Audits énergétiques des bâtiments

Transcription

par
Jean-Pierre BRASSELET
Ingénieur des Travaux Publics de l’État
Cofondateur du Bureau d’Études OASIIS (Office d’Audit Énergétique, de Service
Informatique et d’Instrumentation Spécialisée)
Frédéric FRUSTA
DUT Mesures Physiques
Cofondateur du Bureau d’Études OASIIS
et
Michel CLERJAUD
Maître ès Sciences, DEA Échanges thermiques
Directeur du Département Thermique-Incendie-Pression à CEP (Contrôle et Prévention)
1.
1.1
1.2
Principe général des audits...................................................................
Objectifs........................................................................................................
Méthodes......................................................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Différents niveaux d’analyse ................................................................
Conseil d’orientation énergétique (COE) ...................................................
Diagnostic thermique (DT)..........................................................................
Diagnostic énergétique (DE) .......................................................................
Audit énergétique instrumenté (AEI) .........................................................
Auscultations détaillées ..............................................................................
—
—
—
—
—
—
3
3
4
5
5
6
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Outils d’analyse énergétique ................................................................
Outils du conseil d’orientation énergétique ..............................................
Outils du diagnostic thermique ..................................................................
Outils du diagnostic énergétique ...............................................................
Outils de l’audit énergétique instrumenté et de l’auscultation................
—
—
—
—
—
7
7
7
7
7
4.
4.1
4.2
Instrumentation des analyses énergétiques ....................................
Appareils utilisés en diagnostic classique.................................................
Appareils utilisés en analyse détaillée (audit instrumenté et
auscultation)
Méthodes de mesure...................................................................................
4.3.1 Bilan global d’une chaufferie.............................................................
4.3.2 Coefficient de performance d’un groupe frigorifique......................
—
—
10
10
—
—
—
—
10
12
12
13
—
14
4.3
5.
Exemple : auscultation d’un système de production d’eau
chaude sanitaire .......................................................................................
B 2 235
8 - 1994
Pour en savoir plus...........................................................................................
B 2 235 - 2
—
2
—
2
Doc. B 2 235
onfrontés aux deux chocs pétroliers de 1973 et 1979, la plupart des pays
développés ont engagé, dès la fin des années 1970, des actions nationales
en faveur des économies d’énergie. Dans les secteurs de l’habitat et du tertiaire, qui représentent près de 40 % des consommations d’énergie, l’effort a
été mené dans deux directions :
— la construction neuve ;
— les bâtiments existants.
Contrairement au cas des bâtiments neufs, pour lesquels des réglementations de plus en plus exigeantes sur le plan énergétique ont été promulguées,
très peu de contraintes d’ordre réglementaire sont appliquées aux bâtiments
existants.
C
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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 235 − 1
AUDITS ÉNERGÉTIQUES DES BÂTIMENTS ___________________________________________________________________________________________________
Le souci croissant des gestionnaires de patrimoine en matière de maîtrise de
leurs dépenses de chauffage ou de climatisation a incité l’ingénierie de la thermique (bureaux d’études et ingénieurs-conseils) à mettre au point une panoplie
complète de prestations aptes à répondre à ce type de préoccupations. Cet
effort d’innovation a conduit à l’élaboration de nombreuses méthodes.
Ces méthodes doivent permettre de traiter, de façon proportionnée, les
différents secteurs de l’habitat et du tertiaire concernés, depuis la maison individuelle jusqu’à l’hôpital en passant par le petit immeuble d’habitation et la piscine municipale ; pour convaincre les différents décideurs, maîtres d’ouvrage
publics ou privés, petits et grands, elles doivent leur apporter, en matière de
maîtrise des charges d’exploitation et d’améliorations du confort, des réponses
précises et crédibles, plus ou moins étayées par des ratios, relevés, mesures,
calculs, simulations, etc. selon leur niveau de complexité.
Précisons cependant que, quelle que soit la méthode, la qualité de la prestation dépend essentiellement des compétences du bureau d’études ou de
l’ingénieur-conseil. Celles-ci relèvent, bien sûr, des techniques du bâtiment et
de la thermique scientifique, mais aussi de l’expérience acquise empiriquement
sur le terrain.
Le lecteur se reportera utilement aux articles Déperditions thermiques et
besoins de chauffage d’un logement [B 2 210] et Comportement thermique
dynamique des bâtiments [B 2 041] dans ce traité.
1. Principe général des audits
1.1 Objectifs
L’audit énergétique a pour but d’analyser les consommations
énergétiques d’un bâtiment existant, en rapport avec les caractéristiques et l’état du bâtiment lui-même et de tous les équipements
consommant de l’énergie et, cela, sans oublier la finalité de ces
consommations, à savoir un certain niveau de bien-être en température, humidité relative, qualité de l’air, éclairage, etc.
Ces consommations étant souvent jugées excessives et coûteuses, il convient de déterminer les moyens les plus appropriés
pour y remédier.
En conséquence, que l’audit soit un simple diagnostic thermique
ou un audit instrumenté complet, l’objectif est d’établir un document permettant à un maître d’ouvrage de choisir des travaux
adaptés :
— à son bâtiment et à ses équipements ;
— à ses objectifs de confort ;
— à ses possibilités financières.
Ce document, étayé par des données techniques et financières
précises, se doit d’être exhaustif, impartial et indépendant de
toute considération commerciale.
Enfin, le coût de son établissement doit être proportionné à la
dépense énergétique globale annuelle du bâtiment, ainsi qu’aux
économies escomptées.
1.2 Méthodes
Toutes les méthodes de diagnostic sont basées sur le même
principale général. Ce principe consiste à comparer une consommation réelle d’énergie (factures, relevés de compteurs, etc.) et une
évaluation de la consommation théorique d’énergie. Cette
B 2 235 − 2
consommation théorique est obtenue par calculs. Leur complexité
dépend des systèmes étudiés (chauffage, climatisation, éclairage,
etc.) et du niveau de modélisation (statique, dynamique).
Pour le cas simple de la consommation de chauffage d’un bâtiment, cette consommation théorique est approchée par une formule de type :
24 G V DJ – A
C = ---------------------------------------η
avec
G (W/m3 · K)
coefficient
de
déperdition
volumique moyen du bâtiment,
V (m3)
DJ (K · j)
volume chauffé du bâtiment,
degrés-jours au lieu considéré (tenant
compte du comportement des usagers),
rendement moyen annuel global de l’installation de chauffage,
apports gratuits.
η
A (Wh)
thermique
Dans le cas de l’audit énergétique d’un hôpital climatisé, il faut
pouvoir :
— d’une part, différencier les consommations réelles d’énergie
poste par poste, ce qui n’est pas toujours évident ;
— d’autre part, calculer des consommations théoriques probables pour chacun des postes : climatisation, éclairage, ascenseurs,
etc. [15].
Quelle que soit la méthode, la détermination des différents paramètres qui interviennent dans les calculs est faite par analyse des
éléments relevés (ou enregistrés) sur site, principalement au
niveau :
— du bâtiment ;
— des équipements ;
— du comportement des usagers.
■ Analyse du bâtiment
L’audit est basé sur le relevé in situ de toutes les données nécessaires au calcul : composition, dimensions et état de toutes les
parois, de façon à pouvoir déterminer les coefficients de déperditions surfaciques ou linéiques.
__________________________________________________________________________________________________ AUDITS ÉNERGÉTIQUES DES BÂTIMENTS
La connaissance de la composition exacte des parois est souvent
délicate, compte tenu de l’absence fréquente de plans et descriptifs, le carottage étant exclu et les systèmes de mesures (fluxmètre,
thermographie infrarouge, etc.) insuffisamment précis.
Outre l’aspect quantitatif, il est indispensable de mettre en
exergue les relations entre l’état général du bâtiment (état des
parois, état et étanchéité des ouvrants, humidité, etc.) et le confort
thermique.
L’analyse du bâti doit également permettre d’apprécier le taux de
renouvellement d’air du bâtiment, paramètre qui pose beaucoup de
difficultés compte tenu des nombreux paramètres qui interfèrent et
de méthodes de mesure quasi inexistantes, de façon pratique.
■ Analyse des équipements
L’analyse de tous les équipements concourant à la
consommation énergétique du bâtiment doit permettre, pour
chacun d’eux, d’obtenir des rendements moyens annuels d’utilisation. Cela concerne donc principalement :
— les installations de production / distribution / émission de
chaud ou de froid ;
— les installations de production / distribution d’eau chaude
sanitaire ;
— les installations de ventilation mécanique ;
— les installations d’éclairage ;
— les ascenseurs et équipements de transport mécanique ;
— etc.
