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BÂTIMENTS EXEMPLAIRES BASSE CONSOMMATION : QUELLES PERFORMANCES RÉELLES? - PARIS, LE 29 NOVEMBRE 2013 BÂTIMENTS EXEMPLAIRES BASSE CONSOMMATION : QUELLES PERFORMANCES RÉELLES? - PARIS, LE 29 NOVEMBRE 2013

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Introduction

Définir une stratégie d'instrumentation : les différentes contraintes à prendre en compte

Méthodes d'instrumentation des systèmes :– Chauffage, eau chaude sanitaire, auxiliaires– Ventilation– Consommations électriques (éclairage, systèmes de production

d'énergie)

Caractérisation des ambiances par l'instrumentation– Climat local– Ambiances intérieures

Caractérisation de l'occupation, le rôle de l'instrumentation

Récupération et exploitation des données

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Stratégie d'instrumentation

Un compromis à trouver entre plusieurs exigences contradictoires

»

Budget alloué à l'instrumentation

Données nécessaires aux analyses :

Consommations par poste réglementaire :

●Énergie primaire●Énergie utile

●Climat et ambiances intérieures

Complexité technique

du bâtiment

Plan d'instrumentation

Avancement du projet

au début du suivi

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Instrumenter des bâtiments en site réel

De nombreux acteurs impliqués Des contraintes de délais, d'accès

bâtiment instrumenté

CETE

Chauffagiste Electricien

intégrateur

Maitre d'ouvrage

Ademe

Exploitant du bâtiment

Maitre d’œuvre

BET Fluides

occupants

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Les différents types de suivi possible

- plusieurs types de suivis possibles

1er NIVEAU 2eme NIVEAU3eme NIVEAU (niveau suivi

PREBAT)

Suivi des consommations Suivi thermique global Suivi analytique

Objectifs

●Identifier les consommations par usage de l'énergie et par

partie de bâtiment

●repérer les dérives par rapport à une consommation de base

Niveau 1 + Identifier les besoins thermiques réels et

l'efficacité moyenne des systèmes et leur évolution

dans le temps

Niveau 2 + Identifier les causes des dérives des

consommations par le suivi du fonctionnement réel des

systèmes énergétiques et du comportement des usagers

MesuresSous-compteurs (relève

manuelle)

Niveau 1 + compteurs thermiques + capteurs autonomes

(intégration horaire)(2)

Niveau 2 + capteurs des états des systèmes (températures,

marche, pression,...) + gestion des automates

Pas de temps des mesures

Année/mois Semaine/jour Heure/minute

Outillage de suivi

Tableau de bord (analyse par ratio) Tableau de bord

GTB (ou suivi externe par télérelevé des points de

mesure)

Coûts Environ 3€/m2 Environ 5 €/m2 Environ 15 €/m2

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Définition d'un plan d'instrumentation

Bilan thermique du projet – diagramme de Sankey

Σ apports = Σ pertes

bâtiment instrumenté

apports pertes

Apports solaires

Apports internes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

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Instrumentation des systèmes

chauffage

bâtiment instrumenté

apports pertes

Apports solaires

Apports internes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

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Instrumentation des systèmes

chauffage

bâtiment instrumenté

apports pertes

Apports solaires

Apports internes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

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Systèmes de chauffage à eau chaude

CE :compteur électriqueCV : compteur volumétriqueCT : compte toursCC : compteurs d'énergie

Données recherchées :Besoins en chauffageRendement du systèmePertes de distribution

Instrumentation des systèmes de chauffage

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Pompes à chaleur : exemple d'une PAC sol/eau

CE :compteur électriqueCV : compteur volumétriqueCT : compte toursCC : compteurs d'énergie

Données recherchées :●Besoins en chauffage●Consommation en énergie primaire du chauffage●COP de la PAC●Consommation des auxiliaires●Pertes de distribution et stockage

Instrumentation des systèmes de chauffage

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Exemple de suivi d'un système d'ECS solaire

