Les économies d'énergie dans le bâtiment

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Cahier technique n° 206

Les économies d’énergiedans le bâtiment

N. Chaumier

Collection Technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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n° 206Les économies d’énergiedans le bâtiment

CT 206 édition mai 2003

Nicolas CHAUMIER

Ingénieur diplômé de l’école centrale de Paris (1974).Après un premier emploi dans la recherche nucléaire, il travaille dansla recherche et le développement pour des matériels haute tension,puis en tant que responsable des services R et D au sein d’uneentreprise française d’équipements de chauffage. Il participe àl’élaboration des normes thermiques dans le cadre de la CommissionEuropéenne.En 1988, il rejoint Schneider Electric pour négocier et exécuter descontrats internationaux. Il crée et anime des formations sur lesréseaux électriques et la conduite des affaires.Actuellement, il participe au développement des activitéscommerciales dans plusieurs pays en s’appuyant sur laconnaissance des besoins des clients.

Cahier Technique Schneider Electric n° 206 / p.2


Les économies d’énergiedans le bâtiment

Quel que soit le bâtiment à construire ou à gérer, des solutions pour lamaîtrise de la consommation d’énergie doivent être recherchées. Ceci estvrai, dans le monde entier, pour tous les types de bâtiments : industriels,tertiaires ou résidentiels.

Avant de concevoir ou d’améliorer un bâtiment, et particulièrement soninstallation électrique, il est indispensable d’étudier ses besoinsénergétiques et les sources disponibles, et de rechercher la meilleureadéquation des systèmes de gestion, des réseaux de distribution et deséquipements consommateurs en tenant compte des impératifsd’exploitation.

Ce Cahier Technique présente une méthodologie pour conduireefficacement toute étude préalable. Pour cela l’auteur explore tous leséléments contributifs aux économies d’énergie qui, selon l’installationconcernée, seront ou non à retenir.

Sommaire

1 Introduction 1.1 Les acteurs p. 41.2 Les besoins p. 4

2 Inventorier les consommations et 2.1 Les consommations d’énergie p. 5les sources d’énergie disponibles 2.2 Les sources d’énergie p. 6

3 Réduire les coûts énergétiques 3.1 Analyse des factures d’énergie p. 8

3.2 Utilisation du contrat existant p. 8

3.3 Renégociation du contrat p. 8

4 Réduire la consommation d’énergie 4.1 Economie sur le système de CVC p. 10

4.2 Economie sur l’eau chaude sanitaire p. 15

4.3 Economie sur l’éclairage p. 16

4.4 Réduction des pertes d’énergie électrique p. 17

4.5 Autres économies p. 19

4.6 Avantages d’une bonne maintenance p. 19

4.7 Importance du comptage p. 20

4.8 La démarche d’audit énergétique p. 20

5 Etudes de cas 5.1 Optimisation de la facture d’énergie d’un hôpital p. 21

5.2 Installation de ventilation avec variateur de vitesse p. 21

6 Conclusion p. 23

Annexe : la cogénération p. 24


1 Introduction

Il convient tout d’abord d’identifier tous lesacteurs concernés par le bâtiment à étudier,

et leurs besoins en relation avec la gestion del’énergie.

1.1 Les acteurs

Les principaux sont :

c l’exploitant, qui peut être l’occupant dubâtiment, ou une compagnie d’exploitationdéléguée,

c le maître d’ouvrage, propriétaire du bâtiment,soit pour l’occuper lui même, soit à titred’investisseur,

c le maître d’œuvre : architecte ou bureau d’étudesresponsable de la construction du bâtiment,

c les fournisseurs, notamment les fournisseursd’énergie (régie d’électricité, distributeurs de fuelet de gaz…),

c les autorités de régulation compétentes pour lebâtiment considéré.

1.2 Les besoins

Les besoins des exploitants

Tous les exploitants, industriels et commerciaux,ont l’impérieuse nécessité de proposer desproduits ou des services à des prix compétitifs.Le premier objectif d’un exploitant est donc,avant tout, de réduire sa facture d’énergie par unmeilleur tarif, par la réduction de la consommationd’énergie, et par les aides publiques à laréduction de consommation d’énergie. Et cecitout en assurant le bon fonctionnement de tousles services nécessaires à l’activité pratiquée etau confort des personnes qui occupent lebâtiment, employés et visiteurs.

Les besoins des maîtres d’ouvragec obtenir la conformité aux règlementsénergétiques en vigueur,c bénéficier des aides accordées pour la miseen place de systèmes économisant l’énergie,c augmenter et maintenir la valeur immobilièrede leur bien.

Les besoins des maîtres d’œuvrec être compétitif en prestations et en coût aumoment de la sélection,c tenir le budget pendant la réalisation.

Les besoins des fournisseurs d’énergie

c optimiser le fonctionnement de leur réseau,c maîtriser les pics de demande d’énergie sanssurdimensionner les installations.

Et, dans le cas particulier de l’énergieélectrique :c maîtriser l’énergie réactive,c maîtriser la qualité de l’énergie (réduire lesfluctuations de tension, les coupures, lesharmoniques…).

Les besoins des autorités de régulation

Les différents organismes officiels ayant autoritédans la conception des bâtiments sont chargéspar les Etats de mettre en œuvre une politiquegénérale de l’énergie dont les objectifsprincipaux sont notamment :c assurer la gestion à long terme desapprovisionnements nationaux en énergie, avecle souci d’une meilleure indépendanceénergétique ;c assurer une cohérence avec la considérationglobale des aspects environnementaux :réchauffement climatique, émission de CO2 dansl’atmosphère, émission de chaleur, émission deproduits polluants ;c rendre compatible le développementéconomique avec le maintien des conditionsenvironnementales qui le rendent possible(« développement durable ») ;c promouvoir et appliquer les conventionsinternationales relatives à l’énergie et àl’environnement.

