l’intensité du rayonnement solaire sur les vitrages W/m² ; elle est définie de la même manière que 𝑅𝑚 et est donnée par le Tableau A-2.7 de l’annexe2 dans la colonne «v».

d- Apport de chaleur par renouvellement d’air et infiltration Le renouvellement d’air dans un local climatisé est nécessaire pour des problèmes hygiéniques. Il se fait en règle générale par la ventilation (naturelle ou mécanique) des locaux ainsi que par infiltration, introduisant de l’air extérieur dans le local climatisé. Il est source d’apport de chaleur sensible et latent dans le local à conditionner. Les gains sensibles par renouvellement d’air et les gains latents par renouvellement d’air sont donnés respectivement par les formules (1.4) et (1.5). 𝑸𝑺𝒓 = 𝟎, 𝟑𝟒 × 𝒒𝒗 × (𝜽𝒆 − 𝜽𝒊 )

(1.4)

𝑸𝑳𝒓 = 𝟎, 𝟖𝟒 × 𝒒𝒗 × (𝒘𝒆 − 𝒘𝒊 )

(1.5)

où : 𝑞𝑣 est le débit d’air extérieur de renouvellement (m3/h) ; 𝜃𝑒 est la température extérieure de base ; 𝜃𝑖 est la température intérieure de base ;

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𝑤𝑒 𝑒𝑠𝑡 la teneur en eau de l’air extérieur g/kg air sec ; 𝑤𝑖 est la teneur en eau de l’air intérieur g/kg air sec. Si la ventilation est naturelle, on peut considérer que le renouvellement d’air est égal à un volume de la pièce par heure (1vol/h), si la ventilation est mécanique, on relèvera les valeurs dans le tableau (A-2.8) de l’annexe 2.

1.6.3.2.2. Calcul des charges internes Les charges internes sont principalement dues aux occupants, à l’éclairage, aux machines et équipements informatiques.

e- Apport de chaleur par les occupants Il est donné en fonction de la température intérieure et du degré d’activités. On distingue deux sortes de gains générés par les occupants : gains sensibles des occupants (𝑄𝑠𝑜𝑐 en W) et gains latents des occupants ( 𝑄𝐿𝑜𝑐 en W). Ils sont donnés respectives par les formules (1.6) et (1.7). 𝑸𝒔𝒐𝒄 = 𝒏 × 𝑪𝒔𝒐𝒄

(1.6)

𝑸𝑳𝒐𝒄 = 𝒏 × 𝑪𝑳𝒐𝒄

(1.7)

où : 𝑛 est le nombre d’occupants ; 𝐶𝑠𝑜𝑐 est la chaleur sensible des occupants (W) ; [Tableau A-2.9 de l’annexe 2] ; 𝐶𝐿𝑜𝑐 est la chaleur latente des occupants (W) ; [Tableau A-2.9 de l’annexe 2]. Les valeurs du tableau A-2.9 sont valables pour un homme adulte. On devra minorer les valeurs de ce tableau par les coefficients suivants :  pour les femmes : -20% ;  pour les enfants : -20 à -40% ;  pour un public mixte : -10%.

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f- Apport de chaleur par l’éclairage Il constitue une source de chaleur sensible et dépend du type de lampe [Tableau A-2.10].

Pour les lampes fluorescentes on utilise la relation (1.8). 𝑸𝑺𝒆𝒍𝒆𝒄 = 𝟏, 𝟐𝟓 × 𝑷

(1.8)

Pour les lampes à incandescence on utilise la relation (1.9). 𝑸𝑺𝒆𝒍𝒆𝒄 = 𝑷

(1.9)

où 𝑄𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐 est l’apport en chaleur (en W) et P, la puissance (en W) de la lampe. Dans le cas de la lampe fluorescente, les 25% supplémentaires représentent la chaleur dégagée par le ballast électromagnétique.

g- Apport de chaleur par les machines et appareillages La plupart des appareils constituent à la fois une source de chaleur sensible et latente. Le tableau (A-2.11) [annexe 2] donne les apports de chaleur par les machines et appareillages ( 𝑄𝑆é𝑞𝑢𝑖𝑝. ). Les valeurs de ces tables ont été déterminées d’après les indications de divers fabricants. On doit minorer les apports de ces machines et appareillages (par un coefficient de pondération) en fonction de leurs durées de fonctionnement. On considère par exemple qu’un appareil ne fonctionnant qu’une demiheure par heure dégage la moitié de sa puissance électrique nominale en apport de chaleur.

1.6.3.2.3. Calcul des charges thermiques totales Le bilan thermique total (𝑄𝑇 ) est la somme de toutes les charges externes et internes. Il est plus pratique de faire la somme des charges sensibles (𝑄𝑆 ) et latentes (𝑄𝐿 ). D’où la relation (1.10). 𝑸𝑻 = 𝑸𝑺 + 𝑸𝑳

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(1.10)

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a- Charges sensibles totales Ce sont les apports de chaleur sensible dans le local, dus à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur ; donné par la relation (1.11). 𝑸𝑺 = 𝑸𝑺𝒕𝒓 + 𝑸𝒔𝒓𝒎 + 𝑸𝒔𝒓𝒗 + 𝑸𝒔𝒓 + 𝑸𝒔𝒐𝒄 + 𝑸𝑺é𝒒𝒖𝒊𝒑.

(1.11)

b- Charges latentes totales Ce sont les apports de chaleur latente dus à la différence de quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur et intérieur, et donné par la relation (1.12) : 𝑸𝑳 = 𝒒𝑳𝒓 + 𝑸𝑳𝒐𝒄 + 𝑸𝑳é𝒒𝒖𝒊𝒑

(1.12)

1.6.4. Examen du système d’éclairage Lors de la visite des locaux, le simple relevé des installations et du comportement des usagers permet d'entrevoir immédiatement les postes où des gains sensibles sont à envisager sur l'éclairage. Nous pouvons citer plusieurs exemples significatifs, comme :  un bureau paysager entièrement éclairé pour un seul occupant ;  des locaux inoccupés mais pourtant éclairés ;  des pièces où l'éclairage est en marche alors que la lumière naturelle suffit largement pour couvrir les besoins. Sur ce dernier point, en fonction des caractéristiques architecturales du bâtiment (exposition, conception extérieure et intérieure), l'impact sur les consommations électriques liées à l'éclairage est loin d'être négligeable. L'éclairage est une source d'apport calorifique interne. Dans les bâtiments climatisés, l’éclairage conduit à des charges supplémentaires, sources d’inconfort pour les usagers. Elle augmente alors la consommation électrique relative à la climatisation. L’examen du système d’éclairage est effectué en partant d’une comparaison des relevés effectués sur le site par rapport aux données des normes et règlements en matière

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d’éclairage dans les lieux de travail. De cette comparaison seront déduits, les gains sensibles dans le secteur d’éclairage. Pour l'éclairage, le diagnostic est organisé autour de trois paramètres :  le bâti ;  l'installation ;  les usages.

1.6.4.1.

Analyse du bâti

Lors de l’analyse du bâti, il faut établir le relevé des surfaces vitrées par façade accompagné de l'orientation géographique correspondante. Ce relevé permet de déterminer les locaux où des gains énergétiques sont envisageables par l'usage de l'éclairage naturel. En effet, une meilleure organisation des plans de travail peut engendrer des économies sensibles. Par ailleurs, il est nécessaire de relever certaines côtes non connues, comme par exemple dans les bureaux, la hauteur utile (hauteur entre les luminaires et les plans de travail), ainsi que l'espacement entre les luminaires afin de vérifier le facteur d'uniformité des éclairements.

1.6.4.2.

Analyse de l’installation

L’analyse de l’installation intervient à deux niveaux : une intervention portant sur les caractéristiques et types de lampes utilisées et une autre intervention mettant en jeu la conception de l’installation.

1.6.4.2.1. Caractéristique des lampes La sélection des lampes les mieux adaptées se fait en fonction des applications et s'opère suivant les quatre critères principaux suivants : l’ambiance lumineuse, la qualité de la lumière, l’efficacité lumineuse et la durée de fonctionnement. Ce sont des données nécessaires pour vérifier la convenance du choix des lampes d’un local en tenant compte de l’activité qui y est exercée et du rendement économique ;

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a- L'ambiance lumineuse L'ambiance lumineuse varie en fonction de deux paramètres : la teinte et le niveau d'éclairement. La teinte est définie par la température de couleur (Tcp) exprimée en degrés Kelvin (°K). Cette notion de température de couleur permet de caractériser l'aspect de la lumière émise. Les teintes dites chaudes sont à dominante rouge et les teintes dites froides sont plutôt d'aspect blanc bleuté. Le tableau (1.3) présente le classement des lampes en trois groupes. Tableau 1.3 : Classement des teintes des lampes par température de couleur Température de couleur Tcp (°K)

Teintes

Tcp< 3300

Chaudes

3300 Tcp

Froides

b- La qualité de la lumière La qualité de la lumière est définie par l'indice de rendu des couleurs (IRC). Cet indice détermine la faculté d'une source à respecter l'aspect des couleurs. Les prescriptions pour les installations d’éclairage des lieux de travail intérieurs (NFEN 12464- 1 et ISO 8995/CIE 8008) et des lieux de travail extérieurs (projets de normes EN 12464-2 et CIE DS 015.2) répondent aux besoins de performance et de confort visuel. Lorsque la restitution exacte des couleurs est l'un des critères fondamentaux dans le choix de l'éclairage (cas des musées par exemple), les lampes à mettre en place doivent avoir un indice de rendu des couleurs supérieur à 95. c- L'efficacité lumineuse L'efficacité lumineuse ou rendement lumineux est une notion utilisée par les constructeurs de lampes pour désigner le rapport entre le flux lumineux émis par un

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appareil et sa puissance consommée. Elle s’exprime en lumen par watt (lm/W). Une lampe est d’autant plus économe que son efficacité lumineuse est grande. L'efficacité des lampes a un impact direct sur les coûts d'installation. Le choix de lampes de meilleure efficacité peut permettre de réduire le nombre de luminaires. Pour mesurer efficacement cet impact sur un bilan financier global, il convient de prendre également en compte d'autres paramètres comme la périodicité d'entretien (nettoyage, remplacement des lampes) et le coût d'achat à l'unité des lampes choisies. L’efficacité des lampes est principalement fonction de la source de lumière. d- La durée moyenne de fonctionnement La durée moyenne correspond au temps au bout duquel, sur un échantillonnage donné, 50% des lampes testées sont hors d'usage. Ce paramètre est fondamental pour des analyses économiques d’un projet d’éclairage.

1.6.4.2.2. Les types de lampes Les sources lumineuses artificielles se répartissent en deux grandes familles technologiques :  les lampes à incandescence ;  les lampes fluorescentes. Notons qu’il existe une troisième famille de lampes : les lampes à décharge. Leur domaine d’application étant l'éclairage des grands volumes (halls de gare ou d'aérogare, bâtiments industriels,...) ou encore celui de la voirie et des espaces extérieurs des villes. L’efficacité lumineuse qui est un indice d’efficacité énergétique au niveau de l’éclairage dépend de la technologie de construction de la lampe.

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Chapitre 1 : Situation énergétique au TOGO et protocoles d’étude de l’efficacité énergétique

1.6.4.3.

Dimensionnement des équipements d’éclairage

Partant d’un local dont on connaît les dimensions, la couleur des murs et la nature des tâches qui y seront accomplies, le dimensionnement consistera à trouver le type, le nombre et la disposition des luminaires nécessaires pour réaliser un éclairage convenable.

1.7.

Proposition de solution

L’audit énergétique permet l’établissement d’un programme cohérent d’améliorations des conditions d’utilisation et d’exploitation du bâtiment, de travaux envisageables concernant le bâti, l’installation de climatisation et les autres équipements à usage spécifique d’énergie. Adaptées aux caractéristiques propres du bâtiment étudié, ces propositions permettent d’apprécier l’intérêt technique et économique des améliorations préconisées et d’orienter le choix des travaux dans les meilleures conditions de coût, de rentabilité et de délai.

1.8.

Conclusion

Ce premier chapitre présente, la situation énergétique au TOGO dans sa globalité et les objectifs des autorités togolaises en rapport avec l’efficacité énergétique. Il a été également question d’exposer la méthodologie d’audit énergétique qui part d’une étude de l’existant et aboutit à une analyse et aux propositions de solutions. La suite du document sera consacrée à l’étude proprement dit du projet d’audit énergétique.

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

Chapitre 2 : PRESENTATION DU PROJET D’AUDIT ENERGETIQUE ET ETUDE DE L’EXISTANT

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

2.1.

Introduction

L'audit énergétique est un préalable à la mise en place d'une comptabilité énergétique, il aide à décider du programme des interventions que nécessite un bâtiment en vue de maîtriser la consommation énergétique. Loin d'être une analyse sommaire d'améliorations évidentes, ou un devis de travaux, l'audit est une méthode d'étude qui doit être déroulé dans sa totalité et qui se décompose en trois phases indissociables comme présenté dans le chapitre précédent. Ce chapitre deuxième fera l’objet d’une étude de l’existant en matière d’occupation du bâtiment, de puissance électrique installée dans les divers secteurs de consommation. En partant d’une estimation de la consommation énergétique annuelle nous ferons un diagnostic de performances du bâtiment principal de l’ENSI. Il est nécessaire de présenter au préalable les objectifs visés par notre projet d’audit énergétique et les difficultés rencontrées.

2.2.

Objectifs du projet d’audit énergétique du bâtiment de l’ENSI

L’efficacité énergétique est une option à favoriser pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre, qui permet de confronter les défis d’adaptation au dérèglement climatique aux installations et aux conditions de vie des populations. Un projet d’audit énergétique vise principalement à contribuer à la réalisation d’économies d’énergie. L’audit énergétique est la démarche globale d’analyse et de propositions de solutions. L’analyse du cas du bâtiment principal de l’ENSI permettra de diagnostiquer la consommation énergétique qu’engendrent les activités qu’héberge le bâtiment. Elle permettra d’apprécier les niveaux réels de consommation énergétique et de quantifier le gisement d’économie d’énergie électrique afin de proposer des interventions d’améliorations

pour

la

maîtrise

de

la

consommation

d’énergie

rentable

économiquement. Cet audit énergétique est donc une étude nécessaire pour mettre en évidence les points forts et faibles du bâtiment en termes de confort et de consommations énergétiques. Il passe par une analyse fine des données techniques et comportementales du site. Il en ressort une série de réponses aux problèmes soulevés, chacune s’étayant d’une

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proposition de travaux, évaluée en investissement, en gains de confort et d’énergie. Les enjeux du projet sont tant économiques qu’écologiques. En effet, un bâtiment qui consomme moins d’énergie est aussi un bâtiment qui émet moins de CO2. Ainsi l’amélioration des performances énergétiques du bâtiment principal de l’ENSI fait partie intégrante d’une démarche environnementale et de développement durable.

2.3.

Difficultés du projet

Ce projet d’audit énergétique pour le bâtiment principal de l’ENSI ne s’est pas déroulé sans difficultés. En effet, le bâtiment principal de l’ENSI date de 1972 et de nos jours, aucune documentation à savoir : plans de construction (plan masse, plan de niveau, vue en coupe), description technique des matériaux (isolation, baies et enveloppes), plan d’installation électrique basse tension n’est disponible. Nos visites des lieux révèlent que le bâtiment principal est alimenté par un départ du poste source privée N° 327 de l’Université de Lomé. Aucun dispositif de comptage n’est installé sur le Tableau Général de Distribution Basse Tension, par conséquent aucune facture d’électricité propre à la consommation d’énergie dans le bâtiment ne peut être fournie. Les mesures à effectuer dans le cadre de notre projet d’audit énergétique rencontre elles aussi des difficultés du point de vue matériel. En effet, il est nécessaire de relever l’éclairement moyen dans

chaque local du bâtiment afin de le comparer aux

recommandations des normes et règlements en vigueur. L’appareil de mesure (luxmètre) à utiliser pour effectuer ces mesures n’est pas disponible.

2.4.

Etude de l’existant

La première phase de notre projet d’audit énergétique consiste en l’examen de l’existant. Il s’agit d’un examen minutieux du bâtiment et de ses paramètres de fonctionnement. Plusieurs visites du bâtiment à différents horaires ont été nécessaires pour prendre les mesures, faire des révisions techniques, étudier l’ensemble des points de consommation énergétique du bâtiment principal de l’ENSI et sa qualité thermique afin de réaliser un

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bilan complet de la situation énergétique. La description du bâtiment et des installations électriques, l’inventaire des équipements de tous les points de consommation d’énergie électrique, le calcul des consommations électriques et le bilan énergétique seront présentés dans cette partie du document.