Instrumentation des consommations d'ECS

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Instrumentation des systèmes

ventilation

bâtiment instrumenté

apports pertes

Apports solaires

Apports internes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

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bâtiment instrumenté

apports pertes

Apports solaires

Apports internes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

Instrumentation des systèmes

ventilation

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Données recherchées

Compteurs Observations

Compteur électrique relevant les consommations du caisson de ventilation

Vitesse d'air dans la gaine de soufflage

Mesure des déperditions par la ventilation

Ventilation Simple flux– Données recherchées

• Consommation totale du système de ventilation

• Débit de ventilation

– Instrumentation

C

Q

C

Q

Q = V_air x S_gaine

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Mesure des déperditions par la ventilation Ventilation double flux

Données recherchées Description Compteurs

Consommations totale du système de ventilation

Efficacité de l'échangeur thermique de la VMC

Pertes de distributions dans les gaines

Débits de ventilation

C

Eff

Pd

Q

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Matériels utilisés pour instrumenter les systèmes

Les compteurs de calories, composés :– D'un débitmètre (mécanique ou à ultrasons),

positionné sur le retour des circuits de chauffage– De deux sondes de température en doigt de gant

• Température de départ • Température de retour

– Le compteur de calorie réalise en son sein un calcul différentiel permettant de compter l'énergie dissipée :

E = Q x ( T° départ – T° retour ) x K

E = Énergie en kWh Q = Débit en m3/h

K est le coefficient d‘enthalpie (en fonction du liquide caloporteur) en kWh/(m3.K)

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Les compteurs volumétriques

– Gaz (m3)

– Fioul (m3)

– Bois : compte tours de vis d'alimentationType Pouvoir calorifique

(Kwh PCI /kg)Densité(kg / m3)

Hygrométrie

Granulés de bois/Pellets 4,9 650 < 10 %

Plaquettes 3,5 260 < 25 %

Bois bûche 3,5 420 < 25 %

Blé et autres céréales 4,2 750 < 15 %

Matériels utilisés pour instrumenter les systèmes

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Les comptages spécifiques d'électricité :– Auxiliaires VMC, Auxiliaires de chauffage, éclairage– Emploi de sous-compteurs

• Compteurs modulaires

• Compteurs impulsionnels

• le cas échéant, emploi de centrales de mesure

Dans le cas de compteurs impulsionnels, veiller à ce que le poids d'impulsion permette un suivi horaire précis.

Matériels utilisés pour instrumenter les systèmes

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Mesure des débits de ventilation– Sondes à fil chaud

– Tubes de Pitot

– Aile de Débit

La mesure du débit de ventilation est très sensible– Mesures ponctuelles aux bouches privilégiées

Matériels utilisés pour instrumenter les systèmes

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Caractérisation des ambiances et du climat

Ambiances intérieures

bâtiment instrumenté

apports pertes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

Apports internes

Apports solaires

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bâtiment instrumenté

apports pertes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

Apports internes

Apports solaires

Caractérisation des ambiances et du climat

Ambiances intérieures

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Mesure de la température et de l'hygrométrie intérieure– Zone représentative pour la mesure de température et d'hygrométrie

• Recherche de locaux représentatifs de la majorité des espace occupés

• Distinction des différentes zones saisies dans l'étude thermique :

– Zone climatisée, non climatisée

– Échantillonnage des zones instrumentées pour les grands bâtiments :• Exemple pour des logements :

• Échantillonnage vis-à-vis de l’usage des locaux

• Échantillonnage selon la position des locaux

Logements Séjour : tous

Chambre principale : toutesAutres chambres : 50%

Vis-à-vis des apports solaires Sud 25% - Nord 25% - Est+ouest = 50%

Vis-à-vis des déperditionsDerniers niveaux 25%, 1er niveau chauffé : 25%

Niveau courant : 50%

Caractérisation des ambiances et du climat

1 à 4 logements tous logements suivis

5 à 10 logements 5 logements suivis

11 à 22 logements 6 logements suivis

23 à 50 logements 7 logements suivis

plus de 50 logements 8 logements suivis

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Caractérisation des ambiances intérieures Préconisations de mise en œuvre des sondes et

précision– Exemple pour la température intérieure– Localisation

• Sonde placée à une hauteur de 1,5 m

• sur cloisons intérieures

• à l’abri du rayonnement solaire direct

• sonde en contact libre avec l'ambiance

– Eviter

• sonde confinée derrière un meuble

• courants de convection d'air issus d'un émetteur de chaud ou de froid

• Proximité de ponts thermiques ou parois froides

• Gaines d'alimentation perméables à l'air

Caractéristiques requisesSonde Enregistrement

Plage de mesure : Précision : Dérive annuelle :Répétabilité : Temps de réponse :