Dans certains cas, les différents acteurs ont desintérêts directs apparemment opposés ; parexemple, installer un système de chauffageperformant plus cher à l’achat est une chargesupplémentaire pour l’investisseur, mais est uneéconomie pour l’exploitant. Dans d’autres cas,un même acteur peut avoir deux rôlessimultanés (cas de l’occupant propriétaire).

D’où la nécessité d’une démarche globale,tenant compte aussi bien des coûts de l’énergieque des coûts d’installation et de ceux de lamaintenance des équipements.

Tout ceci avec une exigence fondamentale : nepas réduire la capacité de production ni leniveau de confort du bâtiment.


2 Inventorier les consommations et les sources d’énergie disponibles

2.1 Les consommations d’énergie

Nous faisons tout d’abord l’inventaire desconsommations d’énergie, de tous types, qui ontlieu dans l’utilisation quotidienne du bâtimentpour remplir les fonctions attendues.

Le process industriel ou commercial quioccupe le bâtiment

Le « process » est l’ensemble de l’installationdirectement nécessaire à l’activitéprofessionnelle des occupants du bâtiment.Il comprend :c pour une usine ou un bâtiment commercial,les machines de production industrielle,les systèmes d ’information, les installations demanipulation et de stockage des matériaux etdes produits (réfrigération des produitsalimentaires, par exemple), les réseaux defluides spécifiques (air comprimé, vapeur)nécessaires à la production…c pour un immeuble du tertiaire, les systèmesinformatiques et les équipements spécifiques (delaboratoires, de recherche…).

Les consommations des process sontd ’importance majeure. Elles représentent engénéral la plus grosse dépense d’énergie (sauf,par exemple, dans les immeubles de bureaux).

Selon l’activité considérée (usine de montageautomobile, atelier textile, immeublesadministratifs, grandes surfaces commerciales…),la quantité d’énergie consommée et le profil deconsommation du process sont très divers. C’estpourquoi toute étude d’économie d’énergie doitêtre conduite en considérant le process dansson ensemble pour bien conserver, voireaméliorer, les caractéristiques de production(capacité, fiabilité…).

Les systèmes de confort et utilités dubâtiment

Sont inclus dans cette catégorie, tous lessystèmes usuellement rencontrés dans unbâtiment qui sont indépendants de son utilisationprofessionnelle. Ce sont tous les systèmes dechauffage, climatisation, ventilation, distributiond’eau chaude sanitaire, éclairage, communication,sécurité, distribution de fluides divers (notammentair comprimé), et les systèmes mécaniques(ascenseurs, élévateurs, escaliers roulants).

Selon le type, la superficie, la destination,l’occupation humaine et le standard de confortdu bâtiment, les profils de consommationd’énergie sont très différents (cf. fig.1 ).

Fig. 1 : répartition des consommations annuelles d’énergie,a] dans un immeuble de bureaux en Asie du Sud-Est, b] dans un hypermarché en Europe Occidentale.

Eclairage 24 %

Informatique 8 %

Autres 3 %

a- b-

Ventilation 11 %

Climatisation 54 %

Eclairage 32 %

Cuisson 6 %

Autres 7 %

Chauffage18 %

Ventilation 9 %

Réfrigérationdes aliments28 %


2.2 Les sources d’énergie

Pour couvrir les consommations d’énergieprécédemment citées, il est possible d’utilisertoute la palette des sources d’énergie détailléeci-après (cf. fig. 2 ).

Energiesstockées : c charbon,c fioul, c gaz liquéfié,...

Energiesdistribuées : c électricité, c chaleur,c gaz naturel,...

Energiesgratuites : c solaire,c éolienne,c géothermie,...

G

Source autonome

Fig. 2 : les différentes sources d’énergie.

Alimentation par des réseaux extérieurs

L’énergie est habituellement amenée aubâtiment par des réseaux publics de distributiond’électricité, de gaz naturel, et de chauffageurbain. D’autres types de réseaux publics dedistribution peuvent être rencontrés, mais defaçon beaucoup plus anecdotique : vapeur, aircomprimé, combustible divers, eau glacée…Ces fournitures d’énergie font l’objet de contratsd’abonnement entre les fournisseurs (publics ouprivés, en situation de monopole ou non) et lesclients occupant le bâtiment.

L’énergie sous la forme électrique a uneimportance particulière, en ceci qu’elle estpratiquement obligatoire pour toutes lesutilisations et tous les bâtiments. A part certainscas marginaux d’installations isolées (mines,sites pétroliers), rares sont les installations enautonomie complète. Il y a donc toujours aumoins un raccordement au réseau électrique.

Le réseau de gaz naturel est en général utilisépour le chauffage, l’eau chaude sanitaire, lacuisine, quelquefois le process. La facturationest basée sur le comptage volumétrique (avecéquivalence en énergie).

Il existe parfois un réseau public de distributiond’eau chaude généralement destiné auchauffage des bâtiments. Le cas se rencontrefréquemment dans les grands centres urbains(régie municipale disposant de chaufferies, parexemple en relation avec l’incinération desordures ménagères), dans certains pays àtradition étatique, et plus récemment dans deszones semi-rurales, pour exploiter des déchets

de bois par exemple. La facturation est faite surle comptage volumétrique et le différentiel detempérature.

Fourniture de combustibles stockés

En dehors des réseaux raccordés, l’énergie peutaussi être livrée sous forme de combustiblestocké sur le site. Il s’agit généralement de gazde pétrole liquéfié (propane, butane) ou de fiouldomestique ou lourd, sans oublier le charbon quidans beaucoup de pays tient une placeimportante, et le bois quand il est disponiblelocalement, qui fait l’objet d’applications detechnologie récente.