L’analyse des équipements doit être accompagnée par un certain
nombre de mesures, relevés et enregistrements, permettant
d’apprécier les réglages, les points de consignes, le fonctionnement
et les performances des équipements. Ces éléments ne pouvant pas
toujours être obtenus dans les conditions idéales, il est
indispensable de pouvoir les recouper par des informations
recueillies directement auprès des utilisateurs et usagers.
■ Analyse du comportement des usagers
L’audit de tout bâtiment nécessite une collecte directe d’informations auprès des utilisateurs et des usagers. Ces informations
concernent : l’affectation et les durées d’occupation des locaux, les
périodes de mises en service des équipements, les points de
consignes des régulateurs, etc. Toutes les remarques ou critiques
doivent être prises en compte ; elles ne manquent pas en général.
L’auditeur doit, bien évidemment, faire preuve de clairvoyance et
d’objectivité, pour forger son opinion par comparaison avec ses
propres relevés, mesures et analyses.
2. Différents niveaux
d’analyse
Plusieurs types d’analyse peuvent être menés, selon que le maître
d’ouvrage souhaite obtenir un bilan global sur un patrimoine ou
qu’il désire résoudre un problème ponctuel sur une installation.
L’importance de l’enjeu en termes d’économie d’énergie et la destination du bâtiment sont également des facteurs prépondérants
dans la détermination du niveau d’analyse à mettre en œuvre.
Cinq grandes classes de prestations peuvent être distinguées :
— le conseil d’orientation énergétique (COE), appliqué à un
patrimoine important ou à un bâtiment complexe ;
— le diagnostic thermique (DT), destiné aux bâtiments d’habitation ou tertiaires uniquement chauffés ;
— le diagnostic énergétique (DE), semblable au diagnostic thermique mais s’appliquant aux systèmes complexes ;
— l’audit énergétique instrumenté (AEI), orienté vers les bâtiments tertiaires complexes généralement climatisés ou rafraîchis,
au moins pour partie ;
— l’auscultation, dédiée aux installations ou éléments d’enveloppe.
2.1 Conseil d’orientation énergétique
(COE)
Le conseil d’orientation énergétique est un prédiagnostic réalisé
en amont des autres études techniques et qui a pour but d’évaluer
le gisement d’économies d’énergie pour un bâtiment ou
l’ensemble d’un patrimoine (une commune par exemple).
■ Les objectifs assignés au conseil d’orientation énergétique sont
les suivants :
— identifier les enjeux en termes énergétiques et économiques ;
— choisir le ou les bâtiments, dans le cas d’un patrimoine, sur
lesquels un effort prioritaire doit être porté ;
— déterminer le type d’étude complémentaire à mener
(diagnostic, audit, étude de faisabilité, négociation de contrat, etc.) ;
— planifier une action de maîtrise de l’énergie.
L’essentiel de la démarche consiste à calculer un ensemble de
ratios de consommation d’énergie caractérisant le bâtiment ou le
patrimoine, puis à les comparer à une base de données soigneusement établie.
Voici quelques exemples de ratios significatifs :
— consommation d’énergie exprimée en francs par occupant,
par logement ou encore par m3 de volumes chauffés ;
— consommation en tep (corrigée degrés-jours DJU), par m2 ou
par m3, ou par logement ;
— consommation d’eau par utilisateur ;
— consommation d’électricité par m2 de surface de plancher.
Le choix de ces ratios doit être réalisé judicieusement. Il dépend
fortement de la destination du bâtiment ou du patrimoine étudié.
■ La base de données de référence doit avoir été établie à partir de
nombreuses observations et chaque classe de bâtiment ou typologie d’usage doit être représentée par un nombre suffisamment
important de cas. Une classe de bâtiment est le résultat du croisement de plusieurs caractéristiques :
— sa destination (hôpital, enseignement, bureaux, etc.) ;
— sa date de construction ;
— sa taille ;
— etc.
La comparaison entre les ratios particuliers et la référence donne
un aperçu global du bâtiment du point de vue énergétique et le
situe par rapport à la moyenne de sa classe. L’écart relatif entre le
ratio calculé et la référence permet d’estimer l’enjeu énergétique.
■ La réalisation d’un conseil d’orientation énergétique se déroule
en trois étapes :
— tout d’abord, une phase d’entretiens (interviews) avec les
échelons de décisions principaux du maître d’ouvrage (exemple :
un élu, un responsable de service technique, un gestionnaire), afin
d’évaluer leurs motivations et de recueillir les informations nécessaires à l’analyse et à l’établissement des ratios (contrats et factures de fourniture d’énergie, relevés de consommations d’énergie et
d’eau, description des bâtiments et des installations, mode
d’exploitation des installations, travaux déjà réalisés, existence
d’un suivi de gestion de l’énergie, formation du personnel,
pratiques du maître d’ouvrage en matière de financement, etc.) ;
— puis, une phase d’exploitation des informations recueillies ;
— enfin, une phase de rédaction du rapport (état des lieux énergétique du bâtiment ou du patrimoine) et de présentation des
conclusions sous forme de plan hiérarchisé regroupant l’ensemble
des actions pouvant être engagées :
• présélection du ou des bâtiments pour un diagnostic, au audit
énergétique, une étude de faisabilité, un suivi, etc. ;
• mise en place d’une gestion de l’énergie adaptée aux besoins ;
• opportunité de la création d’une fonction homme-énergie ;
• renégociations de contrat de fourniture d’énergie ou d’exploitation.
B 2 235 − 3
2.2 Diagnostic thermique (DT)
La définition du diagnostic thermique a été donnée en 1983 par
l’Agence française pour la maîtrise de l’énergie (aujourd’hui
Ademe) et son contenu a été fixé par un document intitulé Cadre
du diagnostic [1].
Le diagnostic thermique d’un bâtiment et de ses équipements
techniques consommant de l’énergie est une analyse qui vise à
établir un bilan énergétique complet et à évaluer les économies
d’énergie (donc financières) générées par des améliorations sur le
bâti et les installations. Les principaux équipements concernés par
ce type d’étude sont le système de chauffage, la production d’eau
chaude sanitaire et, selon la destination du bâtiment, certains
usages spécifiques de l’électricité (éclairage, bureautique, cuisine,
etc.).
trentenaire au cours d’une décade (10 jours). Une saison est définie
par une durée de chauffage, DCH, exprimée en jours. La méthode
est prévue pour des durées de chauffage pouvant atteindre 300
jours (soit 30 décades), c’est-à-dire du 1er septembre au 30 juin.
Un bilan énergétique en régime permanent (méthode statique)
est établi grâce à l’identification de tous les postes de consommations ou de pertes d’énergie.
Le bâtiment diagnostiqué est décomposé en volumes (ou zones)
regroupant des locaux thermiquement homogènes (même
consigne de température intérieure, usages identiques, structures
voisines, etc.).
En utilisant le formalisme retenu dans le guide du diagnostic
thermique publié par l’AFME [1], aujourd’hui l’Ademe, le bilan
énergétique du bâtiment s’établit comme suit :
COPRIMCHA + COPRIMEC = COPRIM
avec
Pour mémoire, quelques années après la publication du
Cadre de diagnostic, la notion plus large de diagnostic de
charge (DC) a été développée par l’Agence Nationale pour
l’Amélioration de l’Habitat (ANAH) dans le secteur du logement et par l’association Apogée dans le secteur du tertiaire.
En plus des dépenses de chauffage, le DC analyse l’ensemble
des coûts de fonctionnement et d’entretien d’un patrimoine
immobilier (exemple : ascenseurs, gardiennage, nettoyage,
eau froide, etc.) et propose des mesures de gestion et des
améliorations générant des économies financières.
Nous nous limiterons ici à l’exposé des techniques du diagnostic
thermique puisque ce sont généralement les consommations
d’énergie qui représentent la part prépondérante des charges
totales. C’est aussi dans ce domaine que les méthodes de calcul
présentent le plus d’intérêt. L’analyse des autres charges est
menée généralement par établissement de ratios (en francs par
logement, par unité de surface, etc.) et par comparaison à un référentiel judicieusement établi.
Un diagnostic thermique comporte les trois phases suivantes :
— description et examen du bâtiment et des installations ;
— exploitation et traitement des données :
• établissement du bilan,
• améliorations ;
— synthèse.