0°C – 50°C< 0.5°C

< 0.15°C/an< 0.2°C< 1 min

Scrutat ion : Donnée stockée :

Pas de temps :

< 5 minmoyenne horaire

horaire

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Caractérisation des ambiances intérieures Préconisations de mise en œuvre des sondes et

précision– Exemple pour la température intérieure– Localisation

• Sonde placée à une hauteur de 1,5 m

• sur cloisons intérieures

• à l’abri du rayonnement solaire direct

• sonde en contact libre avec l'ambiance

– Eviter

• sonde confinée derrière un meuble

• courants de convection d'air issus d'un émetteur de chaud ou de froid

• Proximité de ponts thermiques ou parois froides

• Gaines d'alimentation perméables à l'air

Caractéristiques requisesSonde Enregistrement

Plage de mesure : Précision : Dérive annuelle :Répétabilité : Temps de réponse :

0°C – 50°C< 0.5°C

< 0.15°C/an< 0.2°C< 1 min

Scrutat ion : Donnée stockée :

Pas de temps :

< 5 minmoyenne horaire

horaire

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Matériels utilisés Température :

– Thermistances (sondes CTN)– Sondes à résistance métallique (Pt-100, Pt 1000, Ni-1000)

Hygrométrie– Hygromètres à variation d'impédance : hygrométrie exprimée

en pourcentage d'hygrométrie relative

Protection des sondes : boitiers d'indice de protection IP30

Caractérisation des ambiances intérieures

Indice 1er chiffre (dizaine)Protection contre la poussière

2nd chiffre (unité)Protection contre l'eau

0 Aucune protection. Aucune protection.

1 Protégé contre les corps solides supérieurs à 50 mm.

Protégé contre les chutes verticales de gouttes d'eau.

2 Protégé contre les corps solides supérieurs à 12 mm.

Protégé contre les chutes de gouttes d'eau jusqu'à 15° de la verticale.

3 Protégé contre les corps solides supérieurs à 2,5 mm.

Protégé contre l'eau en pluie jusqu'à 60° de la verticale.

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Caractérisation des ambiances et du climat Climat local

bâtiment instrumenté

apports pertes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

Apports internes

Apports solaires

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bâtiment instrumenté

apports pertes

Consommations de chauffage

Pertes techniques

Consommations de chauffage

Pertes par renouvellement d'air

Pertes par infiltration d'air

Déperditions par l'enveloppe

Apports internes

Apports solaires

Caractérisation des ambiances et du climat Climat local

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Caractérisation du climat local

mesure Nombre Caractéristiques illustration

Température de l’air extérieur

2 sondes deTempératureExtérieure

Recommandées (redondance)

Plage de mesure : -10 °C - 50°CPrécision : < 0.5°C

Dérive annuelle : < 0.15°C/anRépétabilité : < 0.2°C

Hygrométrie de l’air extérieur

Une sonde

Plage de mesure : 0 – 100%HRPrécision (plage 20-80%) : 5%

Dérive annuelle : < 2% /anRépétabilité : 1%HR

Sonde d'ensoleillement

Une sonde

Plage de mesure : 0 -1280 W/m²Précision : ± 10 W/m² ou ± 5%

Résolution : 1,25 W/m²

anémomètre1 anémomètre à

coupelles

Plage de mesure : 0,5 – 54 m/sPrécision : ± 0,5 m/sRésolution : 0,19 m/s

Mise en œuvre de stations météo avec les capteurs suivants

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La relève des données

bâtiment instrumentéPertes techniques

Déperditions par l'enveloppe

Apports internes

Apports solaires

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La relève des données Acquisition de données au pas de temps horaire