Ces combustibles peuvent être utilisés dans leschaudières pour le chauffage, la productiond’eau chaude sanitaire, d’eau chaude ou devapeur à usage industriel, et pour l’entraînementdes générateurs électriques locaux.

L’utilisation de combustibles stockés sur le sitepermet une autonomie (partielle ou totale) faceaux interruptions de service des réseauxextérieurs.

Sources autonomes d’électricitéIl est souvent indispensable, en fonction desconditions locales d’environnement, de se doterde moyens autonomes de production d’énergieélectrique. En effet, dans de nombreux pays ladistribution d’électricité ne présente pas unefiabilité suffisante : des interruptions de servicetrop fréquentes et trop prolongées empêchent lacontinuité normale de toute activité industrielleou commerciale. C’est pourquoi, par exemple,les supermarchés des pays d’Amérique Latinesont fréquemment équipés d’une productionautonome de 100% de la puissance nécessaire.

Cependant, même dans les zonesd’approvisionnement le plus sûr, certainesactivités comportant des exigences de sécuritédoivent être protégées contre toute interruption,même rare. C’est ainsi que les hôpitaux, partoutdans le monde, sont équipés d’une productionautonome suffisante pour assurer lefonctionnement sans interruption desinstallations vitales.

De plus, disposer d’une source autonome est labase d’une gestion de l’énergie ; elle permet dechoisir la source d’énergie préférentielle, enfonction du moment de la journée, de lapuissance appelée instantanée, et du tarifhoraire de la source externe.

c Groupes électrogènes d’appoint ou de sécuritéCes groupes utilisent généralement uncombustible stocké. En général, l’énergie estproduite en basse tension, et la sortie del’alternateur est raccordée au réseau électriqueinterne. Selon les cas, le groupe et le réseauextérieur peuvent fonctionner en parallèle, ouseulement séparément.


c ASI – Alimentation Sans Interruption –électronique communément appelée« onduleur »De nombreuses installations comportent desASI. Ces dispositifs électroniques de puissancepermettent de reconstituer un courant alternatif àpartir de l’énergie stockée dans des batteriesd’accumulateurs électriques, ceci afin demaintenir sans interruption l’alimentation desrécepteurs critiques ou vitaux (système detraitement des données, bloc opératoire dans unhôpital…).

c CogénérationLa cogénération est une technique qui permet laproduction combinée de chaleur ou d’électricitéen un seul procédé, avec pour résultat uneréduction des pertes thermiques. Différentsmodèles de cogénération peuvent être utilisés :v la production de chaleur (ou vapeur)nécessaire au process est disponible pourproduire de l’énergie électrique,v le process crée des sous-produits (déchets debois ou de carton…) dont la combustion permetla production d’énergie électrique et de chaleur.La cogénération est plus détaillée en annexe.

Les « énergies gratuites »

Sous cette appellation sont réunies les sourcesénergétiques non facturées.

c Le rayonnement solairev Des capteurs solaires sont utilisés depuisplusieurs décennies, y compris dans les pays auclimat froid (Scandinavie). Ils absorbent lerayonnement solaire et le transforment enénergie thermique. L’utilisation principale decette énergie, via un fluide caloporteur, est lechauffage et la production d’eau chaudesanitaire.v Les cellules photovoltaïques, de techniquesplus récentes, transforment l’énergie lumineuseen électricité. De puissance plus petite que lescapteurs thermiques, leur emploi est souventréservé à l’alimentation d’habitats oud’équipements isolés (relais hertziens,lampadaires…).

L’énergie recueillie par ces capteurs dépendessentiellement des conditions météorologiques :sa substitution à 100 % par une autre source estgénéralement indispensable.

c Géothermie et pompes à chaleurL’énergie thermique recueillie dans le sous-sol etles nappes d’eau (géothermie) ou dans l’airextérieur par les pompes à chaleur est aussigratuite.Nota : une pompe à chaleur est un équipementthermo-dynamique ayant pour fonction detransférer l’énergie calorifique d’un fluide (air oueau) à un autre fluide (air ou eau).

c Energie éolienneL’énergie mécanique du vent, par l’intermédiaired’une hélice, entraîne un alternateur.Des producteurs d’électricité exploitent desinstallations récentes (fermes d’éoliennes) quidélivrent plusieurs mégawatts. Mais il existeaussi des installations privées de quelqueskilowatts pour alimenter des bâtiments isolés(exploitations agricoles, hôtels).

Sauf les énergies gratuites, les différentessources donnent lieu à des factures de la partdes fournisseurs (d’électricité, de chauffageurbain, de combustible).

L’analyse de l’ensemble de ces factures est lapremière démarche conduisant à des réductionsdes coûts énergétiques pour l’exploitant(cf. fig. 3 ).

Faire le bilan des consommations et des sources d'énergie

Optimiser les coûts d'énergie

Réduire les consommations

£$

€Economies

Fig. 3 : démarche générale de maîtrise énergétique.


3 Réduire les coûts énergétiques

Comme il a été dit plus haut, la motivationpremière des décideurs pour s’intéresser auxsolutions de maîtrise énergétique est l’efficacitééconomique. Le gestionnaire d’un bâtiment, parexemple, pour décider d’un investissement entravaux d’amélioration, doit être convaincu durésultat immédiat de cette opération, et d’untemps acceptable de retour sur investissement(dans la plupart des cas de 2 à 5 ans).

L’économie en terme de coûts étant donc lesouci prépondérant, il est très intéressant dechercher à optimiser l’utilisation des contrats defourniture d’énergie, avant même d’envisagerdes modifications techniques qui aient pour effetune réduction des consommations physiques.Il s’agit donc de chercher à dépenser moinsd’argent, avant de chercher à utiliser moins dekilowatts-heures.