2.4.1. Description du bâtiment principal de l’ENSI Avant de passer à sa description du point de vue technique, nous présentons l’aspect général du bâtiment principal de l’ENSI.

2.4.1.1.

Présentation générale

Situé sur le campus universitaire de Lomé au TOGO, l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs (ENSI) est une école qui forme des ingénieurs en cinq ans et des techniciens supérieurs en trois (3) ans dans trois options : Génie électrique, Génie civil et Génie mécanique. Son bâtiment principal est situé entre la faculté de Droit FDD (côté sud), la faculté des sciences FDS (coté EST), l’Ecole Supérieure d’Agronomie ESA (côté nord) et le Centre Catholique Universitaire CCU (côté OUEST). Construit en 1972, c’est un bâtiment à un étage et est classé comme étant un bâtiment administratif et ERP (Etablissement Recevant du Public). Il accueil au total 12 bureaux, 10 salles de classes, trois (3) amphis, quatre (4) laboratoires (les laboratoires d’électronique, de câblage, d’électrotechnique et de physique générale) et une salle informatique. Il a une forme rectangulaire allongé de part et d’autre (Coté Est et Ouest) de deux ailes qui constituent les Amphi B et C du côté Est et de l’Amphi A et les Foyer 1 et 2 du côté Ouest.

2.4.1.2.

Description du bâti

Le bâtiment principal est à ossature en béton armé. Les parois opaques verticales extérieures sont en bois traité comportant une lame d’air tandis que les parois opaques verticales internes sont en agglos creux de 15 cm et qui reçoivent de part et d’autre un revêtement en enduit de ciment d’épaisseur 2 cm. Les baies sont constituées de vitre de 4 mm et les portes sont en bois massif. Le plancher du RDC et du R+1 sont en dalle pleine

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de 20 cm. Ce plancher reçoit dans les couloirs un faux plafond en plâtre. La hauteur sous plafond est de 3,40 m. Le plan en coupe du bâtiment principal est présenté en annexe 1. Dans ce bâtiment les parois opaques verticales (murs et portes) sont soit en contact avec l’extérieur ou soit avec un passage ouvert ou encore en contact avec un autre local. Les parois du plancher du RDC sont horizontales et en contact avec un autre local (R+1) quant au plancher bas du R+1, les parois sont également horizontales mais en contact avec l’extérieur.

2.4.2. Scénario d’occupation du bâtiment L’enseignement supérieur étant l’activité qu’héberge le bâtiment de l’ENSI, il n’a pas un usage 24h/24 et 7j/7 mais tout de même intensif pendant les heures d’ouverture. Les cours sont programmés tous les jours ouvrables (lundi à vendredi) de 07h00 à 17h30 avec une pause de midi allant de 11h45 à 13h00. Pendant ces heures, le local administratif, les salles de cours et la plupart des bureaux sont occupés. Les laboratoires sont occupés par les étudiants aux heures de travaux pratiques. Ce scénario d’occupation établit en moyenne sur 10 heures conditionne quotidiennement des exigences de confort thermique et visuel. A partir de 17h, le bâtiment est à moitié vide. A 18h30, le bâtiment est généralement inoccupé. Le samedi, quelques cours de rattrapage sont organisés dans les salles du bâtiment principal, ce qui occupe le bâtiment très faiblement. Le dimanche, aucune présence n’est observée. Les périodes d’inoccupation pendant les jours ouvrables vont donc de 18h30 à 6h. Environ 200 personnes au total occupent le bâtiment.

2.4.3. Description de l’installation électrique BT du bâtiment Le bâtiment principal de l’ENSI est desservi par le poste privé N° 327 de l’université de Lomé. Ce poste comporte deux transformateurs de 20 kV/400 V de puissance S=400 kVA. Les caractéristiques de ces transformateurs sont représentées dans le tableau (2.1).

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Tableau 2.1: caractéristiques des transformateurs du poste N° 327 Marques Référence de conformité Puissance nominale Tension nominale Tension de court-circuit Intensité nominale Nature des enroulements Mode de refroidissement Masse totale

UNELEC Conforme à 18270 EDF 400 kVA 20 kV(MT)/400 V(BT) 4% 11,55 A(MT)/577 A(BT) Aluminium ONAN 1420 kg

O : huile minérale (agent de refroidissement intérieur) ; N : naturelle (nature de la circulation de l'agent de refroidissement intérieur) ; A : air (agent de refroidissement extérieur) ; N : naturelle (nature de la circulation de l'agent de refroidissement extérieur).

Chacun des transformateurs dispose de 4 départs. Deux de ces quatre départs alimentent le bâtiment principal et l’atelier génie mécanique de l’ENSI. Le Tableau Général Basse Tension (TGBT) se trouve sous l’escalier au côté Est du bâtiment. Le disjoncteur principal est de type MASTERPACT. Trois autres disjoncteurs sont placés en aval du disjoncteur principal et qui constitue un début de répartition de circuit. Aucune documentation n’étant disponible, il n’est pas possible de décrire cette répartition de circuit. Cependant, notons que les installations BT des bureaux, des salles de cours sont monophasées. Seuls les laboratoires d’appareillages et d’électrotechnique sont alimentés par un réseau triphasé. Il existe un coffret électrique dans chaque laboratoire où sont placés les dispositifs assurant la protection des machines électriques de travaux pratiques. Un coffret est également disponible à l’étage et comporte les éléments de protection des différents circuits de l’étage. Chaque climatiseur installé dans le bâtiment est équipé d’un disjoncteur divisionnaire 1Ph+N de calibre 20 A du constructeur MERLIN GERIN. Les prises triphasées des laboratoires de travaux pratiques sont équipées des boutons à arrêt d’urgence. Bref, l’ensemble du circuit du bâtiment principal est bien protégé.

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Le bâtiment principal de l’ENSI dispose d’une installation électrique efficace du point de vue équilibre du réseau. Les tensions mesurées dans les prises (par un voltmètre) des locaux révèlent que le réseau ne présente aucun problème de chute de tension.

2.4.4. Zonage et fonctions spécifiques des locaux Le zonage du bâtiment nous a permis de subdiviser l’ensemble du bâtiment en tenant compte des spécifications suivantes : puissance installée, activités exercées et les dimensions du local. Nous avons distingué cinq zones :  zone 1 Elle comporte tous les bureaux des enseignants au RDC et à l’étage. Ce sont des bureaux de dimension 2,5*5,5 m.  zone 2 Elle regroupe les bureaux N°12, 13, N°14 (secrétariat et direction) et le bureau N°24 (bureau de reprographie).  zone 3 Cette zone regroupe tous les foyers 1 et 2, les amphis, les salles de cours au RDC et à l’étage.  zone 4 La zone 4 regroupe les laboratoires d’appareillage, d’électronique, de physique général, de câblage et la salle informatique.  zone 5 Cette zone regroupe les couloirs, les escaliers, les halls, l’extérieur du bâtiment et les locaux sanitaires.

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2.4.5. Inventaire des équipements à usage spécifique d’énergie L’amélioration de l’efficacité énergétique d’un bâtiment nécessite la connaissance des différents postes de consommation d’énergie et leur mode d’utilisation. Un recensement de tous les équipements à usage spécifique de l’énergie électrique a été effectué dans les locaux du bâtiment principal de l’ENSI. Les principaux secteurs de consommation d’énergie électrique sont : l’éclairage, la climatisation, informatique.

2.4.5.1.

Inventaire des équipements d’éclairage

L’éclairage est l’un des secteurs principaux de consommation d’énergie électrique. Il permet d’assurer un confort visuel des usagers. Pour évaluer sa consommation, nous avons relevés le nombre et la puissance des lampes dans chaque local dans le bâtiment ainsi qu’à l’extérieur. Le tableau (2.2) présente l’inventaire des équipements d’éclairage réparti par zone et par type de lampe. Les tubes fluorescents sont utilisés dans les bureaux, salles de cours et laboratoires. Les lampes à incandescence sont retrouvées dans les locaux sanitaires. Tableau 2.2 : Inventaires des équipements d’éclairage Types de lampes Puissances (W) Zone 1 zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5

18

36

Lampes à incandescence 60

0 0 0

42 21 108

0 0 0

1 512 756 3 888

0 16

2 304 2 220 10 680

Lampes à fluorescence

0 64 10 30 Puissance totale (W)

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Puissance totale/local (W)

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2.4.5.2.

Inventaire des équipements de climatisation

La climatisation est en général le plus grand secteur de consommation dans les bâtiments tertiaires. Dans le bâtiment principal de l’ENSI, les climatiseurs utilisés pour assurer le confort thermique des occupants sont de type split réversible simple ou double de puissance 1 185 W, 1 275 W, 1 920 W ou de type monobloc de puissance 1 500 W, 2 100 W, 2 500 W. Les unités extérieures des climatiseurs de type split sont fixées au sol ou sur le plancher haut du R+1. Elles sont toutes correctement ventilées, bien que fortement exposées à l’ensoleillement. Les unités intérieures sont situées en applique murale à une hauteur de 2 m à 2,50 m. L’inventaire de ces équipements de conditionnement d’air est présenté dans le tableau (2.3). Tableau 2.3 : Inventaire des équipements de climatisation Types de climatiseurs Puissances (W) Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5

2.4.5.3.

Split 1275

Monobloc 1920

1500

11 0 5 0 1 1 1 2 0 0 Puissance totale (W)

2100

2250

0 0 1 0 0

0 0 1 0 0

0 0 5 7 0

Puissances totales/zone (W) 14 025 6 375 15 045 15 615 0 51 060

Inventaire des équipements informatiques

Le secteur informatique est en pleine évolution. L’expansion de l’informatique a pris une telle ampleur que sa consommation devient un véritable enjeu énergétique dans le secteur tertiaire. De plus la puissance de climatisation installée tend à s’accroître à cause du matériel informatique. Une première étape dans la réduction de la consommation des appareils de bureautique consiste à évaluer l’existant en nombre et en type d’équipement. Les équipements informatiques courant que l’on retrouve dans le bâtiment principal de l’ENSI sont :

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

 les ordinateurs ;  les fax ;  les photocopieurs ;  les imprimantes. Le tableau (2.4) présente l’inventaire de ces appareils par zone. Tableau 2.4 : Inventaire des équipements informatique Matériels Puissance (W) Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5

2.4.5.4.

Ordinateurs 175

Imprimantes Photocopieurs 550

1840

13 10 5 4 0 0 16 2 0 0 Puissance totale (W)

0 3 0 0 0

Puissances totales (W) 7 775 8 595 0 3 900 0 20 270

Inventaire des équipements divers

On trouve dans le bâtiment principal quelques autres équipements également consommateurs d’énergie. Il s’agit des radios, d’une télévision, des réfrigérateurs, des Switch et un point d’accès wifi. La consommation de ces équipements est loin d’être négligeable dans le cadre de ce projet. Le tableau (2.5) présente le bilan de puissance de ces équipements.

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

Tableau 2.5 : Inventaire des équipements divers Equipements

Radio

Puissance (W)

45

Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5

2 0 0 0 0

2.4.5.5.

Réfrigérateurs 340

Microondes

Switch

680

100 0 4 0 1 0

0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 Puissance totale (W)

Poste téléviseur

Fax

20

65

65

0 0 0 1 0

0 1 0 0 0

0 1 0 0 0

Wifi

Puissances totales (W) 90 1 890 0 140 0 2 120

Répartition de la puissance installée par secteur de consommation

L’inventaire des équipements à usage spécifique d’électricité mené lors de nos visites des lieux révèle que le poste de conditionnement d’air (climatisation) compte pour 61% de la puissance totale installée, les équipements informatiques des bureaux représentent 24% et que le confort visuel de tout le bâtiment est assuré par des équipements d’éclairage dont la puissance couvre 13% de la puissance totale installée. Les équipements divers ne correspondent qu’à une partie mineure du bilan effectué : soit 2%. La figure (2.1) présente la répartition des puissances pour différents secteurs de consommation du bâtiment principal. 2% Eclairage

13% 24%

Climatisation Equipements informatiques 61%

Divers

Figure 2.1 : Répartition de puissance

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41

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

Notre étude ne tiendra pas compte des équipements et appareillages de laboratoires (alimentations courant continu, les GBF, les oscilloscopes, les moteurs, les transformateurs de TP, les bancs d’essais, les contacteurs etc.). En effet, ces équipements existent en grand nombre et sont de puissances diversifiés. Certains sont sollicités lors des travaux pratiques en atelier, ceci en fonction du travail pratique à réaliser. La fréquence d’utilisation est fonction des besoins. Il n’est donc pas évident de dresser un bilan de puissance installée et donc d’évaluer la consommation théorique de ces équipements. Par ailleurs, aucune source d’économie d’énergie n’est envisageable dans ce secteur de consommation.

2.4.6. Bilan énergétique : calcul de la consommation théorique Après l’inventaire des équipements de consommation d’énergie électriques de l’ENSI, nous allons évaluer théoriquement la consommation moyenne annuelle d’énergie électrique. La consommation théorique attendue est obtenue par calcul, sur la base des horaires d’utilisation et des caractéristiques techniques des équipements telles qu’elles ont pu être relevés lors de nos visites des lieux. La méthode de calcul utilisée est présentée dans la partie suivante.

2.4.6.1.

Principe de calcul [10]

Le calcul du coût de la consommation d’énergie électrique dépend du prix du kWh fixé par le distributeur d’énergie électrique, CEET. D’après les factures (d’aout à Décembre 2011 des compteurs des cinq postes privé de l’Université de Lomé), consultées au DGDU, le prix du kWh fixé par le contrat entre la CEET et l’Université de Lomé est de 90 FCFA. L’énergie active (𝐸𝐴é𝑞 en kWh) et l’énergie réactive ( 𝐸𝑅é𝑞 en kVARh) consommées pendant une année par un équipement de puissance P (kW) seront respectivement déterminées par les formules (2.1) et (2.2) : 𝑬𝑨é𝒒 = 𝑷 × 𝑵𝑱 (𝑵𝒉 ) Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

(2.1)

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

𝑬𝑹é𝒒 = 𝑬𝑨é𝒒 × 𝒕𝒂𝒏(𝒄𝒐𝒔−𝟏 𝛒)

(2.2)

où : 𝑁𝐽 est le nombre de jours de fonctionnement dans l’année ; 𝑁ℎ est le nombre d’heures de fonctionnement par jour ; 𝑐𝑜𝑠 𝜌 est le facteur de puissance de l’équipement.

Le coût annuel ( 𝐶𝐴𝑒𝑞 en FCFA) dû à la consommation d’énergie active par cet équipement sera calculé à l’aide de la formule (2.3) : 𝑪𝑨𝒆𝒒 = 𝑷 × 𝑵𝑱 × (𝑵𝒉 . 𝒑𝒖𝒌𝑾𝒉 )

(2.3)

où 𝑝𝑢𝑘𝑊ℎ est le prix unitaire du kWh ; Le coût annuel des pénalités dues à la consommation d’énergie réactive (𝐶𝐴𝑃𝑐𝑜𝑠𝜌 ) de tous les équipements est donné par les formules (2.4) et (2.5) : 𝑲 = 𝑬𝑹 − 𝟎, 𝟒𝟑(𝑬𝑨 )

(2.4)

où 𝑬𝑨 = ∑𝒏𝟏 𝑬𝑨.é𝒒𝒏 et 𝑬𝑹 = ∑𝒏𝟏 𝑬𝑹.é𝒒𝒏

{

𝑺𝒊 𝑲 > 0, 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑪𝑨𝑷𝒄𝒐𝒔𝝆 = 𝟓𝟓 × 𝑲 𝑺𝒊 𝑲 < 0, 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑪𝑨𝑷𝒄𝒐𝒔𝝆 = 𝟎

2.4.6.2.

(2.5)

Application numérique

Le calcul de la consommation théorique du bâtiment principal de l’ENSI, est effectué par secteur de consommation en se basant sur les hypothèses d’heure d’utilisation des équipements consommateurs d’énergie.