– L 'acquisition de certaines données nécessite un pas de temps plus fin, moyenné au niveau horaire

Selon les bâtiments et le contexte technique et budgétaire, plusieurs stratégies de relève– Capteurs filaires– Capteurs autonomes– Capteurs radio

coût d'instrumentation fortement dépendant de la technique choisie

Des protocoles de communication différents, à faire fonctionner ensemble– Capteurs analogiques– Capteurs numériques

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La relève des données

Comparaison des systèmes autonomes et communicantsAvantages Inconvénients

Systèmes autonomes

- Flexibilité

- Indépendance par rapport aux installations fixes

- Remplacement facile

- Coût d'installation et de maintenance

- Temps de trajet pour la relève des données

- Accessibilité des capteurs à relever

- Risque de défaillance (arrêt imprévu, panne de batterie)

- Dérive de l'horloge

Systèmes communicants

- Accès en temps réel aux données

- Meilleure réactivité en cas de problème

- Relève des données facilité pour les sites distants ou à forte contraintes d'accès

- Coûts d'installation (câblage, paramétrage, ingénierie de développement)

- Maintenance

- Coordination des lots de travaux

- Pertes de communication pouvant engendrer des pertes de données

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La relève des données

Exemple d'architecture de relève des données

Logement 3

Logement 2

Logement 1

Station météo

Module binaire

Local chaufferie

Centrale d'acquisition

Convertisseur analogique/numérique

T,H

T,H

CE 1 CE 2 CC

CC 1 CC 2 CC 3

CTA CE 1

T1T2

T3

CE Gaz Module binaire

Convertisseur analogique/numérique

Module binaire

Convertisseur analogique/numérique

T,H

T,H

CE 1 CE 2 CC

Module binaire

Convertisseur analogique/numérique

T,H

T,H

CE 1 CE 2 CC

Protocoles de communication– Protocoles ouverts

• Modbus

• KNX

• …– Protocoles propriétaires

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Réception des installations Quelques problèmes fréquemment rencontrés :

– Problèmes de capteurs• Inversion de capteurs

• Inversion de polarité de branchements (valeurs négatives)

• Capteurs défectueux

• Capteurs mal calibrés, mal échantillonnés

• Capteurs à la résolution trop faible au regard des grandeurs mesurées

• Incompatibilité de certains capteurs avec les bus de communication

– Systèmes communicants• Défaillances réseau, Coupure ADSL

• Problèmes de liaisons radio

– Enregistreurs autonomes :• Saturation de la mémoire

• Défaillance des batteries

• Dérive de l'horloge

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Difficultés rencontrées

Maintenance du matériel :– Garantie du bon fonctionnement des installations– Étalonnage périodique des capteurs

• Compteurs d'énergie

• Compteurs de gaz– Accessibilité en site occupé

Problème d'encombrement : compteurs pratiquement inaccessibles

Espace réduit pour l'installation des compteurs

Certains compteurs doivent être placés sur des sections horizontales, et droites d'une longueur supérieure à 10 fois le diamètre

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Difficultés rencontrées

Intégration de systèmes communicants en site occupé ou en cours de chantier :– Réservation de gaines correctement positionnées et étanches à

l'airSonde en milieu de mur risque d'obturation par du mobilier

Sonde positionnée sur une paroi froide

Sonde correctement positionnée

1,50 m

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Le pré-traitement des données

Identifier les trous de données Repérer les valeurs anormales Corriger les sauts d'index de compteur

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Le pré-traitement des données

Identifier les trous de données Repérer les valeurs anormales Corriger les sauts d'index de compteur

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Le pré-traitement des données

Identifier les trous de données Repérer les valeurs anormales Corriger les sauts d'index de compteur

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Le pré-traitement des données

Identifier les trous de données Repérer les valeurs anormales Corriger les sauts d'index de compteur

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Les aspects à améliorer

Quantifier les incertitudes Maîtriser la qualité de la mesure en site réel Sensibiliser les professionnels de terrain aux

problématiques de la mesure Données remontées des GTC : quelle fiabilité et quelle

utilisation Effectuer un suivi métrologique de compteurs et de

capteurs en site occupé

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FIN