3.1 Analyse des factures d’énergie

Dans cette approche exclusivement financière,il est possible de s’intéresser essentiellement àla fourniture d’énergie électrique, mais en regardde celle des autres énergies. Celle-ci se fait dansle cadre d’un contrat avec un fournisseur dont leprofil, selon le pays, peut être très variable :entreprise nationale, régie de distribution publique,mixte ou privée, société de négoce et de serviceen position concurrentielle ou de monopole.

Dans ces conditions, la variété des types decontrats est grande, et l’éventail de choixs’élargit quand la puissance demandée pour lesite augmente. Dans bon nombre de pays dontle secteur électrique est en voie de privatisation,les consommateurs ont accès à un marchéconcurrentiel quand leur besoin dépasse unseuil dit « d’éligibilité ».

Une facture d’électricité comporte en généraleles postes suivants :

c des charges fixes : abonnement et autres(entretien, services…) ;

c des charges variables correspondant :v à la fourniture de l’énergie relevée parcomptage ; coût qui peut être plus ou moinscomplexe et comporter plusieurs tarifs ;

v à la puissance maximale atteinte ou souscrite :- puissance active en kW ou puissanceapparente en kVA intégrant la puissanceréactive,- en valeur instantanée ou en valeur moyennesur un intervalle de temps.

Il peut y avoir un ou plusieurs comptes selonl’heure ou la période ; il peut aussi s’agir d’unepénalité pour dépassement d’un seuil convenu ;v à l’énergie réactive consommée, et comptéeen général au-dessus d’un seuil toléré ;v à d’autres charges et services variables ;

c des taxes.

Selon le pays, la facture d’électricité peut doncêtre compliquée voire extrêmement compliquée.Il est donc essentiel de comprendre son calcul,et de bien connaître les besoins d’énergieélectrique du bâtiment, pour définir des axesd’amélioration. Le premier axe d’amélioration estla meilleure utilisation du contrat existant, lesecond est de renégocier ce contrat avec sonfournisseur.

3.2 Utilisation du contrat existant

Plusieurs approches sont possibles pour bienexploiter un contrat de fourniture d’énergieélectrique existant.

c Limiter la puissance appelée sur le réseau dedistribution en utilisant les sources internesexistantes et disponibles (groupesélectrogènes). Ceci permet de ne passurdimensionner le contrat d’abonnement, ou dene pas dépasser la limite du contrat, d’où uneréduction des coûts globaux d’énergie. Pourestimer le bilan économique il convient donc deconnaître aussi le coût de l’énergie de

substitution, par exemple le rendement desgroupes et le prix du combustible consommé.Il est évident que cette substitution de l’énergieélectrique fournie par un distributeur par del’énergie produite sur le site sera plusintéressante dans les périodes les plus chères(heures de pointe) selon le contrat. Cet avantageéconomique lié à la mise en œuvre d’une sourceinterne, est indissociable d’un autre avantagetrès important : la possibilité de faire face à uneinterruption de la fourniture extérieure, et demaintenir les services essentiels.


c Optimiser l’énergie réactive, en installant undispositif de compensation afin de supprimer lespénalités facturées (ce qui a aussi pour effet deréduire les pertes d’énergie active).

c Déplacer les consommations vers les périodestarifaires les moins coûteuses, quand c’estpossible. Certaines consommations d’énergiepeuvent être différées sans entraver laproductivité ni nuire au confort des occupants,par une gestion des récepteurs à l’aide d’unsystème automatique de commande.

Couramment, cette solution est appliquée pourla production d’eau chaude sanitaire avec les

chauffe-eau à accumulation (ballons d’eauchaude) ainsi que pour les systèmes dechauffage électrique à accumulation.

Une autre application : dans certains pays, desvolumes importants de glace formés pendant lesheures à faible tarif sont utilisés par dessystèmes de réfrigération pour l’air conditionné.

Dans tous les cas, sauf s’il s’agit d’un simpledélestage rendant impossible temporairementune opération ou un service, l’installation devraêtre conçue pour permettre ce type defonctionnement.

3.3 Renégociation du contrat

Si l’utilisation du contrat de fourniture d’énergieélectrique existant est déjà optimisée, il esttoujours possible de négocier sa modification :par exemple d’adapter la puissance souscrite àl’activité du bâtiment (juste quantité d’énergienécessaire et répartition dans le temps).

Il va de soi que plus le consommateur estimportant, plus le fournisseur sera flexible,même s’il est en position de monopole : lesdistributeurs ont aussi leurs difficultés dans lagestion de leurs ressources en énergie.

Cette négociation est bien sûr facilitée, si lafourniture d’énergie est en situationconcurrentielle. Les impératifs des différentsfournisseurs ne sont pas les mêmes, aussi leurspropositions peuvent donc être diversifiées, etpermettre des adaptations aux besoinsparticuliers du client.

Dans certains pays, il est possible de passer uncontrat unique avec un fournisseur d’énergie,

pour l’alimentation de plusieurs établissementsgérés par une même compagnie, ou par ungroupement d’intérêt de compagniesindépendantes. Les sites concernés ne sont pasforcément dans une même zone géographique :ils peuvent être dans des régions différentesd’un même pays voire, si les acteurs concernéssont internationaux, dans différents pays. Cescontrats « multisites» permettent d’optimiser lagestion de l’énergie électrique avec plus delatitude, à condition d’en maîtriser la complexité.

Il est parfois possible de faire appel à plusieursfournisseurs d’énergie selon le besoin. Danscertains pays, les fournisseurs et les principauxacheteurs peuvent être mis en relation par des« Bourses de l’énergie », pour ensuite négocieren direct sur des quantités d’énergie à fournir aujour le jour. L’accession à ce marché, qui permetd’obtenir le meilleur prix à tout moment, est biensûr réservé aux clients les plus importants.


4 Réduire la consommation d’énergie

L’économie en terme de coûts étant le souciprépondérant des exploitants, la premièreapproche, objet du précédent chapitre, estd’essayer de payer moins cher une mêmequantité d’énergie. Cette approche est la plusfacile, car elle ne nécessite pas de changerprofondément les comportements ou lesinstallations.