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2.4.6.2.1. Hypothèses d’heures d’utilisation Les conditions d’utilisation des équipements de consommation d’énergie varient d’un local à un autre en fonction des occupants et des besoins. Notre étude devra donc trouver un juste milieu entre ces conditions variées d’utilisation afin de déterminer une moyenne d’heure d’utilisation de tous les équipements électriques du bâtiment. Pour ce faire, il a été nécessaire de poser des hypothèses sur les durées d’utilisation. Ces hypothèses tirent leurs fondements dans la répartition de l’année universitaire, le programme des cours et des horaires de travail du personnel. Le tableau (2.6) présente le résumé de ces hypothèses. Tableau 2.6 : Hypothèses des durées d’utilisation des équipements

Zone ou local Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Couloirs Extérieur et hall Locaux sanitaires

Eclairage et climatisation Informatique Eclairage, climatisation et informatique Eclairage et climatisation Eclairage et climatisation Informatique Eclairage Eclairage

23 22

Nombre de semaine d’utilisation par année universitaire 30 30

50

34

50 25 25 38 84

28 28 28 28 52

Eclairage

1

30

Equipements

Nombre d’heure d’utilisation/semaine

Partant de ces hypothèses, nous évaluons dans la partie suivante, les consommations théoriques des différents postes de consommation.

2.4.6.2.2. Consommation théorique de l’éclairage La durée de fonctionnement des lampes dépend du local dans lequel elles sont installées. Les hypothèses précédentes nous permettent de faire une estimation de la durée moyenne d’utilisation des équipements. Ainsi, nous avons fait une sommation de la puissance des

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lampes en fonction des locaux où elles sont installées. Dans les calculs de consommation, la puissance des lampes fluorescentes est majorée de 25% de la puissance nominale de la lampe à cause de la consommation des accessoires (ballast électromagnétique, stater…). Les détails du calcul du coût de la consommation théorique annuelle due à l’éclairage dans le bâtiment sont consignés dans le tableau (2.7). Tableau 2.7 : Consommation théorique annuelle due à l’éclairage

Local

Bureaux Laboratoires Locaux administratifs Couloirs Extérieur et Escalier Locaux sanitaires Salles de cours

Puissance totale d’éclairage installée (W) 1512 2736

Nombre Nombre de d’heure de Consommation semaine fonctionnement (kWh/an) par an par semaine 23 30 1 304,1 25 28 2 394

Coût de la consommation par an (FCFA) 117 369 215 460

324

50

34

688,5

619 65

180

38

28

239,4

215 46

1080

84

52

5 896,8

530 712

960

1

30

28,8

2 592

1600 TOTAL

50

28

2 800 13 351

252 000 1 201 644

2.4.6.2.3. Consommation théorique de la climatisation La consommation théorique annuelle due à la climatisation dans le bâtiment principal de l’ENSI est présentée dans le tableau (2.8). Les horaires d’utilisation correspondent aux heures d’occupation des locaux.

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Tableau 2.8 : Consommation théorique annuelle due à la climatisation

Local Bureaux Laboratoires Locaux administratif Salles de cours

Puissance totale installée (W) 14 025 15 615

Nombre d’heure de fonctionnement par semaine 23 25

6 375 15 045

Nombre de semaine par an

Consommation (kWh/an)

Coût de la consommation par an (FCFA)

30 28

9 677,25 10 930,5

870 952,5 983 745

50

34

10 837,5

975 375

50

28

21 063 52 508

1 895 670 4 725 742

TOTAL

2.4.6.2.4. Consommation théorique des équipements informatiques Les sondages effectués révèlent que les équipements informatiques (ordinateurs et imprimantes et photocopieuses) du secrétariat sont allumés toute la durée de travail (soit 50h/semaine) à raison de 10h/jour. Pendant cette durée, les imprimantes ne sont sollicitées que 2% des heures de marche (soit 1h/semaine) et les photocopieuses 5%. Dans les bureaux, les ordinateurs font l’objet d’un usage pendant une durée qui peut être estimée à 95% des heures d’occupation du bureau soit 22h/semaine. Les imprimantes dans ces locaux sont très peu sollicitées, seulement en cas de besoins, à raison de 0,5% des horaires d’utilisation de l’ordinateur soit en moyenne 7 min/semaine. La salle informatique est occupée lors des séances de travaux pratiques d’informatique (ces séances sont évaluées à 24 h/semaine). En partant des horaires d’utilisations prédéfinies, les détails du calcul de la consommation annuelle due aux équipements informatiques sont consignés dans le tableau (2.9).

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Tableau 2.9 : Consommation théorique annuelle des équipements informatiques

Puissance totale installée (W) Local

Bureaux Locaux administratif Salle informatique

Nombre d’heure de fonctionnement /semaine

Ordinateurs

Imprimantes

Photocopieuse

Ordinateurs

2 975

0

0

875

2 200

2 100

0

Imprimantes

Consommation

semaine/an

(kWh/an)

Coût de la consommation/an (FCFA)

Marche

Attente

Marche

Attente

22

0,11

0

0

0

30

1 987,095

123 199,89

5 520

50

1

49

2,5

47,5

34

2 309,62

143 196,44

0

24

0

0

0

0

28

1 411,2

87 494,4

5 707,9

353 890,7

TOTAL

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

Photocopieuse

Nombre de

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2.4.6.2.5. Consommation théorique des équipements divers Les équipements tels que les Switch, point d’accès wifi et fax fonctionnent 24h/24 pendant toute l’année. Le micro-onde est utilisé occasionnellement et le réfrigérateur est branché 24h/24. Le tableau (2.10) présente la consommation annuelle due aux équipements divers. Tableau 2.10: Consommation théorique annuelle due aux équipements divers

Local Réfrigérateurs Switch Micro-onde Téléviseur Radio Fax Point d’accès wifi

Puissance totale installée (W) 5 000 500 1 200 65 90 65

Nombre d’heure de fonctionnement /semaine 24 24 0,16 1,67 10 24

30

24

Nombre de semaine/an

Coût de la Consommation consommation/an (kWh/an) (FCFA)

34 52 34 30 30 52

4080 624 6,528 3,2565 27 81,12

367 200 56 160 587,52 3,2565 27 81,12

52

37,44

37,44

4 859,3

424 096,3

TOTAL

2.4.7. Bilan de la consommation d’énergie réactive et calcul de pénalité Dans une installation électrique en courant alternatif, les récepteurs (transformateurs, moteur, électronique de puissance, etc..) dont l'intensité est déphasée par rapport à la tension, absorbent une énergie totale que l'on appelle énergie apparente. Cette énergie, qui s'exprime généralement en kilovolt ampèreheure (kVAh), correspond à la puissance apparente (en kVA) et se décompose en deux forme d’énergie : l’énergie active et l’énergie réactive. L’énergie réactive sert en particulier à créer dans les bobinages des moteurs, transformateurs, le champ magnétique sans lequel le fonctionnement serait impossible. A cette énergie correspond la puissance réactive. Contrairement à l’énergie active, cette énergie est improductive pour l'utilisateur. Du fait d’un courant appelé plus important, la

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circulation de cette énergie réactive sur le réseau de distribution entraîne des surcharges au niveau des transformateurs, l’échauffement des câbles d’alimentation, des pertes supplémentaires, des chutes de tension importantes. Facteur aggravant, elle est de plus facturée par les fournisseurs d’énergie sous la forme de pénalités au delà d’un certain seuil. Le déphasage du courant par rapport à la tension fait apparaitre deux composantes: active et réactive.

2.4.7.1. Composantes active et réactive du courant [11] Le courant actif (𝐼𝑎 ) est en phase avec la tension de la source. Le courant réactif (𝐼𝑟 ) est déphasé de 90° par rapport au courant actif, soit en retard (récepteur inductif), soit en avance (récepteur capacitif). Le courant apparent (𝐼𝑡 ) est le courant résultant qui parcourt la ligne depuis la source jusqu’aux récepteurs. Si les courants sont parfaitement sinusoïdaux, on peut utiliser la représentation de Fresnel. Ces courants se composent alors vectoriellement comme représenté à la figure (2.2).

Figure 2.2 : Composition vectorielle des courants

De ce diagramme on établit le diagramme de puissances représenté à la figure (2.3).

Figure 2.3 : Diagramme de puissances

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On remarque un déphasage entre la puissance apparente consommée et la puissance active : d’où la notion de facteur de puissance.

2.4.7.2. Facteur de puissance Par définition, le facteur de puissance (cos 𝜑) d’un appareil électrique est égal au rapport de sa puissance active P par sa puissance apparente S. Cette définition est traduite par la relation (2.7) :

𝐜𝐨𝐬 𝝋 =

𝑷

(2.7)

𝑺

Pour une installation électrique, ce facteur mesure le taux de puissance réactive consommée par les équipements installés. Il est important de relever son facteur de puissance pour éviter les pénalités dues à la consommation d’énergie réactive. Dans notre projet, nous avions évalué la consommation d’énergie réactive annuelle afin d’en déduire les pénalités.

2.4.7.3. Pénalité due à la consommation d’énergie réactive dans le bâtiment Le système d’éclairage se compose principalement des lampes fluorescentes à ballast électromagnétique dont le facteur de puissance est cos 𝜑 = 0,95. Les équipements de conditionnement d’air rencontrés dans le bâtiment sont dans l’ensemble moins consommateur d’énergie réactive ( cos 𝜑 = 0,9 ) [2]. Les équipements informatiques (ordinateurs, imprimantes, photocopieuses) et les équipements divers ont un cos 𝜑 = 1. L’énergie réactive 𝐸𝑟 consommée dans chaque secteur est donnée par la relation (2.8) : 𝑬𝒓 = 𝑬𝒂 × 𝐭𝐚𝐧(𝐜𝐨𝐬 −𝟏 𝝋)

(2.8)

En utilisant les relations (2.4) et (2.5), nous calculons la pénalité due à la consommation globale d’énergie réactive. Les résultats de ces calculs sont consignés dans le tableau (2.1).

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Tableau 2.11 : Calcul de pénalité Secteur de consommation Eclairage Climatisation Equipements informatiques Equipement divers TOTAL

Energie active consommée (kWh/an) 13 351,6 52 508,25

0,95 0,9

Energie réactive consommée (kVAR/an) 4 388,45 25 430,90

5 707,91

1

0

0

4 859,345 76 427,11

1

0 29 819,36

0 0

Cos φ

Pénalités (FCFA) 0 0

Il ressort de ce tableau que les consommations en énergie réactive des équipements d’éclairage, de climatisation, d’informatique et des équipements divers du bâtiment principal de l’ENSI n’engendrent pas de pénalité. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de réaliser des travaux de compensation d’énergie réactive.

2.4.8. Répartition de la consommation énergétique Chaque année, les activités qu’héberge le bâtiment principal de l’ENSI engendrent une consommation moyenne globale de 76 427 kWh. La climatisation est le plus grand secteur de consommation du bâtiment principal de l’ENSI. Sa consommation annuelle est de l’ordre de 52 508,25 kWh soit 69% de la consommation globale. Le confort visuel engendre une consommation de l’ordre de 13 351,6 kWh/an soit 18%. L’utilisation des équipements informatiques représente 7%

de la consommation globale (5 707,9

kWh/an). La consommation des équipements divers est loin d’être négligeable, elle intervient à 6% (soit 4 778 kWh/an). La représentation de la figure (2.4) montre le pourcentage des consommations des différents secteurs du bâtiment.

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7%

6%

18% Eclairage Climatisation Informatique Divers

69%

Figure 2.4 : répartition de la consommation énergétique du bâtiment

2.4.9. Le dépassement de la puissance souscrite Lors de la souscription, le consommateur propose une puissance moyenne qu'il estime ne pas pouvoir dépasser pendant le fonctionnement normal de ses installations électriques. Plus cette puissance est élevée, plus la prime fixe d'abonnement est forte. La tendance naturelle des usagers est de souscrire pour une puissance la plus faible possible. Il s'ensuit un dépassement fréquent de la puissance pour des installations électriques non dimensionnées en conséquence. Les sociétés d'électricité sanctionnent les consommateurs en fonction de la fréquence de dépassement de la puissance de souscription enregistrée. L’un des objectifs d’un projet d’audit énergétique est de réduire le coût de consommation d’énergie électrique, il convient donc de trouver un compromis entre la fréquence de dépassement de puissance et les frais de prime fixe. La puissance de souscription initiale est choisie en faisant une moyenne des puissances installées en tenant compte d'un facteur approximatif de simultanéité. On détermine ensuite la puissance optimale. Cet aspect de l’audit énergétique ne sera pas abordé dans notre document compte tenu du fait que le bâtiment principal de l’ENSI comme tous les autres bâtiments des écoles et facultés de l’Université de Lomé, n’a pas sa propre souscription d’électricité.

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2.4.10.

Consommation de référence

Il n'est pas souhaitable de baser un diagnostic sur la consommation théorique ni sur la consommation réelle. La consommation théorique étant celle qui résulte des calculs, et la réelle des relevés ou factures. La consommation théorique implique, pour son calcul, trop d'hypothèses sur la réalité pour qu'elle soit totalement sûre. La consommation réelle n'est pas non plus sans défaut tout simplement parce que les factures d’énergie électrique peuvent être source d’erreur. De ce fait, la méthode conseillée consiste à confronter, dans toute la mesure du possible, les consommations calculées à priori (après relevé) et les consommations indiquées par l'usager ou le gestionnaire. Cependant, en raison de l’indisponibilité des factures d’énergie, nous adopterons la consommation théorique comme consommation de référence pour le diagnostic de performance. Avant d’établir ce diagnostic pour le bâtiment principal de l’ENSI, nous présentons les bases de conversion d’énergie finale en énergie primaire.

2.4.11.

Unités de l’énergie [13]

Dans le Système International (SI), l’unité retenue pour l’énergie est le JOULE (J). On l’exprime aussi en quantité de chaleur, avec l’unité de la calorie (cal) ou de ses multiples. Comme unité d’énergie on utilise aussi la thermie (th). L’équivalence est donnée par la relation (2.9). 𝟏𝒕𝒉 = 𝟏𝟎𝟔 𝒄𝒂𝒍

(2.9)

Les unités de travail et de chaleur sont liées par la relation (2.10). 𝟏 𝒄𝒂𝒍 = 𝟒, 𝟏𝟖𝟔 𝑱

(2.10)

L’énergie électrique est exprimée en kilowattheure (kWh) par la relation (2.11). 𝟏 𝒌𝑾𝒉 = 𝟑𝟔𝟎𝟎 𝒌𝑱 = 𝟖𝟔𝟎 𝒌𝒄𝒂𝒍

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(2.11)

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Les quantités d’énergie peuvent s’exprimer en référence à un combustible standard d’un pouvoir calorifique donné. L’unité de compte la plus courante est la Tonne Equivalent Pétrole (TEP) qui est définie par les relations (2.12) et (2.13) : 1 tep = 107 kcal = 41, 8 GJ

(2.12)

1 GWh = 86 tep

(2.13)

On peut également exprimer l’énergie en énergie primaire (kWhep). L’énergie finale (exprimée en kWh) est celle qui est disponible pour usage (gaz, électricité, fioul domestique, bois, etc.). Pour disposer de ces énergies, il aura fallu les extraire, les distribuer, les stocker, les produire, et donc dépenser plus d’énergie que celle utilisée. L’énergie primaire est le total de toutes ces énergies consommées. Pour la conversion d’énergie finale en énergie primaire, on a :  pour l’électricité : 1 kWh = 2,58 kWhep ;  pour le gaz : 1 kWh = 1 kWhep. En récapitulatif, Les unités de l’énergie les plus courantes sont donc le Joule, la calorie, le kWh, la TEP. La TEP et le kWh sont les plus utilisés en raison de l’universalité de l’utilisation du pétrole et de l’électricité qui impose de fait leurs unités à tous. Pour les conversions, nous utilisons le tableau (2.12) : Tableau 2.12 : Table de conversion [13] Unités de base

en kWh

en kWhep

en tep

Kilocalorie (kcal)

0,001163

0,00045

0,258. 10-6

Thermie (th)

1,163

0,451244

0,258. 10-3

Kilowattheure

1

2,58

0,22. 10-3

A partir du tableau (1.12), nous établissons les consommations annuelles en énergie primaire rapportées à l’unité de surface et les niveaux d’émission de GES par secteur de

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consommation. Les émissions de gaz à effet de serre considérées se réduisent à celles de dioxyde de carbone (CO2) relatives aux consommations d’énergie. Pour l’évaluation des émissions en CO2, si le kWh est d’origine thermique, son contenu en CO2 est pris égal à 1,009 kgCO2/kWh [d’après RETScreen]. Si le kWh est d’origine hydraulique ou nucléaire, ce contenu sera nul.