■ La première phase (description et examen) est destinée à réunir
l’ensemble des paramètres nécessaires à l’établissement d’un bilan
énergétique fiable. Un examen approfondi du bâtiment et de ses
installations permet d’obtenir ces paramètres par le relevé (par
exemple, dimensions, aspects, compositions, schémas, etc.), le
calcul (par exemple, résistance des parois), la mesure (par exemple,
rendement de combustion d’un générateur) ou par estimation (par
exemple, volume moyen d’eau chaude sanitaire consommé par
jour). Au cours de cette phase, il est indispensable de recueillir
toutes les informations concernant le mode d’utilisation des locaux
(températures, heures de fonctionnement), la nature et la quantité
d’énergie utilisée (factures), la gestion et l’exploitation des installations.
■ La deuxième phase (exploitation et traitement des données) se
décompose en deux parties :
— la reconstitution du bilan énergétique du bâtiment ;
— la détermination de toutes les améliorations techniquement
réalisables.
Nous présentons ici, en résumé, la méthode qui nous paraît la
plus fiable. Elle a été mise au point par R. Cadiergues et a fait
l’objet de nombreuses publications dans la revue Promoclim [1],
[2], [3], [4], [5], [6]. C’est une méthode décadaire, c’est-à-dire que
les conditions extérieures (la température essentiellement) sont
considérées comme constantes et égales à une valeur moyenne
B 2 235 − 4
COPRIMCHA
consommation d’énergie primaire pour le
chauffage (en kWh/an),
COPRIMEC
consommation d’énergie primaire pour la
production d’eau chaude sanitaire
(en kWh/an),
COPRIM
consommation d’énergie primaire totale
(en kWh/an).
●
COPRIMCHA + (TERCHA + PERCHA) x COPCHA
• Les besoins terminaux de chauffage, TERCHA, se déterminent
comme suit :
TERCHA = BB – AUT (en kWh/an)
avec
BB
besoins bruts : BB = U · HK (en kWh/an)
U (W/K) est le coefficient de déperdition (à
comparer pour mémoire au GV des méthodes
plus traditionnelles) : U = ΣKA + ΣkL + 0,34 Σq
K et k sont respectivement les coefficients de
déperditions surfaciques (W/m2 · K) et linéiques
(W/m · K) et A et L les surfaces des parois (m2)
et les longueurs de ponts thermiques (m),
Σ q (m3/h) la somme des débits de renouvellement d’air (ventilation et infiltration) ;
HK (kKh/an) est la caractéristique du climat et
des conditions de fonctionnement : comportement des occupants, ralentis de chauffage, régulation. Ce coefficient constitue le pivot de la
méthode et représente l’innovation essentielle
par rapport aux méthodes dites classiques. La
plupart des travaux de recherche ont été publiés
dans la revue Promoclim,
AUT
apports gratuits, ou plutôt la fraction utile des
apports gratuits, tient compte des apports par
les occupants, l’éclairage, l’ensoleillement. La
valeur de AUT dépend de l’importance relative
des apports gratuits totaux AG par rapport aux
besoins bruts BB définis plus haut. Plus ce rapport est grand, plus la fraction d’apports gratuits
récupérée dans le bilan est faible.
• Les pertes de distribution du système de chauffage, PERCHA,
(kWh/an), permettent de calculer le bilan énergétique à la sortie de
la chaufferie, et ce d’une façon plus précise qu’en employant la
notion de rendement de distribution ;
• COPCHA, coefficient sans dimension, caractérise le système de
production de chauffage. C’est, en réalité, l’inverse d’un rendement.
●
COPRIMEC = (TEREC + PEREC ) × COPEC
• Les besoins terminaux d’eau chaude sanitaire, TEREC, sont
déterminés par comptage d’eau chaude sanitaire lorsqu’il existe
ou, à défaut, en faisant appel à des données statistiques ;
• PEREC (kWh/an) permet de tenir compte des pertes de distribution de l’eau chaude sanitaire (par exemple : boucles) ;
• COPEC, coefficient sans dimension, caractérise le système de
production d’eau chaude sanitaire.
• Un premier bilan théorique est ainsi établi pour l’ensemble du
bâtiment et est comparé aux consommations réelles corrigées des
données climatiques. Tant que le bilan théorique n’est pas suffisamment proche des consommations constatées (factures), il est
nécessaire de vérifier l’ensemble des hypothèses et de recalculer
les consommations théoriques (calage).
Cette procédure itérative est un outil puissant d’analyse. Elle
pousse, en effet, le diagnostiqueur à vérifier et préciser les paramètres influants.
La notion de diagnostic thermique instrumenté (DTI) est
d’ailleurs issue de la difficulté d’évaluer certains paramètres et leur
évolution dans le temps.
Nous présentons au paragraphe 3 quelques exemples d’instrumentation.
Lorsque le bilan énergétique a été établi et vérifié, le diagnostiqueur est en possession d’un modèle prédictif du bâtiment étudié.
L’exploration de l’ensemble des améliorations techniquement
réalisables peut commencer. On peut classer ces améliorations en
deux familles :
— les améliorations sur le bâti ;
— les améliorations sur les installations.
Pour chaque amélioration, le diagnostic thermique présente une
fiche détaillée qui comprend :
— la description de la modification au niveau APS (avant-projet
sommaire) ;
— l’économie d’énergie (kWh/an ou tep/an) ;
— l’économie financière (F) ;
— le coût de l’amélioration (F) ;
— le temps de retour brut (an).
■ Dans la troisième phase du diagnostic thermique, la synthèse, le
diagnostiqueur propose plusieurs regroupements cohérents d’améliorations que l’on nomme couramment des programmes de travaux. Ces derniers sont décrits et l’économie d’énergie globale est
recalculée, ainsi que le temps de retour brut.
Selon le type de maître d’ouvrage, le diagnostiqueur joint également à son rapport un descriptif succinct des aides financières disponibles, ainsi que les différentes techniques de financement qui
lui sont applicables.
2.3 Diagnostic énergétique (DE)
L’objectif du diagnostic énergétique est strictement le même que
celui du diagnostic thermique, mais il porte sur des bâtiments et
installations plus complexes, où la seule prise en compte des
consommations relatives au chauffage et à la production d’eau
chaude sanitaire ne suffit plus ou nécessite des moyens d’analyse
et de calcul plus élaborés. Il concerne donc plus spécifiquement
des bâtiments du secteur tertiaire tels hôtels, hôpitaux, centres
administratifs, centres commerciaux, etc.
Si l’on prend l’exemple d’un centre commercial type hypermarché, la réalisation du bilan énergétique nécessite de prendre en
compte :
— les déperditions des parois par rapport à l’extérieur ;
— les déperditions par renouvellement d’air (ventilation + infiltration + ouvertures des portes) ;
— les apports de froid par les équipements frigorifiques alimentaires à l’intérieur de la surface du centre ;
— les apports de chaleurs sensibles et latentes par le public ;
— les apports par l’éclairage ;
— les apports solaires.
La méthode du diagnostic énergétique et l’outil informatique
associé doivent permettre de modéliser le fonctionnement du
centre commercial, de façon à calculer les consommations
énergétiques par zone et par catégorie d’équipement, à savoir :
— équipements de traitement de l’air : chauffage, ventilation,
climatisation ;
— installations frigorifiques : chambres froides, meubles ou
vitrines froides pour surgelés ;
— installations d’éclairage ;
— installations techniques diverses : fours de boulangeries,
laboratoires et ateliers, cafétéria, etc.
Cet exemple montre que, si l’articulation générale du diagnostic
énergétique reste similaire à celle du diagnostic thermique, la
complexité des installations nécessite d’utiliser des méthodes de
simulation plus élaborées que la méthode statique du bilan global
du diagnostic thermique.
Souvent, la complexité du système à diagnostiquer est telle que
le diagnostiqueur est conduit inévitablement à renforcer l’utilisation des instruments de mesure et d’enregistrement ; on passe
alors du diagnostic énergétique à l’audit énergétique instrumenté.
2.4 Audit énergétique instrumenté (AEI)
Plus les enjeux énergétiques et financiers deviennent importants, plus les moyens en appareils divers de mesure et d’enregistrement, associés à des modèles de simulation complexes et à des
outils informatiques puissants, deviennent indispensables pour
traiter correctement les problèmes. En effet, la complexité des bâtiments et des installations, et la prépondérance des facteurs inertie
et temps (forte intermittence), justifient l’emploi de méthodes de
simulation dynamique du comportement thermique du bâti et des
systèmes.