La démarche de réduction des coûtsénergétiques impose de passer à l’étapesuivante : s’efforcer d’utiliser une moindrequantité d’énergie pour le même résultat.Réduire les consommations est aussi fortementencouragé par les besoins des autorités derégulation (cf. chapitre 1).

Cela implique de modifier techniquement laconception du bâtiment à construire, ou pour lesbâtiments existants, de concevoir et de réaliser

des travaux d’amélioration, d’adapter denouveaux systèmes, voire de faire évoluer lesprocédures et les comportements desutilisateurs. En dehors du process, il s’agit deréduire l’énergie consommée par les systèmesfonctionnels du bâtiment (à capacité deproduction égale et à confort égal) présentésdans les sous-chapitres suivants.

Il faut cependant souligner que cette démarcheconcourt à améliorer et moderniser l’outil deproduction (apports de solutions nouvelles à lafois en performance et en qualité) : elle satisfaitdonc aussi à une nécessité professionnelle.

Le plus souvent, pour un bâtiment abritant unprocess industriel, le gisement principald’économie se trouve dans l’outil de productionqu’il faut donc étudier avec les spécialistes dumétier considéré.

4.1 Economie sur le système de CVC

CVC désigne chez les professionnels lesfonctions de Chauffage, Ventilation, Climatisation.

Les systèmes de CVC ont pour fonctiond’adapter la température intérieure et l’airambiant aux normes de confort. Mais il est ànoter que la diversité des climats dans le mondeconduit à des situations différentes :c dans les pays à climat équatorial ou tropical, leconfort consiste à réfrigérer les bâtiments,c dans les pays à climat tempéré, océanique oucontinental, le chauffage est indispensable enhiver, la climatisation est utile en été et parfoisindispensable.

Dans beaucoup de bâtiments, la CVC est lepremier ou le deuxième poste de dépensed’énergie.

Le chauffageLes systèmes de chauffage sont utilisés depuistoujours quand la température extérieuredescend au-dessous d’un seuil de confort(notion très relative dans le temps et dansl’espace). La plupart des pays d’Afrique, d’Asiedu Sud et d’Amérique Latine n’utilisent aucunchauffage.Le choix du mode de chauffage et de sa sourced’énergie, qui doit être fait dès le début de laconception d’un bâtiment, est du ressort desspécialistes, architectes et thermiciens.

Dans tous les cas, la recherche d’économiepasse par les actions suivantes :

c Limiter les pertes thermiques du bâtiment

Selon le niveau et la variation de la températureextérieure ce sont les systèmes de chauffage oude réfrigération (climatisation) qui maintiennentla température intérieure dans la plage deconfort (typiquement de 18 à 22 °C). En régimeconstant ces systèmes apportent ou retirentexactement la chaleur nécessaire pourcompenser les pertes thermiques du bâtiment(cf. fig. 4 page suivante).

La première démarche est de minimiser cespertes. Pour cela il est possible de :v concevoir les parois extérieures limitant laconduction thermique, et les dissipations parrayonnement,v isoler également la toiture,v utiliser des vitrages et des fermetures àisolation thermique (fenêtres à double vitrage,portes isolées),v traiter les ponts thermiques (encadrementsdes ouvertures, structures porteuses telles quepiliers ou poutres…),v prévoir des occultations (volets) pour diminuerles pertes par les ouvertures,v adapter des dispositifs pare-soleil pour éviter lerayonnement solaire quand il s’agit de refroidir.


Toutes ces actions sont plus aisées lorsqu’ellessont engagées dès la conception d’un bâtimentneuf, et donc moins coûteuses que pour desbâtiments existants sur lesquels les travauxd’isolation ou de rénovation sont contraignants.Des solutions moins onéreuses peuventcependant être appliquées aux bâtimentsexistants notamment en réduisant les entrées d’airextérieur occasionnées par l’ouverture des porteset des fenêtres ou en réalisant un sas d’entrée.

Dans tous les bâtiments, des interventions sur laconduite du chauffage permettent aussi deséconomies :

c Empêcher l’utilisation simultanée du chauffageet de la climatisation

c Eviter tout usage abusif du chauffage :v Dans tous les bâtiments où se pratiquent desactivités commerciales, industrielles ouadministratives, une température de 20 °C à22 °C ne devraient pas être dépassée enpériode de chauffage. Dans les hôpitaux etcentres de santé les températures de consignesont nécessairement plus élevées ; au contraire,les gymnases et salles de sport admettent desambiances plus froides.v Empêcher ou limiter l’ouverture des fenêtres(en période de froidure comme de forteschaleurs), ou asservir les systèmes individuelsde chauffage (et de réfrigération) à la fermeturedes fenêtres.v Ne pas chauffer, ou éventuellement nemaintenir qu’hors gel, les locaux inoccupés oupartiellement occupés (stocks, locaux techniques).

Fig. 4 : flux énergétiques dans le bâtiment.

Pour les bureaux individuels, les chambres, etc.,il est possible de commander le fonctionnementdu chauffage local, ou l’ouverture d’un volet d’air,par un détecteur de présence.

c Optimiser le rendement des générateurs dechaleur

Un système de chauffage peut être individuel oucentralisé.v Un système individuel fait généralement appelà des radiateurs électriques (convecteur, radiantou soufflant) qui chauffent séparément chaquevolume du bâtiment (bureaux, chambres, partiescommunes). Cependant, bien que le rendementd’un radiateur électrique soit de 100 % (toutel’énergie utilisée est transformée en chaleurdans le bâtiment), ce mode de chauffage estrarement le plus économique. Pour êtreperformant, il doit être contrôlé de manière àinterrompre le chauffage dès qu’un local n’estpas utilisé.v Un système centralisé comprend un générateurde chaleur et un circuit de distribution. Lorsquela chaleur est achetée à un fournisseur, l’énergieest livrée par des canalisations d’eau chaude etun comptage thermique permet la facturation.Dans les autres cas, l’énergie calorifique estgénérée dans une chaudière située dans lebâtiment. Pour avoir un bon rendement, unechaudière doit être de conception récente,réglée et entretenue par un personnel qualifié.Son rendement peut être suivi, quelque soit lecombustible, par la surveillance du taux de CO2et de la température des fumées.