2.4.12.

Diagnostic de performance énergétique

Le diagnostic de performance énergétique (DPE) renseigne sur la quantité annuelle d'énergie rapportée à l’unité de surface (kWhep/m2.an), consommée par un bâtiment et évalue sa performance énergétique, ainsi que l'impact de sa consommation en termes d'émissions de gaz à effet de serre (kgCO2/m2.an). Les secteurs de consommations ciblés par le diagnostic sont : l’éclairage et la climatisation. Le DPE du bâtiment principal de l’ENSI est présenté dans le tableau (2.13). La surface utile représente la surface intérieure occupée du bâtiment. Tableau 2.13 : Diagnostic de performance de l’existant

Energie (kWh/an)

Surface utile (m²)

Energie consommée (kWhep/m².an)

Emission de GES (kgCO2/m2.an)

65859,85

801

213

83

Il ressort de ce tableau que le bâtiment principal de l’ENSI se trouve dans la classe énergétique D et dans la classe E des émissions de GES comme présenté à la figure (2.5).

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55

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

213 kWhep/m2.an

83 kgCO2/m2.an

(b)

(a)

Figure 2.5 : Etiquettes énergétique (a) et d’émission de GES (b) du bâtiment principal de l’ENSI

2.4.11.1.

Comparaison aux prescriptions de la RT 2012

La réglementation thermique RT 2012 (La Loi n° 2010-788 du 12 juillet 2010, Grenelle 2), impose aujourd’hui un label BBC (Bâtiment Basse Consommation) pour tous les bâtiments en construction à partir de novembre 2011. Ce label fixe le seuil de consommation à 50 kWhep/m²/an pour les nouveaux bâtiments. Cette même réglementation rend obligatoire, pour tous les bâtiments existants à usage tertiaire ou dans lesquels s’exerce une activité de service public, la réalisation des travaux d’amélioration de performance énergétique au plus tard le 31 décembre 2019. Le seuil de consommation fixé pour les bâtiments existants est de 150 kWhep/m²/an. Par comparaison aux spécifications de la RT 2012, le bâtiment principal de l’ENSI qui consomme 213 kWhep/m²/an est classé parmi les bâtiments énergivores.

2.5.

Conclusion

Après la série de visite nous avons effectué des calculs. Ceux-ci consistent à déterminer la consommation énergétique actuelle de tous les appareils, en se basant sur les données recueillies lors de nos enquêtes faites auprès des utilisateurs. La consommation annuelle théorique du bâtiment ainsi établie nous a permis d’effectuer le diagnostic de performance énergétique à l’issue de laquelle le bâtiment principal de l’ENSI avec une

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56

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Chapitre 2 : Présentation du projet d’audit énergétique et étude de l’existant

consommation de 213 kWhep/m²/an, a été classé dans la classe énergétique D et dans la classe E des émissions de GES. L’étude de l’existant a donc montré la nécessité d’amélioration de performance énergétique. Ces améliorations feront l’objet du chapitre suivant.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Chapitre 3: Analyses des données et propositions de solutions d’amélioration

Chapitre 3 :

ANALYSES DES DONNEES ET PROPOSITIONS DE SOLUTIONS D’AMELIORATION

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58

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.1.

Introduction

A partir de l’étude de l’existant établi précédemment, nous consacrons cette partie à une analyse critique approfondie portant sur l’efficacité énergétique des installations d’éclairage, de climatisation et des équipements informatiques ; les conditions d’utilisation et l’état du bâtiment. L’analyse se basera sur des normes, des recommandations et de quelques indices de performance énergétique. A la suite de chaque analyse se fera une série de proposition de solution suivie d’une évaluation de gain d’énergie réalisable, de réductions de GES et d’une étude économique.

3.2.

Analyse du système d’éclairage

La consommation moyenne annuelle totale d’éclairage dans le bâtiment est égale à 13351 kWh/an pour une puissance totale installée de 10,68 kW. Les niveaux de consommation des différents locaux sont présentés sur l’histogramme de la figure (3.1).

Concommation annuelle en Kwh/an

7000 6000

Bureaux

5000

Laboratoires

4000

Locaux administratifs

3000

Couloirs Extérieur et Escalier

2000

Locaux sanitaires 1000 Salles de cours 0

Figure 3.1 : Consommation due à l’éclairage des différents locaux

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

59

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

L’essentiel de la consommation est à attribuer à l’éclairage de l’extérieur du bâtiment et des escaliers. Pour seulement une puissance installée de 1080 W, on note une consommation moyenne annuelle de l’ordre de 5 896,8 kWh soit 44% de la consommation globale. Une raison valable de ce chiffre est l’utilisation intensive de l’éclairage extérieur et des escaliers (de 18h à 6h pendant 365j de l’année). L’éclairage des salles de cours occupe la deuxième position en termes de consommation d’énergie (pour une puissance totale installée de 1 600 W, la consommation annuelle s’élève à 2 800 kWh soit 21%), devant l’éclairage des laboratoires (consommation moyenne de 2 394 kWh/an soit 18%), l’éclairage des bureaux (consommation moyenne de 1 304,1 kWh/an soit 10%), l’éclairage des locaux administratifs (consommation moyenne de 688,5 kWh/an soit 5%) ou l’éclairage des couloirs (consommation moyenne de 239,4 kWh/an soit 2%). La consommation annuelle des locaux sanitaires est relativement négligeable (28,8 kWh/an). L’analyse du système d’éclairage du bâtiment principal de l’ENSI qui nous permettra d’identifier

les gisements d’économie

d’énergie

portera

sur divers aspects :

caractéristiques des lampes et ballasts utilisés, installation des luminaires et la puissance installée dans chaque local.

3.2.1. Caractéristiques des lampes utilisées Les principales caractéristiques des lampes utilisées dans le bâtiment principal de l’ENSI sont présentées dans le tableau (3.1). Tableau 3.1 : Caractéristiques des lampes existantes Type Puissance (W) Température de couleur (K) IRC Flux lumineux (lm) Efficacité lumineuse (lux) Longueur (m) Diamètre (mm)

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Tube fluorescente Tube fluorescente Incandescence T8-36W T8-18W standard 36 6500 85 1850 51 1,2 26

18 6500 85 820 45 0,6 26

60

60 2500 60 710 42 -

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.1.1.

Température de couleur

La lumière émise par une lampe est chaude ou froide en fonction de la température de couleur exprimée en Kelvin. Plus les degrés Kelvin sont faibles, plus la lumière diffusée est chaude (rougeâtre) et plus les degrés Kelvin sont élevés, plus la lumière est froide (bleuâtre). Le choix du type de lampe à utiliser repose sur une question esthétique et psychologique. Le niveau d'éclairage, les couleurs de l'espace, le climat et l'application ont un effet sur le résultat final. Généralement, les blancs « plus froids » sont plus appréciés et sont utilisés dans les espaces industriels ou au sein de climats plus chauds, alors que les blancs « plus chauds » sont habituellement utilisés dans les bureaux et dans les magasins ou au sein de climats plus froids. Le tableau (3.2) présente le classement des lampes rencontrées dans le bâtiment principal de l’ENSI en fonction des températures de leur couleur. Tableau 3.2 : Classement des lampes du bâtiment en fonction de la température de leur couleur Types de lampes dans le

Température (°K)

Teintes

Lampes fluorescentes

6500

Froides

Lampes à incandescence

2500

Chaudes

bâtiment

3.2.1.2.

Type de lampes : sources de lumière

L’efficacité lumineuse, un paramètre déterminant de l’efficacité énergétique des installations d’éclairage, est fonction de la source de lumière. La figure (3.2) présente la classification générale des sources de lumière.

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61

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Source de lumière

Composants électroniques

Lampes

Incandescente

Standard

Halogène

Diodes électroluminescente LED

A décharge

Fluorescente

Tube

Compacte

Mercure

Sodium

Haute pression

Iodures métalliques

Basse pression

Figure 3.2 : Classification générale des sources de lumière

Les lampes à incandescence standard, sont retrouvées dans les locaux sanitaires du bâtiment. Ce sont généralement des lampes de faible efficacité énergétique (11 à 19 lm/W) [Annexe 7]. L’éclairage fluorescent fait partie intégrante de l’installation d’éclairage du bâtiment. Les tubes fluorescents sont retrouvés dans tous les locaux hors locaux sanitaires. Le principe de l’éclairage fluorescent est celui de la décharge dans une vapeur de mercure traversée par un courant électrique, décharge produisant un rayonnement peu visible principalement situé dans l’ultraviolet. Une poudre luminescente située sur l’enveloppe transforme ce rayonnement UV en lumière visible. Leur efficacité lumineuse est très supérieure à celles des lampes à incandescence et une durée de vie de l’ordre de 10 000 heures de fonctionnement. Pour fonctionner, les tubes fluorescents nécessitent un appareillage complémentaire (starter, ballast) contenu dans le luminaire.

3.2.2. Types de ballast utilisé Les ballasts sont des dispositifs indispensables au fonctionnement d'une lampe à fluorescence ou d'une lampe à décharge. La fonction du ballast est d’initier la décharge

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62

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

dans un tube fluorescent puis de la stabiliser en limitant le courant qui traverse la lampe. Ils existent en deux types :  ballast électronique (la lampe fonctionne entre 20 et 50 kHz) ;  ballast électromagnétique (la lampe fonctionne entre 50 et 60 Hz). Les ballasts en service dans le système d’éclairage du bâtiment principal de l’ENSI sont de type électromagnétique. Ces ballasts sont à l’origine d’une surconsommation de l’ordre de 25% de la consommation nominale de la lampe. Il apparait donc la nécessité de les remplacer par des ballasts électroniques qui consomment moins d’énergie.

3.2.3. Disposition des luminaires Dans la pratique, pour que des luminaires plafonniers émettent dans le demi-espace inférieur d'un local, le rapport entre l’espacement de deux luminaires et la hauteur utile doit être compris entre 1 et 2 (figure 3.3).

Figure 3.3 : Limite supérieure du rapport entre l’espacement et la hauteur

Les visites des lieux révèlent que les dispositions des luminaires dans les locaux du bâtiment principal de l’ENSI sont en général bien réalisées.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.4. Dimensionnement : calcul de l’éclairement et de la puissance installée Partant d’un local à éclairer dont on connait les caractéristiques (dimensions, la couleur des murs) et la nature des tâches qui y seront accomplies (par conséquent le niveau d’éclairement à maintenir), le dimensionnement consistera à trouver le nombre et les caractéristiques des luminaires pour réaliser un éclairage satisfaisant et réglementaire. En d’autres termes, ce dimensionnement consiste à trouver la puissance d’éclairage à installer dans chaque local. Pour le cas du bâtiment principal où l’installation existe déjà, cette démarche vise à estimer l’éclairement artificiel et la puissance installée dans chaque local en partant des dimensions du local, du nombre et des caractéristique des luminaires installés.

3.2.4.1.

Caractéristiques du local

La conception d’un système d’éclairage fait intervenir certaines notions capitales qu’il faut définir au préalable :  la zone du travail, c’est-à-dire la partie du lieu de travail dans laquelle la tâche visuelle est exécutée ;  le plan utile a été défini comme étant la surface du local de laquelle on soustrait une bande de 50 cm le long des murs sans porte et une bande de 70 cm le long des murs avec porte. Il est estimé à 80 cm du sol ;  le plan de travail est la partie du plan utile se limitant au poste de travail (généralement, le plan horizontal limité par les extrémités du mobilier) ;  le plan de travail effectif est la surface du poste de travail où la tâche visuelle principale est exécutée. Il inclut le clavier de l’ordinateur. Il est souvent identifié comme identique à la zone de travail. C’est sur cette surface que l’éclairement est imposé. Dans le dimensionnement, nous ne considérons pas les dimensions réelles des locaux mais celles de leur plan utile de longueur « a » et de largeur « b ». On ne considérera donc pas la hauteur totale du local mais : la hauteur des luminaires au-dessus du plan utile (h) et la hauteur de suspension des luminaires sous le plafond (h’).

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Pour caractériser les dimensions (ou plus exactement les rapports de dimensions) des locaux, on utilise l’indice du local (K) et le rapport de suspension (J). Ils seront calculés par les formules (3.1) et (3.2) :

𝑲= 𝑱=

𝒂×𝒃

(3.1)

𝒉(𝒂+𝒃) 𝒉′

(3.2)

(𝒉+𝒉′ )

3.2.4.2.

Le calcul du flux total

Le flux total ∅ (lm) nécessaire pour éclairer la totalité du plan utile (de dimension 𝑎 × 𝑏) d’une pièce pour maintenir un niveau d’éclairement E (lm/m2), sera calculé par la relation (3.3) :

∅=

𝑬×𝒂×𝒃×𝜹

(3.3)

𝑼×𝜼

où : 𝜂 est le rendement du luminaire. Il sera pris égale à 0,7 (valeur minimum recommandée dans les bureaux) ; 𝛿, est le facteur de dépréciation des lampes et luminaire. Il sera pris égal) 1,25 dans nos calculs (empoussièrement faible) ; 𝑈, est l’utilance : sa valeur est déterminée dans le tableau d’utilance à partir des valeurs de l’indice du local K, du rapport de suspension J et du coefficient de réflexion des parois [Annexe 5].

3.2.4.3.

Le nombre de luminaire

Connaissant le flux total ∅ (lm), le nombre de lampe qu’on veut installer par luminaire (𝒏) et le flux lumineux d’une lampe (𝑓 en Lumen : lm), le nombre total de luminaire est donné par la formule (3.4) :

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

𝑵=

∅

(3.4)

(𝒏×𝒇)

Dans notre cas, il s’agit d’un bâtiment existant. En dépit des moyens matériels pour mesurer l’éclairement dans les différents locaux, nous allons baser notre étude sur calcul en prenant en compte les descriptions techniques des lampes installées présentées plus haut. Notre démarche serait d’évaluer l’efficacité du système d’éclairage par calcul de la puissance d’éclairage spécifique et le niveau d’éclairement maintenu en partant des dimensions du local, du nombre et de l’efficacité lumineuse des lampes. La puissance d’éclairage est le rapport de la puissance totale installée dans un local par la surface utile du local (exprimé en W/m2). Les résultats issus de ces calculs seront confrontés aux règles et normes en vigueur.

3.2.4.4.

Normes d’éclairage

Les prescriptions pour les installations d’éclairage des lieux de travail intérieurs (NFEN 12464- 1 et ISO 8995/CIE 8008) et des lieux de travail extérieurs (projets de normes EN 12464-2 et CIE DS 015.2) répondent aux besoins de performance et de confort visuel. Ces normes spécifient la qualité d’éclairage nécessaire pour que les tâches visuelles soient assurées avec précision sur les lieux de travail. Le tableau (3.3) présente les valeurs de l’éclairement moyen, de l’Indice de Rendu de Couleur (IRC) et de contrôle de l’éblouissement (UGR) à maintenir dans les lieux de travail, fixées par la norme EN 12 464-1. Il présente également la Réglementation Thermique (RT) de 2005 sur la puissance d’éclairage spécifique à adopter dans les lieux de travail pour atteindre une bonne efficacité énergétique.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.3 : Normes pour l’éclairage des lieux de travail [1]

Activités ou zones Poste de travail Laboratoire ou salle de dessin industriel Réception, hall entrée Locaux archives Salle de réunion Locaux d’enseignement Escalier Circulation Stockage (occup. temporaire) Stockage (occup. permanente) Commerce : zone de vente Commerce : zone de caisse

Normes EN 12 464-1 Eclairage moyen IRC UGR à maintenir (lux) 500 80 19 750

80

16

300 200 500 500 150 100 100 200 300 500

80 80 80 80 40 40 60 60 80 80

22 25 19 19 25 28 22 22 22 19

RT 2005 Puissance d’éclairage de référence (Peclref)

12 W/m2

10 W/m2 3 W/m2/100lux 12 W/m2

La norme recommande de ne pas utiliser les lampes dont l’IRC (l’indice de rendu des couleurs) est inférieur à 80 dans les lieux de travail. L’éblouissement d’inconfort est la sensation produite par des surfaces brillantes dans le champ visuel. Son évaluation utilise le facteur d’éblouissement unifié UGR (Unified Glaring Rate). Celui-ci donne une idée de l’éblouissement d’inconfort lié à la luminance des luminaires dans le champ visuel de l’observateur par rapport à la luminance de fond, l’éblouissement provoqué par l’association de plusieurs luminaires

dans un

environnement considéré. Dans les bureaux, l’UGR varie de 16 à 25 selon les zones.