L’articulation générale de l’audit reste cependant identique à
celle du diagnostic énergétique, mais la phase de description et
d’examen du bâtiment et des équipements est généralement plus
importante ; de plus, le recours à la mesure et à l’enregistrement
de différents paramètres devient indispensable.
On distingue en général deux étapes :
— une première visite du bâtiment et des installations afin de
relever les caractéristiques dimensionnelles et thermiques, de
rechercher les éléments techniques disponibles (descriptifs, plans,
schémas, études déjà réalisées, factures, etc.) et de repérer les
lieux pour adapter la campagne de mesures aux conditions particulières du site ;
— la préparation de la campagne de mesures (choix des capteurs et de leur implantation) et son installation.
La durée d’une telle campagne est fixée en fonction du type de
bâtiment et de ses installations. Pour des raisons de coût, mais
aussi de rapidité dans la remise des conclusions, elle ne peut en
pratique excéder deux semaines. Fort heureusement, cette durée
est généralement suffisante pour permettre d’identifier le comportement thermique du bâti et des équipements.
Les matériels qui peuvent être mis en œuvre et leurs fonctions
les plus courantes sont décrits au paragraphe 4.2.
La figure 1 présente, à titre d’exemple, une amélioration particulière proposée au cours de l’audit énergétique instrumenté d’un
hôtel situé dans le Pacifique. Le tableau 1 récapitule l’ensemble
des améliorations proposées au cours de ce même audit.
(0)
B 2 235 − 5
Figure 1 – Amélioration particulière proposée au cours d’un audit énergétique d’un hôtel situé dans le Pacifique
Tableau 1 – Récapitulatif des interventions sur l’hôtel situé dans le Pacifique (étude faite en 1991)
Nature de l’intervention
Mise en place d’une toiture
Réaménagement du rez-de-chaussée
et de l’entresol
Récupération de chaleur pour l’eau chaude sanitaire
Remise en état du réseau d’eau glacée
Économie (1) (2)
9 300 kWh
11 000 F
3 925 kWh
4 600 F
69 900 kWh
73 000 F
12 500 kWh
15 000 F
Traitement de l’air neuf et remise en état des réseaux d’air
et de leur programmation
Amélioration de la production de froid (groupes Trane)
Isolation des ballons d’eau chaude sanitaire
Stockage de froid
/
42 800 kWh
45 000 F
130 000 kWh
136 000 F
85 000 kWh
87 000 F
Télésurveillance
/
Consommation
initiale annuelle
d’électricité (2)
(en %)
Coût de
l’intervention
(en F)
Temps
de retour
brut (2)
(en années)
1,2 %
310 000
/
0,5 %
71 000
/
9,2 %
54 000
0,7
1,6 %
85 000
5,7
/
435 000
5,7 %
49 000
1,1
17,2 %
82 000
0,6
11,2 %
1 200 000
12,8
/
270 000
/
/
(1) Les kWh indiqués sont des kWh électriques.
(2) Les barres (/) signifient que le temps de retour est très élevé ou qu’il n’y a pas d’économies d’énergie à réaliser mais que des travaux seraient nécessaires ou
souhaitables.
2.5 Auscultations détaillées
L’auscultation est une démarche spécifique dont l’objectif est
essentiellement d’identifier une pathologie ou de lever un doute
sur un système, un sous-système, voire un élément d’enveloppe
ou un comportement.
Le principe est simple : il s’agit de se donner tous les moyens de
mesure nécessaires afin de cerner sans restriction le fonctionne-
B 2 235 − 6
ment dynamique réel du système faisant l’objet de l’étude. L’optimisation des points de mesure n’est donc pas de rigueur dans ce
cas. Les conclusions de l’auscultation devant être sans faille, une
redondance partielle des paramètres mesurés doit être mise en
œuvre afin de permettre un contrôle de la cohérence des résultats.
Ce type d’investigation peut s’inscrire en complément des études précédentes lorsqu’elles font apparaître un certain nombre
d’incohérences (impossibilité de caler les bilans de consommations réelles et théoriques, écart démesuré entre les ratios de
consommations calculés sur un bâtiment et ceux correspondant à
la moyenne de sa classe d’appartenance, paramètres mesurés au
cours d’une campagne et incompatibles avec une logique de fonctionnement, etc.), ou de façon spontanée sur des observations flagrantes de dysfonctionnements (niveaux de consigne non atteints,
puissance insuffisante, etc.).
Les différents cas pouvant faire l’objet d’une auscultation sont de
natures très diverses. La méthode appropriée à chacun d’entre eux
est sélectionnée parmi l’ensemble des techniques pouvant être
mises en œuvre in situ. Quelques exemples sont exposés au
paragraphe 4.2. La durée de la campagne de mesures peut s’étendre de quelques heures à quelques jours selon l’importance et la
nature du problème, en restant généralement inférieure à une
semaine. Pour les systèmes complexes, la campagne peut éventuellement être réalisée en deux ou trois phases consécutives, le
contenu d’une phase étant dicté par les résultats de la phase précédente.
3. Outils d’analyse
énergétique
3.1 Outils du conseil
d’orientation énergétique
Ces outils sont essentiellement des bases de données de référence par rapport auxquelles les ratios sont comparés.
La qualité des outils est fonction :
— du nombre d’observations introduites dans le système ;
— du nombre de typologie d’usage ou de type de bâtiment en
fonction desquels les observations sont classées.
Ces outils sont généralement accessibles :
— soit directement sur Minitel ; ils constituent alors des outils
d’autoévaluation ;
— soit indirectement, après remplissage d’un bordereau et traitement par l’organisme gérant l’outil ;
— soit auprès d’organismes publics ayant publiés les résultats
d’enquêtes ou de travaux de recherche (Ademe, AICVF).
3.2 Outils du diagnostic thermique
■ Principe
Compte tenu du cadre général de diagnostic proposé par les
pouvoirs publics, et particulièrement par l’Ademe, la plupart des
logiciels de diagnostic thermique disponibles présentent un certain
caractère d’uniformité.
On peut cependant dissocier :
— les outils légers permettant, grâce à une saisie allégée et à
l’usage de ratios de consommation de référence, d’identifier des
types d’amélioration et d’orienter les maîtres d’ouvrage dans leur
choix ; ces outils s’apparentent à ceux utilisés en conseil d’orientation énergétique ;
— les outils détaillés, plus précis et plus exigeants, ayant
recours à des données si possible mesurées et destinées à des études thermiques assez fines.
■ Fonction
De façon générale, les outils informatiques contribuent à la réalisation des phases 2 et 3 (§ 2.2), à savoir l’exploitation des données et leur synthèse. Ces logiciels permettent le calcul des
consommations thermiques des bâtiments et des performances à
attendre des diverses améliorations envisageables, tant sur le plan
énergétique que financier.
La plupart des outils prennent donc en compte pour le calcul des
consommations :
— les déperditions thermiques des bâtiments avec ponts
thermiques parfois calculés, parfois forfaitisés, parfois non pris en
compte ; les taux de ventilation sont forfaitisés dans la quasi-majorité des cas ;
— les apports gratuits, par calcul ou plus généralement par
introduction directe d’une température de non-chauffage dont
l’appréciation est souvent arbitraire ;
— inertie ;
— l’intermittence des régimes d’utilisation (ralentis de nuit et de
week-end) ;
— les équipements, par l’intermédiaire des rendements de
combustion, de production, de distribution, d’émission et de régulation.
Des démarches variables selon les outils permettent la
comparaison entre les consommations théoriques calculées et les
consommations relevées par année, après pondération selon les
degrés-jours.
L’introduction des données économiques (coût des investissements pour les améliorations projetées, coût moyen de l’énergie,
etc.) permet l’édition d’un tableau de synthèse classant les améliorations en fonction de leur temps de retour brut (tableau 1). La plupart des logiciels permettent enfin de cumuler entre elles plusieurs
améliorations élémentaires.
Le catalogue des outils de conception thermique des
bâtiments [14], réalisé par l’atelier d’évaluation H2E85, a recensé
et évalué la plupart des outils de diagnostic thermique. Cependant, cette publication date un peu. De nouveaux outils sont
aujourd’hui disponibles et n’y figurent pas. D’autres y figurent
mais ne sont pas distribués.