Process

Energieélectrique

Pertes thermiques

Energie nonélectrique

20 °C

0 °C

Process

Climatisation

Energieélectrique

Energie nonélectrique

20 °C

40 °C


c Utiliser des pompes à chaleurSeule ou en combinaison avec une chaudière, ilest possible d’utiliser une pompe à chaleur dontle type dépend de la source de chaleur.v La source de chaleur peut être l’air extérieur,mais alors la pompe ne peut pas être utiliséeefficacement au-dessous d’une limite detempérature, à cause du givrage. Les pompes àchaleur « air-eau » ou « air-air » sont doncsurtout utilisées en demi-saison, la chaudièreprenant la relève pendant les plus grands froids.v La source de chaleur peut aussi être de l’eausouterraine quand elle est disponible (cf. fig. 5 ),ou le sous-sol. Les pompes à chaleur sont alorsdu type « eau-eau » et présentent une plusgrande plage d’utilisation, n’étant pas limitée parla température extérieure.

Nota : Le rendement d’une pompe à chaleur estmesuré par son coefficient de performance (COP),qui est le ratio de l’énergie thermique délivréedans des conditions de température spécifiées,sur l’énergie électrique consommée par lecompresseur (et le ventilateur éventuellement).Le COP d’une pompe à chaleur « air-eau »atteint 2 à 3,5 selon la température de l’air.Une pompe à chaleur « eau-eau » atteint unCOP de 3 à 5.

c Utiliser un chauffage solaire

Cette solution présente deux difficultés : ellenécessite une bonne exposition (orientation)pour l’installation de capteurs solaires, et ladisponibilité de la chaleur est par nature sujetteaux variations météorologiques. Elle ne peut êtrequ’un appoint thermique.

c Optimiser les circuits caloporteurs

Lorsque l’énergie thermique est distribuée vers lesdifférents locaux par un circuit d’eau ou d’air, dansle cas d’un système de chauffage centralisé, pour

économiser l’énergie il convient aussi de réduirela déperdition thermique le long des canalisations.L’isolation des tuyaux d’eau ou des conduites d’airest indispensable, surtout dans les zones nonchauffées (gaines, chaufferie, locaux techniques).Il faut aussi réduire la consommation électriquedes pompes ou des ventilateurs en adaptant desvariateurs de vitesse, qui assureront la propulsionjuste nécessaire au besoin à couvrir.

c Optimiser le contrôle du chauffage

Le système de contrôle du chauffage doit assurerle confort des utilisateurs avec une consommationminimale d’énergie (cf. fig. 6 page suivante).

En régime normal, tous les locaux effectivementutilisés doivent être à la température de confort.Pendant les périodes de non-utilisation (nuit, finsde semaines, vacances), la température peutêtre abaissée de plusieurs degrés.En permanence, le maintien d’une températureminimale « hors gel » est nécessaire pour nepas dégrader les locaux et le matériel contenu.

Cette optimisation nécessite une programmationqui doit tenir compte :v De l’inertie thermique du bâtiment. Ainsi, lechauffage doit être remis en service quelquesheures avant l’arrivée des occupants ; de mêmeson interruption peut être commandée avant leurdépart. Il est très intéressant de régler cespériodes au plus juste, en admettant une légèrebaisse transitoire du confort.v De l’occupation des locaux avec la possibilitéde régler indépendamment la température desdifférentes parties du bâtiment, de façon à nepas chauffer un local inutilisé ou utilisé de façonintermittente.v Du climat extérieur (température extérieure,vent, ensoleillement) de façon à estimer ladéperdition thermique du bâtiment.

Fig. 5 : pompe à chaleur « eau-eau ».

Evaporateur

Condenseur

Détendeur

Circuit de chauffage(radiateur, serpentin…)

Compresseur

Circulation d'eausouterraine

Circuit à fluide réfrigérant Circuit d'eau primaire

Circuit d'eau secondaire


v Des « apports gratuits » que constituent lerayonnement solaire, le métabolisme despersonnes présentes (environ 75 W /personne),ainsi que de la chaleur générée par les process(cuisine par exemple) et par l’éclairage intérieur.Ces apports gratuits sont pris en compte par lesthermostats d’ambiance intérieure.

Enfin, pour un meilleur confort des utilisateurs, ilest souhaitable de régler individuellement latempérature de consigne de chaque bureau.L’ajustement est réalisé par une vannethermostatique commandant un radiateur à eau,ou par un volet commandant l’arrivée d’air.

La réfrigération de l’air ambiant(« climatisation » ou « air conditionné »)

Elle est nécessaire dans les pays à climatchaud, et est de plus en plus utilisée dans lesrégions tempérées pendant les périodesestivales. C’est un élément de confort important,souvent incontournable, ainsi qu’un posteimportant de dépense en énergie électriquedans le bâtiment.