3.2.4.5.

Application numérique

Les détails des calculs de l’éclairement ainsi que la puissance d’éclairage spécifique installée dans les différents locaux sont consignés dans les tableaux (3.4). Les salles de cours étant de dimension variée, nous les avons regroupés en 4 types :  type B1, salle de cours de dimension 5,5*5 m (salles 5 et 6) ;  type B2, salle de cours de dimension 7,5*5,5 m (salles 2 et 20) ;  type B3, salle de cours de dimension 7*3,75 m (salles 11 et 9) ;  type B4, salle de cours de dimension 7,5*7 m (salle 7). Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.4 : Evaluation de l’éclairement et de la puissance d’éclairage Local

Salle de cours Bureaux

Paramètres Longueur du local (m) Largueur du local (m) Hauteur du local (m) Longueur du plan utile (m) Largeur du plan utile (m) Hauteur du plan utile (m) Hauteur des luminaires au dessus du plan utile Nombre de luminaire installé Le nombre n de lampe par luminaire Flux unitaire de la lampe installée (lm) Puissance unitaire des lampes installées (W) Efficacité lumineuse (lm/W) Rendement du luminaire installé Flux total installé (lux) Facteur de dépréciation δ Plafond Facteur de réflexion Mur Indice du local (K) Rapport de suspension (J) Utilance (U) Eclairement moyen maintenu E (en lux) Puissance totale installée Puissance d’éclairage (en W/m2)

type B1

type B2

type B3

type B4

Amphis

5,5 2,5 2,8

5,5 5 2,8

7,5 5,5 2,8

7,5 3,75 2,8

7,5 7 2,8

16,5 10 2,8

Foyers 1 et 2 10 5,4 2,8

4,3

4,3

6,5

6,3

6,3

15,5

8,7

1,5 0,8

4 0,8

4,3 0,8

2,75 0,8

6 0,8

8,8 0,8

4,4 0,8

2

2

2

2

2

2

2

2

4

3

4

4

10

3

1

1

2

1

2

2

2

1850

1850

1850

1850

1850

1850

1850

36

36

36

36

36

36

36

51

51

51

51

51

51

51

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

3700 1,25 0,7 0,5 0,6

7400 1,25 0,7 0,5 1

11100 1,25 0,7 0,5 1,5

7400 1,25 0,7 0,5 1

14800 1,25 0,7 0,5 1,5

37000 1,25 0,7 0,5 3

11100 1,25 0,7 0,5 1,5

0

0

0

0

0

0

0

0,49

0,64

0,73

0,64

0,73

0,84

0,73

157

154

162

153

160

127

118

72

144

216

144

288

720

216

12

9

8

9

8

6

6

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.5 : Evaluation de l’éclairement et de la puissance d’éclairage (suite et fin) Local Paramètres Longueur du local (m) Largueur du local (m) Hauteur du local (m) Longueur du plan utile (m) Largeur du plan utile (m) Hauteur du plan utile (m) Hauteur des luminaires au dessus du plan utile Nombre de luminaire installé Le nombre n de lampe par luminaire Flux unitaire de la lampe installée (lm) Puissance unitaire des lampes installées (W) Efficacité lumineuse (lm/W) Flux total installé (lux) Rendement du luminaire installé Facteur de dépréciation δ Plafo Facteur de nd réflexion Mur Indice du local (K) Rapport de suspension (J) Utilance (U) Eclairement moyen maintenu (lux) Puissance totale installée (W) Puissance d’éclairage (en W/m2)

Locaux administratifs Salle Salle Salle 12 13 24

Electronique et électrotechnique

Laboratoires appareillage+ salle info

Physique générale

Locaux sanitaires

Couloirs

5,5

5,5

5,5

7,5

7,5

16,25

6,5

20,5

2,5

5

2,5

5,5

7

7

1,8

1,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

4,5

4,3

4,3

6,5

6,3

15,25

5,3

19,1

1,3

3,8

1,5

4,3

6

5,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

8

6

10

2

5

1

2

1

2

2

2

1

1

1850

1850

1850

1850

1850

1850

710

820

36

36

36

36

36

36

60

18

51

51

51

51

51

51

11

45

3700

7400

1850

29600

22200

37000

1420

4100

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,5 0,6

0,5 1

0,5 0,6

0,5 1,5

0,5 1,5

0,5 2

0,5 0,6

0,5 0,6

0

0

0

0

0

0

0

0

0,49

0,64

0,49

0,73

0,73

0,78

0,49

0,49

173

162

78

432

240

182

91

73

72

144

36

576

432

720

120

90

13

9

6

21

12

9

29

6

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.4.6.

Comparaisons et commentaires des résultats

Les résultats du calcul de l’éclairement et de la puissance d’éclairage spécifique des locaux du bâtiment seront comparés aux normes pour identifier le gisement d’économie d’énergie que l’on peut atteindre en redimensionnant de façon efficace et réglementaire l’éclairage. La comparaison est présentée dans le tableau (3.6). Tableau 3.6 : comparaison de l’existant aux normes

Locaux

Eclairement recommandé (lux)

Bureaux B1 B2 B3 Salles de cours B4 Amphis Foyers Locaux sanitaires Couloirs Labo électronique et électrotechnique Labo Appareillage et Info Physique générale Salle 12 Local salle 13 administratif Salle 24

500

100

Eclairement installé (lux) 157 154 162 153 160 127 118 91 73 432

750

500

Exigences de la RT 2005 Puissance à Puissance installer recommandé recommandée 2 (W/m ) (W/m2) 4 3 4 4 4 3 3 2 9 12 7

Puissance installée (W/m2) 12 9 8 9 8 6 6 29 6 21

240

4

12

182

3

9

173 162 78

4 4 2

13 9 6

Il ressort du tableau de comparaison que l’éclairement dans les divers locaux du bâtiment est largement en dessous de la valeur recommandée (par exemple dans les bureaux l’éclairement est de 157 lux au lieu de 500 lux recommandé par les normes). Une raison valable est l’utilisation optimisée de la lumière du jour comme source d’appoint à la lumière artificielle dans les locaux. En effet, les parties vitrées représentent une surface importante des parois verticales (sur les façades Nord et Est) ce qui permet un accès permanent à la lumière naturelle. Les utilisateurs affirment être satisfaits de l’éclairement des locaux qu’ils occupent. Le niveau d’éclairement artificiel est donc justifié mais la

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70

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

puissance installée pour cet éclairement est surdimensionnée (par exemple pour un éclairement de 157 lux, il est recommandé une puissance de 4 W/m2 alors que dans les bureaux nous calculons une puissance installée de 12W/m2). Le constat étant le même dans tous les locaux sauf dans les couloirs, le gisement d’économie d’énergie qu’il est possible d’atteindre suite à un dimensionnement efficace du système d’éclairage est donc énorme.

3.2.5. Solutions de rénovation du système d’éclairage Pour rendre le système d’éclairage du bâtiment plus efficace et répondant aux exigences des normes et règlements en vigueur, nous proposons les solutions suivantes :  remplacer des ballasts électromagnétiques par des ballasts électroniques ;  utiliser des lampes efficaces : remplacer des lampes à incandescence des locaux sanitaires et les tubes fluorescentes T8 de 18 W des couloirs par des lampes fluocompactes de 12 W; remplacer les lampes fluorescentes T8 de 36 W des bureaux, laboratoires et salles de cours par des lampes fluorescentes de type T5 de haute efficacité ;  installer une source de lumière ponctuelle dans les laboratoires ;  rénover la technologie de gestion de l’éclairage extérieur par emploi d’un interrupteur crépusculaire.

3.2.5.1.

Remplacement des ballasts électromagnétiques

Le remplacement des ballasts électromagnétiques par des ballasts électroniques est connu comme étant une solution simple pour réduire les consommations inutiles. Après une description de cette préconisation, nous évaluons le gisement d’économie d’énergie qu’elle peut engendrer et enfin nous établirons une analyse financière qui va aboutir sur le calcul de temps de retour sur investissement.

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

71

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.5.1.1.

Description de la solution

Pour réduire les consommations d’énergie dues aux ballasts, nous proposons l’utilisation des ballasts de type électronique au profit des ballasts électromagnétiques. Les ballasts électroniques fonctionnent à très haute fréquence et de ce fait suppriment certains désagréments observés avec les ballasts électromagnétiques (délai d’allumage, bourdonnement, papillotements). Ils produisent moins de chaleur grâce à leur grande efficacité. Le réchauffement du milieu est alors moins important, ce qui permet d'économiser l’énergie pour la climatisation. Le

principal intérêt réside dans la

diminution de la consommation spécifique du ballast. Un ballast électronique a une consommation propre de 4 à 5 W, contre 10 W pour un ballast électromagnétique, il peut donc induire une diminution de la consommation de la lampe de l’ordre de 20%. Par ailleurs, la durée de vie des lampes est améliorée (environ 50 %), de même que la tenue du flux lumineux dans le temps. L’utilisation des ballasts électroniques (à haute fréquence) en remplacement des ballasts électromagnétiques permettra d’améliorer les performances globales de l’éclairage et est une solution d’économie d’énergie importante pour le bâtiment principal de l’ENSI. La figure (3.4) présente un ballast électronique et un ballast électromagnétique.

(a)

(b)

Figure 3.4: Ballast électromagnétique (a) et ballast électronique (b)

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72

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.5.1.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnementaux

Le calcul du gain d’énergie réalisable par cette préconisation est présenté dans le tableau (3.7). Tableau 3.7 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction de GES Existant Local Bureaux Laboratoires Locaux administratif Couloirs Extérieur et Escalier Salles de cours Toilettes TOTAL

Caractéristique des luminaires Luminaires 2*36 W, Lampes T12, Ballast Electromagnétiques

Future installation

Consommation (kWh/an) 1304,1 2394 688,5 239,4 5896,8

Caractéristique des luminaires

Luminaires 2*36 W, Lampes T12 Ballast Electronique

2800 Lampes à incandescence -

28,8 13351,6

Lampes à incandescence -

Economie annuelle

Consommation (kWh/an)

%

kWh

FCFA

1043,28 1915,2

20 20

260,8 478,8

23473 43092

Réduction d'émission de C02 (kgCO2/an) 263 483

550,8

20

137,7

12393

139

191,52

20

47,88

4309

48

4717,44

20

1179

106142

1190

2240

20

560

50400

565

28,8

0

0

0

0

10687,04

20

2665

239810

2689

Il ressort de ce tableau que le remplacement des ballasts électromagnétiques par des ballasts électroniques entraîne un gain d’énergie annuel de 2665 kWh soit une économie de 20% sur la consommation relative à l’éclairage du bâtiment. Ce gain en énergie est traduit par une économie financière de 239810 FCFA/an et une réduction d’émission de 2689 kgCO2/an. Adaptées aux caractéristiques techniques de l’ouvrage, cette amélioration préconisée doit faire l’objet d’une étude économique afin de permettre d'orienter le choix de travaux dans les meilleures conditions de coût, de rentabilité et de délai.

3.2.5.1.3.

Etude économique

Le tableau (3.8) présente les détails de l’étude économique des travaux susceptibles d’être engendrer par la mise en application de cette proposition. La durée du retour sur investissement est calculée uniquement sur la base des économies d’énergie et ne tient

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

73

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

pas compte des variations du prix du kilowattheure dans le temps (ce qui peut entrainer des variations de l’économie réalisable). Elle représente le temps pour lequel l’investissement nécessité par ces travaux est absorbé par les économies réalisées et est calculé à partir de la formule (3.5) :

𝐓𝐫 (𝐚𝐧) =

𝐈𝐧𝐯𝐞𝐬𝐭𝐢𝐬𝐬𝐞𝐦𝐞𝐧𝐭 (𝐅𝐂𝐅𝐀)

(3.5)

𝐄𝐜𝐨𝐧𝐨𝐦𝐢𝐞 𝐫é𝐚𝐥𝐢𝐬é𝐞 𝐩𝐚𝐫 𝐚𝐧 (𝐅𝐂𝐅𝐀/𝐚𝐧)

Tableau 3.8 : Calcul du temps de retour d’investissement pour la préconisation Matériel

Nombre

Prix unitaire (FCFA)

Prix Total (FCFA)

4000

584000

Ballast électronique HFPerformer 118 TL-D 146 220/240V 50/60Hz Type lampe T12 : 1*18/36W MAIN D’OEUVRE

175200

INVESTISSEMENT GLOBAL (FCFA) ECONOMIE ANNUELLE (FCFA/an) TEMPS DE RETOUR SUR INVESTISSEMENT (an)

759200 239810 3,16

Le retour sur investissement pour cette préconisation est obtenu après 3 ans 2 mois.

3.2.5.2.

Utilisation des lampes efficaces

La deuxième préconisation dans le cadre de ce projet, consiste à utiliser un éclairage efficace.

3.2.5.2.1.

Description de la solution

Le niveau bas de l’éclairement artificiel et la puissance élevée de l’éclairage constatés dans les locaux du bâtiment sont imputables à l’efficacité lumineuse des lampes utilisées. On trouve dans tous les locaux (hors locaux sanitaires) du bâtiment principal de l’ENSI, des tubes fluorescents de type T8 équipés de ballasts électromagnétiques. Cette

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74

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

configuration consomme des quantités importantes d’énergie pour un éclairage médiocre. Bien qu’elles soient de source fluorescente, les lampes de type T8 installées dans le bâtiment ne permettent pas d’atteindre une meilleure efficacité énergétique. Le tableau de l’annexe 7 présente des lampes fluorescentes de type T5 dont les caractéristiques sont meilleures que celles des lampes actuellement en service dans le bâtiment principal de l’ENSI. Ils fournissent généralement un flux lumineux important pour de moindre consommation d’électricité. Pour des exigences d’efficacité, nous proposons l’utilisation des lampes T5 FHE Luxline Plus (annexe 8), lampe basse consommation (LBC) en remplacement des tubes T8 des bureaux, laboratoires et salles de cours. Ces types de lampes nécessitent l’utilisation des ballasts électroniques (donc cette solution intègre la première) et sont de dimensions différentes que celles de type T8 ce qui implique le changement des luminaires. Les locaux sanitaires sont éclairés par des lampes à incandescence. Il existe une autre lampe issue de la technologie d’éclairage fluorescent : la lampe fluo-compacte. La Lampe Fluorescente Compacte (LFC) ou lampe basse consommation fonctionne selon le même principe que les tubes fluorescents rectilignes. Elle bénéficie de ce fait des caractéristiques propres à l’éclairage fluorescent : efficacité lumineuse et longue durée de vie, avec deux avantages considérables sur les tubes fluorescents :  la compacité ;  l’intégration des starters et ballasts dans le culot de la lampe. Ces deux dernières caractéristiques nous amène à proposer le remplacement des lampes à incandescence des locaux sanitaires par des LFC sans modification du luminaire ou de l’alimentation électrique, et ainsi améliorer sensiblement l’efficacité lumineuse. Aussi, les tubes fluorescents de 18 W des couloirs seront remplacés par des LFC. Nous choisissons la lampe MINI-LYNX COMPACT-START T2 SPIRAL 12W/B22 de SYLVANIA (Annexe 8). Le constructeur SYLVANIA propose dans son catalogue une table d’équivalence entre ses produits et ceux des autres constructeurs que l’on peut consulter pour des raisons de préférence ou de disponibilité de produit. Une fois le choix effectué, il convient donc de redimensionner le système d’éclairage.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.5.2.2.

