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