Variateurde vitesse

ChaudièrePompe decirculation

Capteur θ

RadiateursConvecteur

Capteurs θ intérieursThermostat d'ambiance

Sonde θ extérieure

Automate de gestion

Deux types d’installation sont possibles : desunités individuelles pour chaque partie dubâtiment (bureau, chambre…), ou un systèmecentralisé comprenant une batterie de groupesgénérateurs de froid et un circuit de distributionde froid par air ou par eau.Dans les deux cas, le fonctionnement de baseest le même : un circuit frigorifique comportantun compresseur absorbe la chaleur de l’airintérieur et la rejette à l’extérieur (cf. fig. 7 ).Pour économiser l’énergie consommée par uneclimatisation, la plupart des solutions exposéesprécédemment pour le chauffage sontapplicables. Toutefois il faut souligner :c qu’il est préférable d’avoir une température deconsigne de l’ordre de 25 °C, qui est tout à faitcompatible avec le confort et l’efficacité ;c que les systèmes frigorifiques nécessitent unemaintenance régulière. En effet, toute fuite defluide frigorifique a pour effet de faire chuterfortement le rendement de l’unité. De même, lapropreté des échangeurs influe beaucoup surleur efficacité ;

Fig. 6 : circuit caloporteur à eau.

Fig. 7 : circuit frigorifique de climatisation.

Evaporateur

Sondes de température

Régulation

Condenseur

Ventilateur Ventilateur

Détendeur

Compresseur

VVD


c que les nouveaux systèmes présententgénéralement un rendement optimal, car leursparamètres internes (pression, vitesse…)s’adaptent automatiquement au besoin thermiqueinstantané.Il est à noter que, contrairement au chauffage,il n’y a pas d’apport gratuit pour la réfrigération etque tout dégagement d’énergie calorifique (parexemple par des lampes à incandescence) dansun bâtiment réfrigéré augmente la dépense enénergie absorbée par le compresseur (cf. fig. 8 ).

Le renouvellement de l’air ambiantIl s’agit d’extraire l’air intérieur, vicié par l’activitéet la fréquentation du bâtiment, et de le remplacerpar la même quantité d’air extérieur « frais ».Cette fonction est liée au chauffage et à laclimatisation, car :c le système de distribution d’air est souventutilisé pour adapter la température,c le volume d’air extérieur injecté doit être amenéà la température de consigne, et ce besointhermique s’ajoute aux déperditions du bâtiment.

C’est un poste important de la consommationd’énergie (cf. fig. 9 ). Pour le réduire différentsmoyens sont envisageables.

c L’asservissement de l’extraction d’airUne ambiance confortable pour les personnesoccupant le bâtiment nécessite un système derenouvellement d’air, car :v la température et le taux d’humidité doiventrester dans les limites spécifiées,v la concentration de polluants de quelquenature que ce soit (produits par l’activitéindustrielle des occupants du bâtiment) doitrester acceptable,v le dioxyde de carbone (notamment produit parla respiration des personnes présentes) doit êtreextrait du bâtiment.

C’est pourquoi les systèmes de renouvellementd’air sont obligatoires et que leur fonctionnementa d’autant plus d’importance pour la sécurité et leconfort, que le nombre de personnes présentesest grand.Tous les bâtiments ont donc un système derenouvellement d’air pour toutes les pièces dubâtiment. Ce sont généralement des systèmes

Fig. 9 : exemple d’économie réalisée avec lamodification de l’installation de ventilation des chambresdans un grand hôtel (source Schneider Electric).

Fig. 8 : influence des apports gratuits : exemple simpled’une lampe à incandescence de 100 W.

c En demi saisonPériode sans chauffage ni climatisation,la dépense énergétique est de 100 W.

c En période de chauffageLe dégagement calorifique, pris en compte parle thermostat, réduit la consommation duchauffage et le coût résultant de l’éclairageest nul.

c En période de climatisationA la consommation de l’éclairage (100 W)s’ajoute la consommation du compresseur(30 % typiquement) nécessaire à l’évacuationde cette chaleur. La dépense totale est alorsde 100 + 30 = 130 W.

Le système existant comportait un caisson detraitement d’air et 2 moteurs (extraction etsoufflage) de 16 kW à 1400 tours / min.De façon à réduire le débit d’air extrait etinsufflé pendant les heures de faible occupationdes chambres, la solution a consisté à équiperde variateurs de vitesse les 2 moteurs, et deles piloter par un programmateur horaire.

Coût de l’installation : 5000 €Economie annuelle : 22 % de la ventilationsoit 1900 €Temps de retour de l’investissement : 2,6 ans

centralisés comportant une unité de traitementd’air et un réseau de canalisations. En règlegénérale, ces systèmes sont étudiés pourremplir leur fonction avec une occupationmaximale des locaux (personnel habituel etvisiteurs occasionnels). Or, en occupationnormale, ce surdimensionnement du débit d’airest un important gaspillage d’énergie. Réguler ledébit d’air extrait selon la concentration de CO2dans l’espace intérieur permet d’adapter lafonction du système à la demande. Avec plusieursdétecteurs de taux de CO2, il est possibled’ajuster les débits par zones (cf. fig. 10 ).

Fig. 10 : ventilation contrôlée par le taux de CO2 .

Système de contrôle

Ventilateurd'extraction

Gaine d'extraction

Capteurs de CO2

M M MVVD


Remarque : Dans un parking, c’est le taux demonoxyde de carbone (CO) émis par lesvéhicules qui doit être contrôlé et une économiesubstantielle est aussi réalisable en adaptant ledébit de la ventilation au besoin réel.

c La ventilation mécanique à récupération dechaleur

En période de chauffage et / ou de réfrigération,le renouvellement de l’air intérieur conduit àrejeter à l’extérieur de l’air à 20 °C, pour le

remplacer par de l’air à 0 °C qu’il faut chauffer(ou à 40 °C qu’il faut réfrigérer). Pour réduirecette perte d’énergie, un échangeur à contre-courant entre l’entrée et la sortie d’air peut êtreinstallé. Il transfère l’énergie du flux le pluschaud vers le flux le plus froid.

L’économie réalisable est importante, mais cefonctionnement doit être prévu dès la conceptiondu bâtiment, par exemple pour la disposition desconduits.