Dimensionnement de la nouvelle installation

Cette approche de solution vise à réduire la puissance installée et donc améliorer la qualité de service de l’éclairage du bâtiment. Le dimensionnement consiste à déterminer le nombre de luminaires qu’il est nécessaire d’installer dans les locaux pour assurer l’éclairement que les utilisateurs jugent suffisant. Les tableaux (3.9) et (3.10) présentent les résultats du dimensionnement de l’éclairage.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.9 : Dimensionnement de l’éclairage Local

Salle de cours Bureaux

type B1

type B2

type B3

type B4

Amphis

Foyers 1 et 2

5,5 2,5 2,8 4,3 1,5 0,8

5,5 5 2,8 4,3 4 0,8

7,5 5,5 2,8 6,5 4,3 0,8

7,5 3,75 2,8 6,3 2,75 0,8

7,5 7 2,8 6,3 6 0,8

16,5 10 2,8 15,5 8,8 0,8

10 5,4 2,8 8,7 4,4 0,8

2

2

2

2

2

2

2

1250

1250

1250

1250

1250

1250

1250

14

14

14

14

14

14

14

89

89

89

89

89

89

89

Rendement du luminaire installé

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

Facteur de dépréciation δ

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

Plafond

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

Mur

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,6 0 0,49

1 0 0,64

1,5 0 0,73

1 0 0,64

1,5 0 0,73

3 0 0,84

1,5 0 0,73

157

154

162

153

160

127

118

2870

5748

8614

5752

11506

28642

8594

1

1

1

1

2

2

1

3

5

7

5

5

12

7

42

70

98

70

140

336

98

3750

6250

8750

6250

12500

30000

8750

205

167

164

166

173

133

120

7

5

4

5

4

3

3

Paramètres Longueur du local (m) Largueur du local (m) Hauteur du local (m) Longueur du plan utile (m) Largeur du plan utile (m) Hauteur du plan utile (m) Hauteur des luminaires au dessus du plan utile Flux unitaire de la lampe installée (lm) Puissance unitaire des lampes installées (W) Efficacité lumineuse (lm/W)

Facteur de réflexion

Indice du local (K) Rapport de suspension (J) Utilance (U) Eclairement à maintenir (lux) Flux total à installer (lux) Le nombre n de lampe par luminaire Nombre de luminaire à installer Puissance totale installée (W) Flux total installé (lux) Eclairement moyen maintenu E (en lux) Puissance d’éclairage (en W/m2)

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.10 : Dimensionnement de l’éclairage (suite et fin) Local

Paramètres Longueur du local (m) Largueur du local (m) Hauteur du local (m) Longueur du plan utile (m) Largeur du plan utile (m) Hauteur du plan utile (m) Hauteur des luminaires au dessus du plan utile Flux unitaire de la lampe installée (lm) Puissance unitaire des lampes installées (W) Efficacité lumineuse (lm/W) Rendement du luminaire installé Facteur de dépréciation δ Facteur Plafond de Mur réflexion Indice du local (K) Rapport de suspension (J) Utilance (U) Eclairement à maintenir (lux) Flux total à installer (lux) le nombre n de lampe par luminaire Nombre de luminaire à installer Puissance totale installée Flux total installé (lux) Eclairement moyen maintenu E (en lux) Puissance d’éclairage (en W/m2)

secrétariat+salle de reprographie

Laboratoires

Locaux sanitaires

Couloirs

16,25

6,5

20,5

7

7

1,8

1,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

4,3

6,5

6,3

15,25

5,3

19,1

3,8

1,5

4,3

6

5,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

2

2

2

2

2

2

2

2

1250

1250

1250

1250

1250

1250

630

630

14

14

14

14

14

14

12

12

89

89

89

89

89

89

52

52

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,6

1

0,6

1,5

1,5

2

0,6

0,6

0

0

0

0

0

0

0

0

0,49

0,64

0,49

0,73

0,73

0,78

0,49

0,49

173

162

78

432

240

182

91

73

2868

5744

1426

22972

17260

28664

1093

3161

1

1

1

2

2

2

1

1

3

5

2

10

7

12

2

6

42

70

28

280

196

336

24

72

3750

6250

2500

25000

17500

30000

1260

3780

226

176

136

470

243

190

104

87

8

5

5

11

6

4

6

5

Salle 12

Salle 13

Salle 24

Electronique et électrotechnique

appareillage + salle info

Physique générale

5,5

5,5

5,5

7,5

7,5

2,5

5

2,5

5,5

2,8

2,8

2,8

4,5

4,3

1,3

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Pour situer la nouvelle installation dans les normes admises en matière d’efficacité énergétique, nous comparons les divers éclairements et puissance installée des différents locaux obtenus après rénovation à ceux de l’installation existante. La comparaison est présentée par le tableau (3.11) : Tableau 3.11 : comparaison de l’existant et de la future installation Installation existante Locaux

Eclairement (lux)

Bureaux

157 154 162 153 160 127 118 91 73

Puissance installée (W/m2) 12 9 8 9 8 6 6 29 6

432

B1 B2 B3 salles de cours B4 Amphis Foyers Locaux sanitaires couloirs Labo électronique et électrotechnique Labo appareil et Laboratoires salle info Labo physique générale salle 12 Locaux salle 13 administratifs salle 24

Future installation

205 167 164 166 173 133 120 104 87

Puissance installée (W/m2) 7 5 4 5 4 3 3 6 5

21

470

11

240

12

243

6

182

9

190

4

173 162 78

13 9 6

226 176 136

8 5 5

Eclairement (lux)

Ce tableau montre clairement que le service rendu (éclairement) est amélioré dans tous les locaux du bâtiment et ceci pour une puissance installée réduite. Le gisement d’économie d’énergie est donc important.

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79

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.2.5.2.3.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnementaux

Après rénovation, l’économie d’énergie réalisable est présentée dans le tableau (3.12). Le pourcentage de réduction de la consommation des lampes est calculé suivant la relation (3.6) :

𝒌(%) = (𝟏 −

𝑷𝒏 𝑷𝒂

) × 𝟏𝟎𝟎

(3.6)

où : 𝑃𝑛 est la nouvelle puissance d’éclairage installée ; 𝑃𝑎 est la puissance d’éclairage de l’installation existante ; 𝑘 est le pourcentage de réduction de la consommation des lampes.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.12 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction d’émission de GES

Existant

Future installation

Economie annuelle Taux d’économie pour les lampes (%)

Gain total (kWh/an)

Gain total (FCFA)

Réduction d’émission de GES (kgCO2/an)

Local

Consommation des ballasts (kWh/an)

Consommation des lampes (kWh/an)

Consommation des ballasts (kWh/an)

Consommation des lampes (kWh/an)

Taux d’économie pour les ballasts (%)

Bureaux

326

978

65,2

570,5

20

42

668,4

60 151,6

675

Laboratoires

598

1795

119,7

897,7

20

50

1 376,5

123 889,5

1 389

Locaux administratif

172

516

34,4

331,9

20

36

322,2

28 990,7

325

Couloirs

60

179

11,9

149,6

20

17

77,8

7 002,45

78

Extérieur et Escalier

1 474

4 423

294,9

1769

20

60

3 832,9

344 962,8

3 868

Salles de cours

700

2 100

140

1 095,6

20

48

1 564,3

140 791,3

1 579

Locaux sanitaires

0

28,8

0

5,9

0

80

22,8

2 055,7

23

7 864,9

707 844

7 936

TOTAL

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Pour cette préconisation, une économie de l’ordre de 7 864,9 kWh peut être réalisée chaque année soit une réduction de 59% sur la consommation due à l’éclairage, ce qui correspond à une économie financière de 70 7844 FCFA/an et à une réduction d’émission de 7 936 kgCO2/an.

3.2.5.2.4.

Etude économique

Pour mettre en œuvre cette préconisation de l’audit énergétique, quel sera l’investissement initial ? Quel est le temps de retour sur cet investissement ? Le tableau (3.13) présente ces données. Tableau 3.13 : Etude économique de la préconisation Matériels Réglette avec ballast électronique et tube fluo T5 FHE Luxline Plus 15W Douille B22 46mm Lampe fluo compact 12W/650lm/B22 MAIN D’ŒUVRE

Nombre

Prix unitaire (FCFA)

Prix Total (FCFA)

186

20000

3720000

8 8

1000 4000

8000 32000 1128000

INVESTISSEMENT GLOBAL (FCFA) ECONOMIE REALISABLE PAR AN (FCFA/an) TEMPS DE RETOUR SUR INVESTISSEMENT (an)

3.2.5.3.

4848000 707844 6,85

Réduire la charge d’éclairage dans les laboratoires pendant les heures hors TP

Une autre solution d’économie d’énergie consiste à réduire la charge d’éclairage dans les laboratoires pendant les heures hors TP.

3.2.5.3.1.

Description de la préconisation

En dehors des heures de travaux pratiques, les responsables de laboratoires font usage de l’éclairage pour leur confort visuel. Comme l’indique le tableau (3.10), en raison de leurs dimensions, les laboratoires sont des locaux où sont installés plus de luminaires. Un éclairement moyen satisfaisant est alors maintenu dans toute la salle pendant les heures

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

de travail (hors les heures de TP) alors que seul le poste de travail est occupé. Afin de réduire la charge à ces heures, tout en maintenant un bon niveau de confort au poste de travail, nous optons pour une solution d’éclairage qui vise à installer, en outre l’éclairage standard, un éclairage ponctuel (lampe de bureau muni d’ampoule fluo compacte de 12 W/630 lm) qui permettra d’atteindre 400 à 500 lux sur le poste de travail. Pour le reste des espaces du local on se limitera au niveau d’éclairement naturel.

3.2.5.3.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie

Si ces travaux devaient être réalisés en complément à la solution portant sur l’utilisation des lampes efficaces, les gisements d’économie qu’on peut atteindre sont présentés dans le tableau (3.14). Les heures de travaux pratiques occupent environ 20% des heures d’ouverture des laboratoires.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.14 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction d’émission de GES

Avant travaux Local

Economie d’énergie

Après travaux

Consommation Consommation Consommation Consommation de l’éclairage de l’éclairage totale (kWh/an) ponctuel standard (kWh/an) (kWh/an) (kWh/an)

Laboratoire d’électronique

%

kWh/an

FCFA

Réduction de GES (kgCO2/an)

196

8,4

39,2

47,6

75

148,4

13 356

150

Laboratoire d’électrotechnique Laboratoire d’appareillage et câblage Laboratoire de physique générale

196

8,4

39,2

47,6

75

148,4

13 356

150

137,2

8,4

27,44

35,84

73

101,36

9 122,4

92,7

235,2

8,4

47,04

55,44

76

179,76

16 178,4

181,4

TOTAL

764,4

33,6

152,88

186,48

75

577,92

52 012,8

583,2

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

84

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

On réalise une économie d’énergie de 577,92 kWh qui se traduit par une économie financière de 52 013 FCFA chaque année.

3.2.5.3.3.

Etude économique de la préconisation

Le tableau (3.15) présente les détails de l’étude économique de ces travaux. Tableau 3.15 : Etude économique de la préconisation Matériels Lampe fluo compact 12W/650lm/B22 Douille B22 46mm Consommables (câble, Vis) MAIN D’ŒUVRE

Nombre

Prix unitaire

Total

4

4000

16000

4

1000 30000

4000 30000 14100

INVESTISSEMENT GLOBAL (FCFA) ECONOMIE REALISABLE PAR AN (FCFA/an) TEMPS DE RETOUR SUR INVESTISSEMENT (an)

64 100 52 012,8 1,3

La réalisation de ces travaux nécessite un investissement de 64 100 FCFA. Le temps de retour sur cet investissement est égal à 1 an 7 mois.

3.2.5.4.

Rénover la technologie de gestion de l’éclairage extérieur

La technologie de gestion de l’éclairage est une piste pour réaliser des économies d’énergie dans le bâtiment principal de l’ENSI. Avec les systèmes d’extinction standard (interrupteur), l’éclairage est très souvent laissé allumer même lorsque cela n’est pas nécessaire. C’est le cas de l’éclairage extérieur du bâtiment principal de l’ENSI. En effet les lampes sont allumées très tôt la soirée (à 17h30) et sont éteintes tardivement (à 7h00) dans la matinée. Dans le cadre de notre projet d’audit énergétique, nous proposons que l’éclairage extérieur du bâtiment soit piloté par un interrupteur crépusculaire. Les interrupteurs crépusculaires ont pour rôle de commander l'extinction des luminaires lorsque l'éclairage naturel est supérieur à un certain seuil. Un interrupteur peut être prévu pour des commandes manuelles. Les gains apportés sont d'autant plus importants que la puissance installée est élevée.

Mémoire d’Ingénieur (ENSI-UL)

85

HOEGAN Kossi Mawulom

Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.3.

Analyse du système de climatisation

La climatisation est le secteur le plus important de la consommation énergétique du bâtiment. Cette consommation dépend de plusieurs facteurs liés aux équipements installés et au confort désiré par chaque utilisateur. La figure (3.5) présente le niveau de consommation en climatisation des catégories de locaux dans le bâtiment principal de l’ENSI.

Consommation annuelle (kWh/an)

25000

20000 Bureaux 15000 Laboratoires 10000

Locaux administratif Salles de cours

5000

0

Figure 3.5: Répartition de la consommation d’éclairage dans les locaux

La consommation de la climatisation de l’ensemble des salles de cours est de 21063 kWh/an. Celle des bureaux est de l’ordre de 9677,25 kWh/an. Les laboratoires quand bien même étant au nombre de quatre (4), leur consommation énergétique en climatisation est très élevée (soit 10930,5 kWh/an). Ceci s’explique par une forte climatisation que nécessite ces locaux. En effet, les appareils électriques de laboratoire et les équipements informatiques sont sources de chaleur qu’il convient de compenser par un dispositif de conditionnement d’air. Etant un secteur de grosse consommation, une démarche d’audit énergétique en climatisation, sera sanctionnée par des économies d’énergie importante. L’analyse du système de climatisation effectuée dans le cadre de

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86

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

notre projet a porté sur l’efficacité énergétique des équipements installés et de la performance de la climatisation dans chaque local. L’évaluation de la performance de climatisation passe par un bilan de charges thermiques.

3.3.1. Bilan de charges thermiques Afin d’évaluer le coefficient de performance dans chaque local, nous calculons au préalable les charges thermiques totales à vaincre dans les locaux en appliquant les formules (1.1) à (1.12) présentées au chapitre 1.

3.3.1.1.

Conditions atmosphériques

Les conditions atmosphériques telles que l’insolation, la température et l’humidité de l’air varient tout au long d’une journée. Pour la précision dans nos calculs ces valeurs (température et humidité de l’air) ont été prises sur la base des données du service météorologique du Togo. La température moyenne maximale sur les données de dix ans est égale à 33°C pour le mois de Mars. L’humidité d’air correspond à 76%.

3.3.1.2.

Les hypothèses de calcul

Les hypothèses de calculs sont :  la température et l’hygrométrie à l’intérieur seront respectivement 25°C et 50% ;  les échanges thermiques entre les parois internes et les apports thermiques par les toits seront négligés.

3.3.1.3.

Application numérique

Les détails des calculs sont présentés dans les tableaux (3.16) et (3.17).