3.3 Outils du diagnostic énergétique
La différence entre les outils du diagnostic thermique et ceux du
diagnostic énergétique réside :
— d’une part, dans la prise en compte pour les seconds de
l’ensemble des consommations énergétiques d’un bâtiment ou
d’un établissement ;
— d’autre part, dans l’utilisation d’une méthode de simulation
plus fine, généralement dynamique, du comportement thermique
du bâti et des systèmes.
Les outils du diagnostic énergétique sont quasiment les mêmes
que ceux de l’audit énergétique instrumenté.
3.4 Outils de l’audit énergétique
instrumenté et de l’auscultation
La phase d’exploitation et de traitement des données commence
par une étape de modélisation du bâtiment. Celle-ci fait très
largement appel aux méthodes de simulation du comportement
thermique dynamique du bâtiment (article Comportement thermique dynamique des bâtiments [B 2 041] dans ce traité).
■ Données nécessaires
Le bâtiment est décomposé en zones thermiquement
homogènes. Les parois composant chaque zone sont décrites
selon leur position et leur nature, définissant ainsi la géométrie et
les caractéristiques thermiques du bâtiment :
— parois opaques : épaisseurs, conductivités, capacités thermiques, masses volumiques des matériaux constitutifs, facteurs
d’absorption intérieur et extérieur, coefficients d’échange thermique superficiels intérieur et extérieur, surfaces, couplages éven-
B 2 235 − 7
tuels avec d’autres zones (échange d’air) et conditions aux limites
(extérieur, autre zone, zone elle-même) ;
— parois transparentes : conductances globales, coefficients
d’échange thermique superficiels intérieur et extérieur, facteurs de
transmission, d’absorption et de réflexion, surfaces et orientations.
Il est nécessaire ensuite de décrire les apports internes dus aux
occupants, à l’éclairage et aux divers appareils utilisés (bureautique,
équipements de cuisine, etc.). Pour chaque type d’apport et pour
chaque zone, les parts convective et radiative doivent être précisées,
ainsi que les apports d’humidité. Le profil de ces apports doit également être indiqué (temps d’occupation, programmes hebdomadaires, etc.).
Les taux d’infiltration et de ventilation pour chaque zone, les
puissances de chauffage ou de climatisation disponibles et les
niveaux de consigne de température et d’humidité achèvent la
description de l’ensemble des paramètres nécessaires à la simulation.
Les conditions météorologiques retenues pour réaliser la simulation sont celles que l’on peut généralement obtenir auprès de la
station météorologique la plus proche pour une année de référence judicieusement choisie (la plupart du temps il s’agit de la
dernière année complète pour laquelle des factures d’énergie sont
disponibles). Les données météorologiques disponibles sont les
suivantes (article Données climatiques utilisées dans le bâtiment
[B 2 015]) :
— données trihoraires (8 valeurs par jour) : température sèche,
humidité relative, vitesse et direction du vent, pression atmosphérique et nébulosité ;
— données horaires : rayonnement global, parfois rayonnements diffus et direct et durée d’ensoleillement.
■ Caractéristiques particulières des outils de simulation
dans le domaine de l’audit
Les outils de simulation doivent permettre :
— d’une part, d’entrer les données relevées sur le site ;
— d’autre part, de proposer des valeurs par défaut pour les
paramètres non relevés oui impossibles à relever.
L’ergonomie des entrées des logiciels est un élément très important (digitalisation des plans, interface conviviale, etc.) afin de limiter les risques d’erreurs de saisie ou d’interprétation et de réduire
les temps de saisie.
■ Méthodes d’exploitation
Afin de vérifier que ces données sont représentatives de la situation du bâtiment étudié, une station météorologique portable est
installée dans son voisinage direct. Les mesures ainsi réalisées
sont ensuite comparées aux données fournies par la Météorologie
Nationale pour la même période.
Le travail de modélisation étant réalisé, il est nécessaire de vérifier que le résultat des simulations est conforme à la réalité avant
de passer à la phase d’extrapolation.
C’est pourquoi plusieurs calages de nature différente sont
réalisés :
— calage fin du modèle : afin de vérifier que le comportement
dynamique du bâti sollicité par les charges internes et externes est
bien reproduit par le modèle informatique, les courbes d’évolution
de température, calculées et mesurées au pas de temps horaire,
sont comparées et ce, pour une ou plusieurs zones en évolution
libre. Cette vérification est faite sur la durée de la campagne de
mesures (figure 2). Les paramètres du modèle sont ajustés grâce à
l’analyse de ces courbes et des interprétations qui en découlent.
Cette procédure est répétée jusqu’à l’obtention de valeurs calculées suffisamment proches de la réalité.
— Une comparaison identique peut être réalisée sur l’humidité
relative lorsque ce paramètre est contrôlé ;
— calage par bilan sur la campagne de mesures : pour
compléter la validation du modèle, un premier calcul de
consommation d’énergie pour l’ensemble du bâtiment est réalisé
et comparé aux comptages que l’on aura pris soin de mettre en
place au cours de la campagne de mesures (figure 3). Une nouvelle procédure itérative est alors engagée afin d’approcher, par le
calcul, les consommations d’énergie constatées sur la période. Les
paramètres qui permettent cet ajustement sont généralement ceux
décrivant les performances des installations de chauffage ou de climatisation (rendement, efficacité, pertes, régulations, etc.) ;.
— calage annuel : le modèle ainsi reconstitué est testé sur une
année entière et les consommations d’énergie annuelles calculées
sont comparées cette fois aux consommations d’énergie facturées
au cours de l’année de référence (figure 3). Les ajustements sont
alors généralement réalisés par l’étude des variations saisonnières
de certains paramètres (taux de charge, efficacité d’échangeurs,
etc.). Ces trois niveaux de calage ayant été réalisés, le modèle informatique constitue une bonne représentation du comportement
énergétique réel du bâtiment et de ses installations. Il est alors possible de proposer des améliorations et d’utiliser le modèle pour prévoir les économies d’énergie potentielles ou l’effet sur le confort des
occupants.
■ Extension à l’optimisation des bâtiments neufs à usage tertiaire
Contrairement au secteur du logement, où la réglementation a
codifié les méthodes de calcul de consommations de chauffage de
référence, le secteur tertiaire fait figure de parent pauvre. La réglementation thermique y est, pour l’instant, assez faible et les techniques de conception utilisées par la plupart des bureaux d’études
en matière de chauffage et de climatisation ne sont pas à la hauteur des enjeux énergétiques et des exigences de confort des utilisateurs.
Figure 2 – Calage fin du modèle de l’hôtel du
Pacifique : résultat après calage
B 2 235 − 8
Figure 3 – Calage par bilan des consommations d’un bâtiment
d’habitation sur la durée d’une campagne de mesures
et calage annuel
Quelle que soit la destination de l’ouvrage (hôpital, bureaux,
administration, etc.), les quelques semaines au cours desquelles
maître d’ouvrage, architecte et bureaux d’études vont le concevoir
constituent la clef de voûte de la réussite du projet.
Le maître d’ouvrage a la responsabilité de définir un programme,
c’est-à-dire l’ensemble des exigences auxquelles l’ouvrage doit
répondre, tandis que l’architecte fait naître un projet ex nihilo et que
les bureaux d’études en évaluent la faisabilité tout en produisant les
documents techniques nécessaires à la réalisation. Ces différentes
phases prennent une place plus ou moins grande suivant le projet
(une supérette ou la Grande Arche). Trop souvent, le choix des
maîtres d’ouvrage en matière de systèmes et d’énergies repose sur
des opportunités ou des pressions commerciales diverses plutôt
que sur une réflexion et une analyse à long terme (puisqu’un bâtiment doit vivre de nombreuses dizaines d’années).
Dans la cas de projet de bâtiment important (centre hospitalier,
palais des congrès, centre administratif, etc.), il peut être judicieux
de mener une investigation approfondie. Une prestation nouvelle
est en train d’apparaître : l’optimisation énergétique assistée par
ordinateur.
Des outils informatiques permettant de mettre en œuvre des
méthodes de conception énergétique plus performantes existent
en effet. Ils sont encore peu connus et pratiquement pas utilisés en
France, contrairement à ce qui se passe chez nos voisins d’outreAtlantique. Ils s’appuient sur les techniques de modélisation du
bâtiment et des systèmes thermiques identiques à celles que nous
avons présentées au paragraphe 2.4.