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87

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.16 : Calcul des apports thermiques dans les locaux Local

Bureaux

Types d’apport et paramètres

CHARGES EXTERNES

Apport de chaleur par transmission (QStr)

Apport de chaleur par rayonnement (QSR)

Apport de chaleur par infiltration d’air

Locaux administratif

Salles de cours

Salles 1,3,12,14,15, 16,17,19

Salles 8,10,24, 25,26

Salle 2 et 20

Salle 4,5

Salle 9 et 11

Salle 7

Salle 13

Salle 23

N

S

N

N

S

S

N

N

5

5

5

5

5

5

5

5

1,69

1,69

1,69

1,69

1,69

1,69

1,69

1,69

5,5 2,5 2,8 38,5 2 5 200 27,04 227 0,7 0,085 284 33,6 1 0,45 227 510,8 18 8 26 47,52 393,1 67

5,5 2,5 2,8 38,5 2 5 200 27,04 227,04 0,7 0,0845 362 42,825 1 1 290 1450 18 8 26 47,52 393,12 67

7,5 5,5 2,8 116 6 15 600 81,1 681 0,7 0,08 284 101 1 1 227 3405 18 8 26 47,5 393 1040

5,5 5 2,8 77 4 10 400 54,1 454 0,7 0,08 284 67,2 1 1 227 2270 18 8 26 47,5 393 1040

7 5 2,8 98 4 10 400 54,1 454 0,7 0,08 362 85,6 1 1 290 2900 18 8 26 47,5 393 1040

7,5 7 2,8 147 6 15 600 81,1 681 0,7 0,08 362 128 1 1 290 4350 18

5,94 15,1 1040

5,5 5 2,8 77 4 10 400 54,1 454 0,7 0,08 284 67,2 1 0,45 227 1022 18 8 26 47,5 393 260

7,5 5 2,8 105 4 10 400 54,1 454 0,7 0,08 284 67,2 1 1 227 2270 18 8 26 47,5 393 130

49

49

592

592

592

592

148

74

20

20

40

80

80

80

20

40

250

250

250

250

250

250

530

250

1598

2546,5

6550

5194

5842

7143

2941

3726

Orientation du mur exposé* Kv (W/m2 °C) Km (W/m2°C) Long (m) Largeur (m) h (m) Volume (m3) Sm (m2) Sv (m2) Qstrv (W) Qstrm (W) Qstr (W) αm F Rm QSRm (W) αv g Rv QSRv qv ΔӨ ΔW (W) QSr (W) QLr (W) QSoc (W)

CHARGES INTERNES

Apport de chaleur par les QLoc (W) occupants Apport de chaleur par QSecl (W) l’éclairage Apport de chaleur par QSap (W) les appareilles Charges Thermiques totales (W)

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.17 : Calcul des apports thermiques dans les locaux (suite et fin) Local

Laboratoires

CHARGES INTERNES

CHARGES EXTERNES

Types d’apport et paramètres Orientation du mur exposé * Kv (W/m2 °C) Km (W/m2°C) Long (m) Apport de Largeur chaleur par (m) transmission h (m) (QStr) Volume (m3) Sm (m2) Sv (m2) Qstrv (W) Qstrm (W) Qstr (W) αm F Rm Apport de QSRm chaleur par (W) rayonnement αv (QSR) g Rv QSRv qv Apport de ΔӨ chaleur par ΔW (W) infiltration QSr (W) d’air QLr (W) Apport de QSoc (W) chaleur par les QLoc (W) occupants Apport de chaleur par QSecl (W) l’éclairage Apport de chaleur par les appareilles

QSap (W)

Charges Thermiques totales (W)

Labo câblage

Labo Electronique

Labo Electrotechnique

Labo physique

Salle info

S

N

N

S

S

5

5

5

5

5

1,69

1,69

1,69

1,69

1,69

7,5

7,5

7,5

10

7,5

7

5,5

5,5

7,5

7

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

147

115,5

115,5

210

147

6 15 600 81,12 681,12 0,7 0,0845 362

6 15 600 81,12 681,12 0,7 0,0845 284

6 15 600 81,12 681,12 0,7 0,0845 284

8 20 800 108,16 908,16 0,7 0,0845 362

6 15 600 81,12 681,12 0,7 0,0845 362

128,47

100,79

100,79

171,29

128,47

1 1 290 4350 18 8 26 47,52 393,12

1 1 227 3405 18 8 26 47,52 393,12

1 1 227 3405 18 8 26 47,52 393,12

1 1 290 5800 18 8 26 47,52 393,12

1 1 290 4350 18 8 26 47,52 393,12

1170

1170

1170

1170

1170

666

592

592

592

592

80

80

80

80

80

500

500

500

500

3000

8016,2

6969,6

6969,5

9662,1

10442,23

* l’orientation des murs détermine l’intensité du rayonnement solaire et est données par la figure A-2.1 de l’annexe 2.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.3.2. Evaluation de la performance de climatisation Pour évaluer la performance de la climatisation dans un local, nous allons définir un coefficient d’efficacité frigorifique ou de performance frigorifique (COPfroid) qui sera déterminé par la relation (3.7) :

𝑪𝑶𝑷𝒇𝒓𝒐𝒊𝒅 =

𝑷𝒖𝒊𝒔𝒔𝒂𝒏𝒄𝒆 𝒇𝒓𝒊𝒈𝒐𝒓𝒊𝒇𝒊𝒒𝒖𝒆 (𝑾) 𝑷𝒖𝒊𝒔𝒔𝒂𝒏𝒄𝒆 é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒐𝒎𝒎é𝒆 (𝑾)

(3.7)

Ce coefficient sert d’indicateur d’utilisation rationnelle de l’énergie pour des besoins de climatisation. Plus l’installation est performante, plus le coefficient COP est élevé. On dit que l’installation est moins énergivore. Une installation de climatisation de type split simple dont la puissance est inférieure à 2 kWh aura un COP minimum de 2,5 [annexe 3]. L’installation est dite surdimensionnée lorsque la puissance frigorifique installée est largement supérieure à la charge thermique totale qu’il faut compenser dans le local. La puissance du climatiseur doit être légèrement inférieure ou supérieure à celle du bilan thermique pour des raisons d’échelonnement de puissance [2] dans une gamme de matériel standard. La performance de la climatisation dans le bâtiment est présentée dans le tableau (3.18) :

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.18 : Coefficient de performance frigorifique et état du dimensionnement Charge thermique (W)

Puissance frigorifique totale installée (W)

Puissance électrique consommée (W)

COP

Etat du COP

Etat de dimensionnement

1 598,1

3 500

1 275

2,7

Bon

Surdimensionné

2 546,5

3 500

1 275

2,7

Bon

Surdimensionné

Salle 2

6 549,5

5 100

2 250

2,2

Mauvais

Sous dimensionné

Salle 20

6 549,5

8 600

3 195

2,6

Bon

Surdimensionné

Salle 4 et 5

5 193,9

5 275

2 100

2,5

Bon

Bon

Salle 9 et 11

5 842,3

3 500

1 500

2,3

Mauvais

Sous dimensionné

Salle 7

7 142,6

7 000

3 000

2,3

Mauvais

Bon

Salle 13

2 941,4

3 500

1 275

2,7

Bon

Bon

Labo électrotechnique

6 969,5

7 000

2 775

2,5

Bon

Bon

Salle 23

3 725,9

3 500

1 275

2,7

Bon

Bon

Labo câblage

8 016,2

7 000

3 000

2,3

Mauvais

Sous dimensionné

Labo électronique

6 969,5

7 000

3 000

2,3

Mauvais

Bon

Labo physique

9 662,1

7 000

3 000

2,3

Mauvais

Sous dimensionné

Salle Info

10 442,2

10 200

3 840

2,6

Bon

Bon

Locaux Salles 1,3,12,14,15,16,17, 19 Salles 8,10,24,25,26

Il ressort de ce tableau que le coefficient de performance du système de climatisation de la plupart des locaux est mauvais et la puissance frigorifique installée est surdimensionnée ou sous dimensionnée. Par exemple, dans les bureaux, pour une charge thermique de 1 598 W, l’on a installé un climatiseur de puissance frigorifique de 3 500 W (soit 12 000 BTU/h) alors que le choix optimum dans la même gamme de climatiseur devait porté sur un climatiseur de puissance de refroidissement de 2 500 W (9000 BTU/h) qui consomme 355 W de moins en terme de puissance électrique [annexe 9] . Une rénovation dans le secteur de la climatisation du bâtiment peut donc engendrer des économies d’énergie énorme.

3.3.3. Solution : utilisation des systèmes de climatisation performants La description de cette préconisation est consacrée dans la partie suivante.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.3.3.1.

Description de la solution

Cette solution de rénovation vise à installer un système de climatisation bien dimensionné et efficace du point de vue énergétique. Pour les cas de puissance mal dimensionnée, nous proposons un climatiseur de puissance proche de la puissance thermique calculée. Pour les cas dont le COP est mauvais, nous optons pour des climatiseurs dont le ratio de consommation satisfait les normes (COP>2,5). Les propositions d’installation sont résumées dans le tableau (3.19) : Tableau 3.19 : Propositions de solutions de rénovation Locaux

Charge thermique (W)

Modèle climatiseur *

Puissance frigorifique installée (W)

Puissance électrique consommée (W)

COP

Salles 1,3,12,14,15,16,17,19

1 598,0272

ROYAL AIR KF25GW

2 500

920

2,7

Salles 8,10,24,25,26

2 546,5046

ROYAL AIR KF25GW

2 500

920

2,7

Salle 2

6 549,5516

ROYAL AIR KF66GW

6 600

2 190

3

Salle 20

6 549,5516

ROYAL AIR KF66GW

6 600

2 190

3

Salle 7

7 142,6538

2 climatiseurs ROYAL AIR KF-35GW

7 000

2 550

2,8

Salle 9 et 11

5 842,3692

6 600

2 190

3

Labo câblage

8 016,2338

8 600

3 075

2,8

Labo Electronique

6 969,5516

7 000

2 550

2,8

Labo physique

9 662,0984

9 100

3 150

2,5

ROYAL AIR KF66GW 1 climatiseur ROYAL AIR KF-51GW +1 climatiseur ROYAL AIR KF-35GW 2 climatiseurs ROYAL AIR KF-35GW 1 climatiseur ROYAL AIR KF-66GW +1 climatiseur ROYAL AIR KF-25GW

* Les caractéristiques des modèles de climatiseurs proposés sont en annexe 9

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3.3.3.2.

Evaluation du gisement d’économie d’énergie et enjeux environnemental

Le gisement d’économie d’énergie et les enjeux environnementaux de cette préconisation sont résumés dans le tableau (3.20) : Tableau 3.20 : Evaluation du gisement d’économie d’énergie et de réduction de GES Existante Local

Puissance installée

Economie d’énergie

Future installation

Consommation Puissance Consommation annuelle installée annuelle

%

kWh

FCFA

Réduction de GES (kgCO2/an)

Bureaux

14025

9677,25

10120

6982,8

27

2694,45

242500,5

2465,4

Laboratoires

15615

10930,5

15390

10773

1

157,5

14175

144,1

Locaux administratifs

5100

10837,5

3115

6619,375

38

4218,12

379631,3

3859,5

Salles de cours

15045

21063

13320

18648

11

2415

2415

2209,7

TOTAL

49785

52508,25

41945

43023,17

18

9485,07

638722

8678,8

Le niveau de consommation des différents locaux de l’installation future comparé à celui de l’ancienne installation est présenté par la figure (3.6) :

Consommation annuelle (kWh/an)

Installation existante

Future installation

25000 20000 15000 10000 5000 0 Bureaux

Laboratoires

Locaux administratifs

Salles de cours

Figure 3.6 : Comparaison des niveaux de consommation en climatisation de l’existante et la nouvelle installation

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

La mise en œuvre d’une installation de climatisation efficace permet d’atteindre une économie énergétique de 16106 kWh/an soit une réduction de 18%.

3.3.3.3.

Etude économique

L’exécution de ces travaux nécessite l’achat de 13 climatiseurs de 1CV et 4 climatiseurs de 2,5 CV. L’étude économique de cette préconisation dans le secteur de la climatisation est présentée dans le tableau (3.21). Tableau 3.21 : Etude économique de la solution Model de climatiseur

Nombre

Prix unitaire

Total

ROYAL AIR KF-25GW

13

180000

2340000

ROYAL AIR KF-66GW

4

320000

1280000

MAIN D’ŒUVRE

1086000

INVESTISSEMENT GLOBAL (FCFA) ECONOMIE REALISABLE PAR AN (FCFA/an) TEMPS DE RETOUR SUR INVESTISSEMENT (an)

4706000 638722 7,36

Pour un investissement de 4 706 000 FCFA, et une économie annuelle de 638 722 FCFA, le temps de retour sur investissement est égale à 7,36 ans (soit 7 ans 5 mois).

3.4.

Analyse des installations d’équipements informatiques

Les équipements informatiques sont à l’origine d’une consommation annuelle de 5 708 kWh/an. La répartition de la consommation dans les différentes catégories de local est présentée sur la figure (3.7) :

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Consommation annuelle (kWh/an)

2500

2000

1500

1000

500

0 Bureaux

Locaux administratif

Labo et Salle informatique

Figure 3.7 : répartition de la consommation des équipements informatiques dans les locaux

Ces équipements sont de caractéristiques variées et adaptées aux besoins. Dans le souci d’une efficacité énergétique plus accrue, nous avions identifié quelques sources d’économie d’énergie.

3.4.1. Utilisation d’équipements performants : ordinateurs portables L’utilisation d’un ordinateur portable en remplacement d’une unité centrale et d’un écran est sans conteste la solution qui autorise l’économie maximum. En effet, un ordinateur portable consomme en moyenne 85% de moins qu’un ordinateur de bureau. Cependant, l’utilisation pour de longues durées d’un ordinateur portable pose des problèmes de confort. En effet, l’écran n’est pas à hauteur des yeux et le clavier des ordinateurs portables est plus petit ce qui n’est pas très pratique. Cette préconisation peut nécessiter un investissement initial très énorme.

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3.4.2. Utilisation d’équipements à haut rendement Des constructeurs proposent des matériels répondant à un label d’efficacité énergétique désigné « ENERGY STAR » (figure 3.8).

Figure 3.8 : Logo du label ENERGY STAR

Le symbole ENERGY STAR, est une façon simple et rapide pour les consommateurs de trouver et d’acheter les appareils électroménagers et les équipements les moins consommateurs d’énergie dans leur catégorie vendus sur le marché. Un des critères requis par ce label est une gestion automatique de la consommation d’énergie permettant de réduire la consommation en cas de faible sollicitation, ou encore de mettre en veille ou d’arrêter l’équipement. Le tableau (3.22) présente une comparaison entre les puissances standards et les puissances des ordinateurs proposés par ENERGY STAR. Tableau 3.22 : Exemple de puissance d’ordinateur économique et standard (en W)

Actif 250 25 22

STANDARD Attente 20 5 11

Arrêt 10 5 3

ECONOMIQUE (Energy star) Actif Attente Arrêt 100 10 5 25 1,2 1,2 12 4 3

Le choix de ce type d'équipement en micro-informatique est conseillé lors de l'achat de nouveaux matériels. Des gains d’économie sensibles peuvent, en particulier être apportés

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

dans le cas d'une utilisation ponctuelle du matériel (environ 50 % d'économie d'énergie pour 4 h d'utilisation discontinue dans la journée) [13].

3.4.3. Activation du gestionnaire de veille Le gestionnaire d’énergie est un dispositif permettant, après un délai de non utilisation fixé par l’usager, de placer automatiquement un équipement en mode veille. L’activation du gestionnaire de veille d’un ordinateur est une source d’importante économie d’énergie. Ce gain en énergie dépend de la durée de fonctionnement en mode veille des équipements. On peut l’augmenter en associant cette mesure à la suppression de la consommation à l’arrêt (barrette multiprises).

3.4.4. Suppression de la consommation à l’arrêt Grâce à une barrette multiprise avec interrupteur, on peut facilement supprimer la consommation à l’arrêt des équipements électriques dans le bâtiment principal de l’ENSI. Quand l’usager éteint son ordinateur, il suffit qu’il actionne en même temps l’interrupteur de la barrette pour supprimer toute consommation à l’arrêt. En moyenne pour les ordinateurs ne possédant pas de gestion d’énergie (écrans présentant une consommation à l’arrêt ou non), la suppression de la consommation à l’arrêt permet d’économiser environ 5% de leur consommation totale [13].

3.5.

Analyse de la consommation en dehors des heures ouvrées

Pour effectuer cette analyse, nous avions effectué des mesures de courant appelés à certaines heures d’inoccupation.

3.5.1.

Campagne de mesure

Les mesures de la consommation électrique effectuées dans le cadre de notre projet d’audit énergétique se sont étalées sur une durée d’une semaine, du 20/05/13 au 26/05/13. L’objectif est d’établir l’histogramme présentant l’évolution des charges pendant les heures d’inoccupation afin d’analyser les consommations de fond (consommation

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

pendant des heures d’inoccupation) et de déduire le gisement d’économie d’énergie accessible grâce à une utilisation responsable des équipements. Les mesures de consommation se traduisent par les prises des valeurs des courants sur les trois phases alimentant le bâtiment. Ces mesures ont été effectuées avec des pinces ampèremétriques et ne présentent que les courants dus à la consommation d’énergie apparente. La consommation d’énergie active a été déduite en se servant du facteur de puissance Cos φ=0,9 pour la seule raison que seuls les équipements d’éclairage sont sensés fonctionner pendant les heures de relevés. Nous avions fait nos relevés pendant la nuit à des heures précises (06h, 19h et 20h). Les relevés des courants sont consignés dans le tableau (A-4.1) de l’annexe 4. A partir de ce tableau, nous traçons l’histogramme des charges.

Histogramme des charges aux heures d’inoccupation et gisement

3.5.2.

d’économie d’énergie La figure (3.9) représente l’histogramme des charges pendant les heures d’inoccupation du bâtiment principal de l’ENSI.