Les progrès réalisés grâce à ces outils sont de trois ordres :
— calcul des besoins de chauffage heure par heure et dimensionnement optimisé par la simulation dynamique du comportement du
bâtiment ;
— analyse en évolution libre pour la période d’été et/ou calcul
des besoins de climatisation heure par heure ;
— détermination des consommations d’énergie prévisionnelles
et donc analyse en coût global de solutions techniques différentes.
Cette méthode permet d’intégrer à la conception d’un bâtiment
les préoccupations de confort et de charges de fonctionnement.
L’optimisation énergétique est une prestation complémentaire
aux missions d’ingénierie classiques, menée en concertation avec
l’équipe de concepteurs désignée par le maître d’ouvrage. Elle doit
intervenir le plus en amont possible (dès l’esquisse) et accompagner le processus de conception jusqu’à son terme. Au fur et à
mesure de l’augmentation du degré de précision du projet, cette
prestation fournit les éléments suivants :
— évaluation de la performance énergétique de la forme retenue
par l’architecte dans son environnement urbain (esquisse) et détermination des niveaux de confort prévisibles. Les caractéristiques
de l’enveloppe (du bâti) encore indéterminées à ce stade sont choisies parmi un ensemble de valeurs par défaut ;
— modifications successives des hypothèses précédentes au fur
et à mesure de l’avancée du projet et de concertations avec l’équipe
de concepteurs (avant-projet sommaire), premières évaluations de
consommations prévisionnelles dans le but de comparer en coût
global les différentes options envisagées en matière de systèmes
de chauffage et de climatisation ;
— évaluation finale de la consommation d’énergie annuelle prévisionnelle sur la base de l’avant-projet définitif.
Cette nouvelle démarche permet de fournir à l’architecte un
ensemble d’informations rassemblées sous le terme générique
d’évaluateurs énergétiques de projet.
Les méthodes de simulation dynamique sur lesquelles elle
s’appuie permettent d’éliminer les trop nombreuses approximations qui rendent les projets parfois médiocres :
— le comportement hygrothermique du bâtiment et de ses systèmes est reconstitué à partir des lois régissant les transferts thermiques. L’ensemble des équations correspondantes sont résolues
au pas de temps horaire (ou moins pour les systèmes) et ce, pour
des journées météorologiques types ou pour une période
quelconque (quelques jours ou un an) ;
— les apports internes sont pris en compte au moyen de scénarios journaliers et hebdomadaires, les apports externes (essentiellement solaires) sont évalués de façon précise (orientations exactes
des parois et fenêtres, calcul des masques proches et lointains,
ombres portées du bâtiment sur lui-même, prise en compte de
l’environnement) ;
— les conditions climatiques sont représentées par des fichiers
horaires de données météorologiques (température, humidité,
ensoleillement, vent) pour de longues périodes (annuelles ou
plus) ;
— la détermination des charges se fait par l’analyse de courbes
d’évolution de températures ou de puissances nécessaires zone par
zone et par l’exploitation de graphes de fréquences cumulées afin
d’évaluer l’inconfort éventuel d’un léger sous-dimensionnement,
etc.
Pour illustrer la méthode, la figure 4 présente le bilan prévisionnel annuel des besoins de chauffage et de climatisation d’un
hall d’exposition fortement vitré, avec une représentation en trois
dimensions de l’ensemble.
B 2 235 − 9
Figure 4 – Besoins de chauffage et de climatisation d’un hall d’exposition fortement vitré
4. Instrumentation
des analyses énergétiques
Les objectifs de l’utilisation de l’instrumentation dans les
méthodes d’analyse thermique des bâtiments sont multiples :
— levée des doutes sur la nature, le fonctionnement ou le mode
d’utilisation de divers éléments ou sous-systèmes ;
— évaluation individuelle des différents paramètres des
méthodes de calcul ;
— répartition des consommations par volume, zone ou bâtiment ;
— contrôle des données climatiques ;
— etc.
Il n’est pas possible de définir une méthode d’instrumentation
générale et universelle applicable à l’ensemble des types d’études
réalisables. L’importance des moyens de mesure mis en œuvre est
très variable et dépend de la démarche retenue et de la qualité des
résultats recherchée. Chaque étude étant un cas particulier, il
conviendra de lui associer une stratégie de mesure adaptée.
Compte tenu des conséquences financières de l’utilisation des
moyens de mesure, cette stratégie doit être conçue dans le souci
permanent de l’optimisation des moyens en matériels utilisés et en
temps. Il est fait usage le plus possible des éléments de comptage
existants (après vérification de leurs performances), judicieusement complétés par un ensemble de matériels utilisant des
techniques non intrusives. Dans le même esprit d’optimisation,
seuls les paramètres fondamentaux sont mesurés, en évitant les
redondances.
L’emploi de méthodes instrumentées n’est pas pour autant un
gage de précision et de sûreté des valeurs obtenues. La qualité du
matériel (performances intrinsèques, étalonnage, etc.), celle de sa
mise en œuvre (techniques appropriées, précautions, etc.) et le
savoir-faire de l’opérateur (formation, expérience) sont déterminants dans la réussite ou l’échec d’une campagne de mesure.
L’instrumentation est une affaire de spécialistes et doit être pratiquée par des individus suffisamment formés et dotés d’un esprit
« mesure » indispensable.
B 2 235 − 10
4.1 Appareils utilisés
en diagnostic classique
La quasi-majorité des appareils utilisés en diagnostic thermique
sont des appareils de mesure ponctuelle à réponse instantanée,
les appareils enregistreurs étant plutôt réservés aux analyses
détaillées, à savoir audits instrumentés et auscultations.
La liste ci-dessous, non exhaustive, regroupe les principaux
matériels nécessaires :
— analyseurs de gaz type fyrite ou appareil d’Orsat, pour les
mesures de concentration en CO2, O2, CO, dans les gaz de
combustion ;
— thermomètres à mercure ou à alcool, thermocouples ou
sondes à résistance métallique, thermistances ;
— manomètres type Bourdon, déprimomètres ;
— hydromètres et psychromètres ;
— mesureurs de débits : compteurs volumétriques, débitmètres
normalisés (diaphragmes, tuyères, venturis), anémomètres à fil
chaud, anémomètres à hélice et tubes de Pitot avec manomètres
inclinés à eau ;
— appareillages électriques : contrôleurs universels avec pinces
ampèremétriques ;
— moyens de laboratoires : analyseurs physico-chimiques des
eaux, calorimètres et viscosimètres.
4.2 Appareils utilisés en analyse détaillée
(audit instrumenté et auscultation)
Les appareils utilisés au cours des audits doivent posséder
comme caractéristiques principales, outre une précision cohérente
avec les objectifs de l’étude et une robustesse adaptée aux
conditions de la mesure, la portabilité et l’autonomie.
La liste de matériels ci-dessous n’est pas exhaustive, mais
regroupe une diversité d’appareils suffisamment importante pour
réaliser une campagne de mesures à l’occasion d’une analyse énergétique instrumentée (audit, auscultation). Tous ces appareils sont
adaptés aux techniques de mesures in situ et ont été éprouvés.
— Les enregistreurs numériques de type boîte blanche
(figure 5a ), permettent de mémoriser une quantité de valeurs
variant de 8 000 à 32 000, généralement issues d’un seul capteur.
Le pas de temps est prédéterminé et se situe dans les limites de 1 s
à 1 h, avec des valeurs intermédiaires fixes. Ces enregistreurs,
associés à des capteurs appropriés, réalisent des mesures de grandeurs telles que températures (ambiances, fluides, surfaces),
humidité relative, temps de fonctionnement d’un appareil (brûleurs, pompes, etc.), nombre d’impulsions émises par un organe
de comptage (compteurs d’eau, de combustibles, d’électricité,
etc.). Plusieurs enregistrements peuvent être effectués de façon
synchrone. Les valeurs mémorisées sont ensuite transférées vers
un micro-ordinateur via une interface et un logiciel spécialisé. Elles
peuvent ainsi être exploitées sous forme de fichiers.
— Les débitmètres à ultrasons (figure 5b ), utilisant le principe
de la différence de temps de transit, permettent de réaliser des
mesures de débits de fluides liquides dans des canalisations en
charge. Deux sondes sont apposées à l’extérieur de la tuyauterie.
Les mesures peuvent être effectuées quels que soient le niveau du
débit, la nature du fluide ou de la canalisation. Seuls les diamètres
très faibles (inférieurs à 5 mn) et très grands (supérieurs à 2 m)
représentent un obstacle à l’utilisation de ces appareils. La réalisation d’une mesure prend environ 30 min et nécessite la préparation
de la surface extérieure de la tuyauterie (dépose de l’isolant, ponçage des couches de rouille et de peinture, etc.).
— Les analyseurs de réseau électrique (figure 5c ) autorisent la
mesure de tous les paramètres électriques d’un réseau mono ou
triphasé (intensités, tensions, facteurs de puissance, puissances
actives et réactives, fréquence, énergie consommée), selon une
cadence minimale dépendant du type d’appareil, mais inférieure à
1 min. Les mesures sont réalisées par la prise directe des tensions
sur le réseau et par des pinces ampèremétriques. Reliés à un
micro-ordinateur, ces appareils permettent l’enregistrement direct
des paramètres mesurés sous forme de fichiers. Il est possible également d’équiper ces analyseurs de mémoires, afin de stocker les
données recueillies. Ces mémoires sont ensuite lues grâce à une
liaison avec un micro-ordinateur.
— Les anémomètres à fil chaud sont utilisés pour mesurer la
vitesse de l’air à l’intérieur d’un réseau de distribution aéraulique.
La mesure de cette grandeur permet de déterminer le débit d’air en
appliquant une méthode d’intégration du profil de vitesse [13]. Utilisés avec un cône approprié, les anémomètres autorisent la
mesure de débits directement aux bouches d’extraction et de soufflage.
— Les analyseurs électroniques de combustion fournissent principalement la valeur du rendement instantané de combustion à
partir de la mesure de la température de fumée, du taux d’oxygène
(ou de gaz carbonique) et du type de combustible. Ils mesurent
également la valeur du pourcentage d’imbrûlés.
— Les stations météorologiques portables offrent la possibilité
d’enregistrer les différents paramètres météorologiques
nécessaires aux études énergétiques : température sèche de l’air,
humidité relative, pression atmosphérique, vitesse et direction du
vent, rayonnement solaire global sur un plan horizontal (la cadence
et la durée des enregistrements sont choisis par l’opérateur). Les
valeurs des paramètres, stockées dans les mémoires de la station,
sont ensuite transférées vers un micro-ordinateur et exploitées
sous forme de fichiers.
Quelques fournisseurs sont donnés en fin de l’article, dans Pour
en savoir plus [Doc B 2 235]
Figure 5 – Appareils utilisés en audit instrumenté
B 2 235 − 11
4.3 Méthodes de mesure
Les méthodes de mesure in situ applicables à l’énergétique du
bâtiment sont diverses et nombreuses. Nous ne décrirons ici succinctement que quelques-unes d’entre elles. On se reportera à la
littérature [9], [10], [11], [12], [13] pour des informations complètes
et détaillées.
4.3.1 Bilan global d’une chaufferie
Il s’agit d’un paramètre très important des analyses
énergétiques. La méthode mise en œuvre pour le déterminer permet non seulement de connaître la quantité d’énergie et la puissance cédées aux bâtiments, mais également :
— d’effectuer la répartition des consommations pour les différents bâtiments, volumes ou sous-volumes ;
— d’évaluer l’origine des différentes pertes (combustion,
balayage, rayonnement) ;
— de déterminer le taux de charge du ou des générateurs.
Ce bilan de chaufferie est réalisé sur une période minimale de
deux à trois semaines, au cours desquelles les sollicitations du système doivent être suffisamment variées pour autoriser une extrapolation annuelle des résultats (amplitude de température
extérieure d’une dizaine de degrés, taux d’occupation représentatif
du taux moyen annuel).
■ Mesure des consommations
Il faut dans un premier temps mesurer les consommations
primaires :
— soit en utilisant les indications des compteurs de livraison
d’électricité (kWh), de gaz (m3) sans oublier d’appliquer un coefficient de correction de température et de pression, ou de fioul (L) ;
— soit en mesurant les niveaux de cuve de fioul au début et à la
fin de la période de suivi et en comptabilisant les livraisons
intermédiaires ;
— soit en mesurant les temps de fonctionnement ti (h) des différentes allures des brûleurs fioul ou gaz (à l’exclusion des brûleurs modulants ou progressifs) et les débits de combustible Qi (L/
h) correspondant à chacune des allures. Le volume de combustible
brûlé Vc (L) s’exprime alors sous la forme :
Vc =
∑ Qi ti
i
— soit, enfin, en mesurant les temps de fonctionnement des systèmes d’alimentation des combustibles solides (bois, charbon) et
en déterminant leur débit-masse par pesage et chronométrage. La
quantité de combustible consommé se calcule de la même façon
que précédemment. Les temps de fonctionnement ti sont mesurés
à l’aide d’enregistreurs numériques reliés à des convertisseurs de
tension ou grâce à des totaliseurs à roues codeuses (figure 6) qui
sont branchés sur le signal d’alimentation des électrovannes correspondantes pour le gaz ou le fioul, ou des moteurs de
commande des pistons ou vis sans fin assurant l’alimentation pour
les combustibles solides.
L’énergie primaire consommée Ep est définie comme étant le
produit :
E p = qc PCI (kWh)
avec
qc (L), (kg), (t), (st)
quantité de combustible consommée,
PCI (kWh/L), (kWh/kg), (kWh/t), (kWh/st)
pouvoir calorifique inférieur du combustible.
Dans le cas de l’électricité, l’énergie primaire est directement
celle lue sur le compteur en kilowattheures en appliquant éventuellement le coefficient de lecture approprié.
B 2 235 − 12
Figure 6 – Possibilités de mesure de temps de fonctionnement
sur un brûleur tout ou rien
(0)
Rappels de conversion
électricité :
gaz naturel :
gaz propane :
fioul domestique :
fioul lourd :
charbon : très variable
1
1
1
1
1
(en cas d’incertitude)
bois : assez variable
(en cas d’incertitude)
kWh
kWh (PCS)
kg
L
t
kWh (PCI )
=
=
=
=
=
1
0,9
12,8
10,2
11 100
1 kg
=
7,8
1 st (stère)
=
1 400
■ Mesure du rendement instantané de combustion
Cette mesure permet de déterminer la quantité d’énergie Efum
directement perdue dans les fumées [1]. Elle est réalisée de préférence par l’intermédiaire d’un analyseur électronique de
combustion (§ 4.1) ou à défaut par des appareils fyrite (analyseurs
de CO, O2, CO2) [11].
La détermination du taux de combustible imbrûlé, par l’intermédiaire de la mesure du pourcentage de CO dans les fumées, est
également effectuée à l’aide des mêmes appareils et permet de
connaître la perte d’énergie Eimb qu’il engendre.
■ Mesure de l’énergie distribuée dans les différents réseaux
La détermination de la quantité d’énergie d’un réseau est réalisée à partir de trois mesures directes : deux enregistrements de
températures (départ, retour) et une mesure ponctuelle de débit :
— les enregistrements de températures sont effectués par des
sondes appariées placées dans des doigts de gants ou, à défaut,
par des sondes d’applique moyennant une mise en œuvre particulière (figure 7). Dans ce dernier cas, il faut vérifier sur site l’écart
de mesure entre les deux sondes au niveau de température auquel
elles vont être utilisées. Cette opération consiste à placer les deux
capteurs côte à côte sur la canalisation la plus chaude, reliés à leur
enregistreur respectif, et à procéder à un enregistrement d’environ
30 min. L’écart moyen sur les quinze dernières minutes est
considéré comme représentatif de l’écart de mesure entre les deux
enregistrements dont il devra être tenu compte lors de l’exploitation ;
— le débit est alors mesuré ponctuellement par technique ultrasonique non intrusive (§ 4.2).
L’ensemble de ces mesures (températures et débit) doit se situer
sur la partie du réseau à débit constant (à savoir, du côté où se
trouve la pompe par rapport à l’organe de régulation). Il faut néanmoins vérifier la constance du débit en fonction des positions
extrêmes des vannes de régulation.
L’énergie E rn cédée par le réseau n au cours de la campagne de
mesures est égale à la somme des énergies élémentaires Ei de
l’ensemble des enregistrements :
i
E rn =
∑ Ei
1
La quantité d’énergie élémentaire Ei sur la période d’enregistrement s’exprime sous la forme :
Ei = 2,778 × 10-4 Qi ρ cp ∆T i t (kWh)
avec
(m3/s)
débit-volume du fluide caloporteur,
Qi
ρ (kg/m3)
cp (KJ/kg · K)
∆Ti (K)
masse volumique du fluide à sa température
moyenne,
capacité thermique massique du fluide à sa
température moyenne,
différence de température départ / retour du
fluide caloporteur,
t (s)
période d’enregistrement.