4 3,5

Puissance(kW)

3 2,5 2

Charge suplémentaire

1,5

Charge normale

1 0,5 0 6h 19h20h 6h 19h20h 6h 19h20h 6h 19h20h 6h 19h20h 6h 19h20h 6h 19h20h Lun 20-05 Mar 21-05 Mer 22-05 Jeu 23-05 Ven 24-05 Sam 25-05 Dim 26-05

Figure 3.9 : Profil type de consommation aux heures d’inoccupation

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Théoriquement, pendant les heures d’inoccupation (de 18h30 à 6h30), la charge totale en fonctionnement dans le bâtiment se limite aux équipements d’éclairage de l’extérieur, du hall, des escaliers et de certains équipements tels que le point d’accès wifi et les Switch. D’après le bilan de puissance, cette charge s’élève à 1,5 kW. La charge moyenne hebdomadaire calculée à partir de la figure (3.9) est de 2,5 kW soit un surplus de 1 kW. Ceci s’explique par des oublis d’arrêt de certains équipements électriques dans les locaux du bâtiment. Pour une semaine d’exploitation, nous enregistrons une consommation inutile de 84 kWh soit 2 688 kWh/an. Le gisement d’économie annuelle est très énorme.

3.5.3. Solution : sensibilisation des utilisateurs Pour annuler les consommations aux heures d’inoccupation et réduire les factures énergétiques, le meilleur moyen est de sensibiliser les utilisateurs sur l’importance d’éteindre et de débrancher tous les équipements électriques à la fin de la journée.

3.6.

Analyse du bâti et solution de rénovation

Les photos présentées en annexe 10 de ce document montrent que le bâtiment principal de l’ENSI nécessite des travaux d’amélioration du bâti pour pouvoir maintenir un certain niveau de confort et d’efficacité énergétique. En effet, il apparait sur ces photos que :  les portes et fenêtres ouvrant vers l’extérieur de certains locaux climatisés ne se ferme pas correctement et sont parfois ouvertes;  les parois extérieures du bâtiment sont détériorées. Cet état du bâtiment fait que le système de climatisation fonctionne en plein temps sans satisfaire les conditions thermiques imposées dans les locaux. Dans le cadre de notre projet, en vue de renforcer les performances énergétiques du bâti, nous proposons qu’un changement des menuiseries (portes et fenêtres extérieures) soit effectué. Pour diminuer les apports de charges extérieures à travers le vitrage, les baies vitrées peuvent être aussi sensiblement améliorées par des mesures appropriées telles que le double vitrage, la double fenêtre.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.7.

Cumul des gains d’énergie

En cumulant les solutions préconisées dans le cadre de ce projet, nous obtenons le gisement total d’économie d’énergie réalisable. Le tableau (3.23) présente les détails du cumul. Tableau 3.23 : Cumul des gains d’énergie

Solution

Economie d’énergie (kWh/an)

Economie financière (FCFA/an)

Réduction de GES (kgCO2/an)

Rénovation du système d’éclairage

7 864,9

707 844,1588

7 935,8

Eclairage ponctuel dans les laboratoires

577,9

52 012,8

583,12

Rénovation dans le système de climatisation

9 485,1

853 656,75

9 570,44

Mesures pour éviter les consommations des heures d’inoccupation

2 688

241920

2 712,2

TOTAL

20 615,93

1 855 433,7

20 801,5

L’ensemble des travaux réalisés, devrait engendrer une économie annuelle d’énergie de 20 615,93 kWh soit une économie financière annuelle de 1 855 434 FCFA et une réduction de 20 801,5 kgCO2/an.

3.8.

Diagnostic de performance énergétique de la future installation

Pour une économie d’énergie annuelle de 20 615,93 kWh et une réduction de 20 801,5 kgCO2/an, la quantité annuelle d’énergie primaire que va consommer désormais le

bâtiment, exprimée en kWh par m2 et par an et les niveaux d’émissions futurs de GES sont présentés par le tableau (3.24).

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

Tableau 3.24 : Diagnostic de performance de la future installation Energie en kWh/an

Surface utile (m²)

Energie en kWhep/ m².an

Emission de GES (kgCO2/m2.an)

45243,92

801

145

56

L’étiquette énergétique et de GES sont représenté à la figure (3.10).

145 kWh/m2.an

56 kgCO2/m2.an

(b)

(a)

Figure 3.10 : Etiquettes énergétique (a) et d’émission de GES (b) du bâtiment principal de l’ENSI

Après la réalisation des travaux préconisés par ce projet d’audit énergétique, le bâtiment principal aura une consommation de 145 kWhep/m2.an et sera responsable d’une émission de 56 kgCO2/m2.an. On le situe donc dans la classe énergétique C et dans la classe D des émissions de GES. Il sera désormais conforme à la réglementation thermique RT 2012 qui fixe le seuil de consommation à 150 kWhep/m2.an.

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Chapitre 3 : Analyse des données et propositions de solution d’amélioration

3.9.

Coût du projet d’audit énergétique

Pour réaliser ce projet d’audit énergétique, nous avions investi dans le matériel et dans la recherche. Le tableau (3.25) présente les détails de l’estimation du coût de notre étude. Tableau 3.25 : Estimation du coût du projet d’audit énergétique Désignation

Quantité

Prix unitaire (FCFA)

Total (FCFA)

Matériels Ordinateurs portables Core i3, 4 Go DDR3 Appareil de mesure : pince ampèremètrique

1

410 000

410 000

1

17 000

17 000

300

6 000

5 000

2 400 000

Connexion internet Temps de connexion

20 heures Main d’œuvre

Temps de travail

480 heures TOTAL

2 833 000

Pour s’offrir les résultats de nos travaux, le maître d’ouvrage doit débourser une somme totale de 2 833 000 FCFA qui représente le coût du projet d’audit énergétique.

3.10. Conclusion Après une analyse critique de l’existant portant sur divers aspects, nous sommes amenés à faire une série de propositions qui ont été évaluées en termes de coût et de rentabilités. L’application de ces préconisations à conduit finalement au classement du bâtiment dans la classe énergétique C et dans la classe D des émissions de GES.

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Conclusion générale

CONCLUSION GENERALE

CONCLUSION GENERALE

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Conclusion générale

L’étude de l’efficacité énergétique du bâtiment principal de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs (ENSI) qui a fait l’objet de ce présent document révèle que le bâtiment principal est classé dans les bâtiments énergivores selon la réglementation thermique RT 2012. En effet, les installations d’éclairage et de climatisation engendrent une consommation de 213 kWhep/m²/an contre 150 kWhep/m²/an exigé par la RT 2012. Ceci s’explique par la forte puissance d’éclairage installée et l’état surdimensionné du système de climatisation dans certains locaux du bâtiment. Pour atteindre une efficacité énergétique, il est indispensable que le système d’éclairage soit conforme aux exigences de la RT 2005 (une réglementation thermique précédente à celle de 2012 mais qui reste applicables pour des besoins d’éclairage) et que l’ensemble des climatiseurs installés soit performant et bien dimensionné. Les différentes sources d’économie d’énergie que nous avions pu identifier lors de l’analyse des différents secteurs de consommation nous ont permis d’évaluer le gisement d’économie d’énergie réalisable. Des propositions de solutions ont été effectuées pour une efficacité énergétique accrue. On devrait ainsi pouvoir faire passer la consommation moyenne annuelle de 76427 kWh à 55811 kWh soit une réduction de 27%. Ainsi, sur l’étiquette énergétique, le bâtiment passe de la classe D à la classe C et sur l’étiquette des émissions de GES, il passe de la classe E à la classe D. Ces améliorations sont souvent techniquement simples, mais nécessitent parfois des équipements qui, sans être pour autant complexes, ne sont pas présents sur le marché, faute d’une demande suffisante. Ce projet d’audit énergétique vient contribuer d’une part, à réduire les dépenses de consommation d’énergie électrique et d’autre part, à réduire les émissions de GES. Les enjeux sont donc tant économiques qu’écologiques.

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Références bibliographiques

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

1

ASSOCIATION FRANÇAISE DE L’ECLAIRAGE (AFE) : «Recommandations

relatives à l’éclairage intérieur des lieux de travail : Normes NF EN 12464-1», Octobre 1993 ; 2

Centre d’Etude et de formation Génie Climatique COSTIC : «Guide technique de la climatisation individuelle», Nouvelle édition, SEDIT Editeur, France, 1995 ;

3

Centre Régional pour les Energies Renouvelables et l’Efficacité Energétique de la CEDEAO (CEREEC) : « Politique sur l’efficacité énergétique de la CEDEAO », Septembre 2012 ;

4

DEGUE Kwassi Holali : «Etude de la demande d’énergie au TOGO à l’horizon 2030, options d’atténuation de gaz à effet de serre(GES)», Projet de fin d’études d’ingénieurs, Université de Lomé, ENSI, Juillet 2011 ;

5

DAKPUI Kossi Kaleti : « Comment favoriser l’électrification du milieu rural en vue d’améliorer les conditions de vie des populations pauvres ? Le cas du Togo.», Mémoire de Master Economie et Développement International, Département maitrise d’ouvrages publiques et privés, Université d’Auverge, Marseille 2009 ;

6

GHURBURRUN Reena, SETTA Faïza et TOULZE Benjamin : «L’éclairage des locaux de travail», Projet de fin d’études pour l’obtention du master prévention des risques et nuisances technologiques, Université de Marseille, 20042005 ;

7

HOUESSE et KALEGORA Léè-homa : «Audit énergétique du bâtiment abritant le siège de la banque ouest africaine de développement», Mémoire d’ingénieur, ENSI-UL, Novembre 2009 ;

8

Institut de l’énergie et de l’environnement de la Francophonie : «Efficacité énergétique de la climatisation en région tropicale Tome 1 et 2».

9

Ministère des mines et de l’énergie du Togo, Direction générale de l’énergie : « Système d’Information énergétique du Togo », Rapport 2007 ;

10

Organisation internationale de la francophonie (OIF) et HELIO international : « Traitement de l’Information pour les Politiques Energétiques favorisant l’Ecodéveloppement (TIPEE)», Rapport-TOGO2011 ;

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Références bibliographiques

11

Roger Cadlergues : «Les calculs d’éclairage», Guide RefCad nR27.a, Mars 2009 ;

12

Schneider Electric : «Guide de la compensation d’énergie réactive et du filtrage des harmoniques», Guide experts basse tension N°6 ;

13

Yézouma Coulibaly : «Economie d’énergie dans le bâtiment et dans l’industrie», Cours pour master génie énergétique et énergies renouvelables de 2iE, Décembre 2010 ;

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Annexes

ANNEXES

ANNEXES

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ANNEXE 1 : Plans du bâtiment principal de l’ENSI

PLAN COTE RDC

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PLAN COTE ETAGE

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ANNEXE 2 : Les Tableaux des coefficients utilisés dans le calcul des apports thermiques

Tableau A-2.1: Coefficients globaux de transmission thermique k des parois (mursplanchers toitures-vitrage-terrasses-portes) en W/m2 °C

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Tableau A-2.2 : Différence de température entre les différentes faces des parois

Tableau A-2.3 : Coefficient α pour les murs, toits et fenêtres

Tableau A-2.4 : Facteur de rayonnement solaire

NB : Interpoler pour les coefficients intermédiaires

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Tableau A-2.5: Facteur de réduction g pour les fenêtres protégées

Figure A-2.1: Types d’orientation des locaux à climatiser

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Tableau A-2.6: Orientations des locaux pour déterminer l’heure de réfrigération maximale

Tableau A-2.7: Intensité de rayonnement solaire sur les murs (m) et vitrage (v) en W/m2, Latitude 8°N (Mars)

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Annexes

Tableau A-2.8 : Débit de renouvellement d’air nécessaire dans les locaux climatisés et nombre de personne au m2 par type de locaux

Tableau A-2.9: Chaleur dégagée par les personnes [W]

Tableau A-2.10 : Chaleur dégagée par l’éclairage

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Tableau A-2.11 : Appareillages électrique et à gaz

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Annexes

ANNEXE 3 : COP minimum recommandé

Tableau A-3.1 : COP minimum recommandé

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Annexes

ANNEXE 4 : Relevés des courants

Tableau A-4.1: relevés des mesures de courant sur les phases

Date

20-mai

21-mai

22-mai

23-mai

24-mai

25-mai

26-mai

horaires

I1

I2

I3

Puissance active (kW)

06 : 00

4,76

6,06

6,58

3,4

19 : 00

4,12

6,15

6,35

3,29

20 : 00

3,98

6,05

6

3,17

06 : 00

4,12

6,05

6,35

3,27

19 : 00

2,98

4,35

5,23

2,48

20 : 00

3

4,5

5,15

2,50

06 : 00

3,15

4,25

5

2,45

19 : 00

2,12

3

3,4

1,68

20 : 00

2,5

2,98

3,98

1,87

06 : 00

2,12

3,2

3,95

1,83

19 : 00

4,2

5

4,8

2,77

20 : 00

4,12

4,95

4,12

2,61

06 : 00

4,3

4,9

4,5

2,71

19 : 00

2

3,52

5

2,08

20 : 00

2

3,25

5,15

2,05

06 : 00

4

3,2

5,1

2,43

19 : 00

2

3,25

4,15

1,86

20 : 00

2,58

3,2

4,1

1,95

06 : 00

2,41

3

4

1,86

19 : 00

4,89

5,12

4,15

2,80

20 : 00

4,8

5,15

4

2,76

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Annexes

ANNEXE 5: Tableau d’utilance U (pour J=0)

𝜌𝑝 est la réflectance du plafond et 𝜌𝑚 est la réflectance des parois verticaux (murs)

Pour le choix des réflectance consulté l’annexe suivant

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Annexes

ANNEXE 6 : Les facteurs de réflexion des parois

Matériau

Facteur de réflexion

Matériau

Facteur de réflexion

Enduit de plâtre blanc (neuf) Enduit de plâtre blanc (vieux) Plafond blanc Béton gris Bois clair Chêne sombre, acajou Teintures jaunes

0,7 – 0,80

Tentures rouges

0,1 – 0,20

0,3 – 0,6

Teintures bleues

0,1 – 0,20

0,65 – 0,70 0,05 – 0,15 0,40 – 0,65 0,15 – 0,40 0,30 – 0,45

Teintures grises Papier peint noir Aluminium poli Brique (neuve) Brique (vieille)

0,15 – 0,25 0,03 0,65 – 0,75 0,10 – 0,30 0,05 – 0,15

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Annexes

ANNEXE 7 : Les sources de lumière

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Annexes

ANNEXE 8 : CATALOGUE D’ECLAIRAGE [sylvania.com]

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Annexes

ANNEXE 9 : Fiche technique des climatiseurs ROYAL AIR

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Annexes

ANNEXE 10 : Photos du bâtiment principal de l’ENSI

Photo A-10.2

Photo A-10.1

Photo A-10.3

Photo A-10.4

Photo A-10.5

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Photo A-10.6

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UNIVERSITE DE LOME (U.L.) ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (E.N.S.I.)

ETUDE DE L’EFFICACITE ENERGETIQUE DU BATIMENT PRINCIPAL DE L’ECOLE NATIOANALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI)

MEMOIRE DE FIN D’ETUDE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

Présenté et soutenu par : HOEGAN Kossi Mawulom

Résumé La cause principale du réchauffement climatique est les émissions provenant de la production d’énergie à partir de combustibles fossiles. L’extraction et l’utilisation de ces combustibles sont également responsables de la pollution. Le meilleur moyen de réduire les dégâts que subit notre planète est de mettre en œuvre des mesures pour améliorer les rendements énergétiques. Ces mesures sont importantes non seulement pour le secteur industriel mais aussi pour le secteur du bâtiment. Au niveau mondial, le secteur du bâtiment représente à lui seul plus de 32 % de la consommation d’énergie finale et contribue à hauteur d’un tiers environ à des émissions de CO2. Il constitue donc un fort potentiel d’amélioration aussi bien sur le plan énergétique que sur le plan environnemental. Le projet d’audit énergétique du bâtiment principal de l’ENSI vise la réalisation d’économies d’énergie et de ce fait, une réduction des niveaux d’émission de gaz à effet de serre dans le bâtiment. Partant d’une appréciation des niveaux réels de consommation énergétique, nous avions pu quantifier le gisement d’économie d’énergie électrique afin de proposer des interventions d’améliorations pour la maîtrise de la consommation d’énergie rentable économiquement. L’enjeu du projet est tant économique et qu’écologique.

Juillet 2013