Le calcul doit être exécuté pour chacun des enregistrements.
Effectuée manuellement, cette opération est fastidieuse, mais elle
ne prend qu’une vingtaine de minutes avec un tableur bien maîtrisé (Excel, Multiplan, Lotus, etc.).
■ Répartition de l’énergie
Les trois opérations précédentes étant réalisées, le bilan de la
chaufferie est effectué en calculant :
— l’énergie totale perdue dans la chaufferie Ec :
i
E c = E p – ∑ E rn
( kWh )
1
— la répartition des pertes :
E ryt + E bal = E c – E fum – E imb
avec
Figure 7 – Montage des capteurs de température
Dans le cas où la stabilité du débit n’est pas correcte (variations
> 5 %) ou si, pour des raisons d’ordre pratique, les mesures de
températures ne peuvent être réalisées que sur la partie du réseau
à débit variable, il faut recourir à un enregistrement du débit, en
associant au débitmètre utilisé un enregistreur numérique. La
plupart des débitmètres sont en effet équipés d’une voie
analogique. D’une manière générale, il est fait usage d’enregistreurs numériques autorisant la mémorisation de la valeur
moyenne de la grandeur mesurée sur la période d’enregistrement,
afin d’obtenir une précision suffisante.
Pour des raisons financières, la monopolisation prolongée d’un
ou plusieurs débitmètres à ultrasons n’est pas réaliste. On cherche
donc, la plupart du temps, à utiliser en priorité la méthode de
mesure ponctuelle.
Eryt
Ebal
(kWh)
énergie perdue par rayonnement,
(kWh)
énergie perdue par balayage,
Ec
(kWh)
énergie totale perdue dans la chaufferie,
Efum (kWh)
énergie perdue par les fumées,
Eimb (kWh)
énergie perdue par les imbrûlés.
L’énergie perdue par rayonnement provient de l’ensemble de la
chaufferie (générateurs, échangeurs, organes hydrauliques divers,
canalisations, etc.). L’énergie perdue par balayage concerne essentiellement les générateurs. Ces deux types de perte ne sont pas
mesurables directement sur site faute de techniques instrumentales
adaptées. La répartition entre les deux est estimée au moyen des
règles classiques [1].
■ Présentation des résultats
Tous ces calculs étant effectués, le résultat final du bilan peut
être illustré sous la forme d’un graphe présentant la répartition de
l’énergie en chaufferie (figure 8).
4.3.2 Coefficient de performance
d’un groupe frigorifique
La quantité d’énergie frigorifique fournie par le système de production est obtenue par une méthode en tout point identique à
celle exposée précédemment (§ 4.3.1). Deux enregistrements de
température et une mesure ponctuelle de débit (ou un enregistrement) sont nécessaires.
Simultanément, la quantité d’énergie électrique consommée par
le ou les compresseurs et les auxiliaires (ventilateurs des condenseurs à air, pompes, etc.) est mesurée à l’aide d’un analyseur de
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lité de l’eau froide servant à la production d’eau chaude et, d’autre
part, la quantité d’ECS consommée dans les cuisines, le volume
d’eau chaude utilisé dans la partie hébergement étant obtenu par
différence entre les deux indications.
■ Position du problème
L’indication du compteur d’eau chaude destinée uniquement à
l’alimentation des cuisines est environ deux fois supérieure à celle
du compteur d’eau froide prévu pour mesurer la totalité du volume
d’eau chaude consommée.
Le premier réflexe est alors de mettre en doute la qualité des
indications des deux compteurs.
Figure 8 – Exemple de répartition des consommations en chaufferie :
bilan global
réseau électrique (§ 4.2). Dans le cas de compresseurs non étagés,
l’énergie consommée peut être approchée par des mesures ponctuelles de puissance et des mesures de temps de fonctionnement
des différents éléments.
Le coefficient de performance est évalué en calculant le rapport
de l’énergie frigorifique produite et de l’énergie électrique consommée pendant la même période.
Les mêmes contraintes qu’au paragraphe 4.3, concernant la
durée des enregistrements et l’extrapolation annuelle des résultats,
doivent être appliquées.
5. Exemple : auscultation
d’un système de production
d’eau chaude sanitaire
Cet exemple simple concerne l’auscultation d’un système de
production d’eau chaude sanitaire (ECS) motivée par l’incohérence
des informations délivrées par deux organes de com comptage
existants.
■ Présentation du système
L’installation est composée de deux ballons de stockage de
4 500 L, maintenus en température par un circuit de chauffage provenant d’un ensemble de chaudières assurant également le chauffage des bâtiments (figure 9a ).
Une boucle de distribution d’ECS alimente une zone d’hébergement composée de trois tours de cinq étages dont les sanitaires
(douches et lavabos) sont équipés de mitigeurs. Les cuisines de cet
établissement sont alimentées en eau chaude par un piquage
direct sur le départ de la boucle, sans retour. Les deux compteurs
de volume sont positionnés de façon à compter, d’une part, la tota-
B 2 235 − 14
■ Méthode
Elle consiste à s’appuyer sur les premières impressions
recueillies, un certain nombre de mesures annexes permettant de
vérifier le fonctionnement global de l’installation.
Trois types de mesures ont ainsi été réalisées simultanément :
— des mesures de volume, effectuées sur la canalisation à
proximité des compteurs, en utilisant la fonction comptage d’un
débitmètre à ultrasons (§ 4.2), de façon à vérifier, à plusieurs
reprises (cinq) et sur un temps donné (une heure), la concordance
avec les indications de chaque compteur ;
— des mesures de volume par empotage aux points de puisage
en cuisine, après avoir condamné momentanément ceux de la
zone d’hébergement, pour valider définitivement les mesures
précédentes (l’empotage consistant à prélever dans un récipient
une quantité d’eau sur un temps chronométré, puis à effectuer son
pesage) ;
— des enregistrements de température sur différentes parties du
système de distribution (températures d’eau froide, de distribution
de la boucle, de retour du bouclage sur chacun des pieds de
colonne de l’hébergement), au moyen d’enregistreurs numériques
munis de sondes de contact.
■ Résultats
Les différentes mesures de volumes ont permis d’établir avec
certitude que les indications des deux compteurs étaient parfaitement correctes, l’écart entre les trois techniques restant inférieur
à 3 %.
— Les compteurs mesurent bien les volumes qui les traversent.
— Les mesures de température ont permis de démasquer le problème (figure 9b ). Les enregistrements des températures de retour
de boucle des trois colonnes montrent que, sur les colonnes 2 et
3, la température atteint quasiment celle de l’eau froide (15 ˚C)
lorsque de forts puisages d’eau chaude sont effectués en cuisines
(préparation des repas, vaisselle). Ces puisages engendrent une
chute de pression dans le circuit, suffisante pour permettre l’introduction d’eau froide dans la boucle de distribution au niveau des
mitigeurs de douche qui, dans les tours 2 et 3, s’avèrent défectueux.
Voilà comment une incohérence de comptage permet de déceler,
au moyen de mesures, le mauvais fonctionnement d’un type d’élément hydraulique, qui n’est pas pénalisant d’un point de vue
énergétique, mais qui présente une entrave au suivi des consommations et à la gestion de l’énergie.
Figure 9 – Exemple d’auscultation d’un système de production et de distribution d’ECS
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P
O
U
R
Jean-Pierre BRASSELET
E
N
par
Ingénieur des Travaux Publics de l’État
Cofondateur du Bureau d’Études OASIIS (Office d’Audit Énergétique, de Service
Informatique et d’Instrumentation Spécialisée)
Frédéric FRUSTA
DUT Mesures Physiques
Confodateur du Bureau d’Études OASIIS
et
Michel CLERJAUD
Maître ès Sciences, DEA Échanges thermiques
Directeur du Département Thermique-Incendie-Pression à CEP (Contrôle et Prévention)
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Guides sectoriels AICVF-Ademe : hôtels,
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Constructeurs. Fournisseurs
(liste non exhaustive)
Enregistreurs numériques
Controlotron Corp. (distributeur : Engineering Mesures).
Bristol Meci SA.
Fuji Electric Co Ltd (distributeur : Instruments et Contrôles).
TAD Traitements Analogiques et Digitaux.
Ultraflux S.A.
Unidata France S.à r.l.
Doc. B2235
8 - 1994
Débitmètres à ultrasons
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Doc. B2235 − 1
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Audits énergétiques des bâtiments

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