4.2 Economie sur l’eau chaude sanitaire

Il faut distinguer l’eau chaude nécessaire à unprocess de l’eau chaude sanitaire.L’eau chaude qui entre, en plus ou moins grandequantité, dans un process de production faitgénéralement l’objet d’un traitement spécifique(voir § Cogénération en annexe).L’eau chaude sanitaire (ECS) utilisée le plussouvent pour les besoins d’hygiène, mais aussipour des fonctions particulières, par exemplepour une cuisine ou un bar, ainsi qu’au nettoyagedes locaux, est un service du bâtiment.

Pour économiser l’énergie utilisée pour laproduction d’eau chaude, plusieurs solutionssont possibles, voire cumulatives.

Mesurer les consommations d’eau chaude(volumes consommés), par zone du bâtiment,par service… afin de localiser les consommationsanormales, de responsabiliser les utilisateurs, etéventuellement de leur imputer la dépense.

Détecter et supprimer les fuites d’eau chaudeUne fuite d’eau chaude, même minime, parcequ’elle a lieu en permanence, représente unvolume important comparé aux quantitésutilisées. Relativement à la consommationd’énergie utile, le gaspillage peut donc êtreconsidérable. Il convient donc d’assurer un bonentretien de la robinetterie.

Eviter les consommations inutiles

Choisir une robinetterie à détecteur de présenceou à arrêt automatique, ou des dispositifssanitaires économes en eau.

Optimiser la température de consigne dusystème de production

Pour une utilisation sanitaire, la température nedevrait pas être supérieure à 55 °C, mais leconfort des personnes est assuré avec 45 °C.

Prévoir et optimiser une boucle de circulationIl y a une distance à ne pas dépasser entre laproduction et l’utilisation, de l’ordre d’une dizainede mètres, faute de quoi l’eau coule froide troplongtemps. Outre que le consommateur perçoit undéfaut de confort, le volume d’eau chaudeeffectivement consommé est la quantité totalepuisée : la majeure partie de l’énergie est perdue(elle sert à réchauffer le tuyau à chaque usage).

Pratiquement :

c dans les installations non résidentielles, il fautprévoir une production répartie (chauffe-eau àmoins de 10 m de chaque point d’utilisation) ;

c dans les bâtiments où il y a beaucoup de pointsd’utilisation (hôtel par exemple), une boucle estprévue dans laquelle l’eau chaude circule àproximité immédiate des utilisations. Ses tuyauxdoivent être isolés efficacement et le débit de lapompe de circulation adapté de façon à obtenirau retour une température juste suffisante (40 °C)en l’absence de tout puisage. Pour cela, unecommande de la pompe par variateur de vitesseest intéressante. Enfin, il est aussi possible, enfonction du profil de la courbe d’utilisation,d’arrêter la circulation quand le besoin d’eauchaude est statistiquement improbable.

Utiliser une pompe à chaleur dédiée à l’ECSIl existe des unités de production d’eau chaudesanitaire à partir d’une pompe à chaleur, lasource de chaleur étant soit l’air extérieur, soitl’air ambiant du local technique dédié auchauffage. Cette solution présente l’intérêt depouvoir fonctionner toute l’année. Elle estparticulièrement intéressante dans les pays àclimat chaud, où elle assure une économie de60 % par rapport à un chauffe-eau électriquedirect. Dans les pays ayant une saison froide, unappoint par résistance est nécessaire.


4.3 Economie sur l’éclairage

L’éclairage est dans tous les bâtiments uneprestation incontournable : il contribue à assurerla sécurité, le confort des occupants et laproductivité des activités.C’est un poste souvent très important dedépense d’énergie, et parfois le premier.Les principales approches d’économie d’énergiepour cette prestation sont les suivantes.

Réduire la puissance installée

Utiliser des lampes de conception récente, qui àflux lumineux égal ont une puissance nominalefortement diminuée, notamment les lampes fluo-compactes (- 70 % par rapport aux lampes àincandescence), les tubes fluorescents récentsde petit diamètre (- 30 % par rapport aux tubesclassiques) ; utiliser des lampes à ballastélectronique (- 20 % par rapport aux ballastferromagnétiques).Utiliser des luminaires de conception récente,dont l’optique utilise au mieux le flux lumineuxémis par les lampes.L’économie sur la facture de consommationélectrique est alors doublée d’une économie surla durée de vie et la maintenance par lasimplification qu’offre le matériel performant.Le confort visuel est également amélioré.

Supprimer les allumages inutilesc En fonction du niveau d’éclairement naturelv Dans un bâtiment, les zones situées près desfenêtres extérieures nécessitent moins d’apportlumineux que les zones intérieures. Tenircompte de cette remarque de bon sens permetd’économiser une proportion de l’énergieconsommée, variable selon l’éclairement naturelintérieur pendant les heures de jour. Eclairementqu’il faut évidemment compléter lors des heuresde service quand la nuit est tombée. Cettefonction peut être assurée par un dispositif decommande de l’éclairage intégrant une mesured’éclairement ou par des gradateurs insérésdans les luminaires qui font varierautomatiquement le flux émis en fonction de lalumière extérieure (cf. fig. 11 ).v A l’extérieur, il est aussi possible de réduirel’éclairage (parkings, allées, accès) aux heuresles plus sombres. Cependant, comme dans lapénombre (au crépuscule) l’œil a besoin de plusd’éclairage artificiel que dans la nuit noire, il estjudicieux de prévoir un détecteur de niveaud’éclairement et une horloge assurant ladiminution progressive de la tensiond’alimentation des sources lumineuses.

c En fonction de la présence des occupantsSauf un éclairage minimum de sécurité, il ne fautpas éclairer en permanence des zones nonoccupées ou occupées par intermittence. Sont

notamment concernés les couloirs, escaliers etpaliers qui ne sont que des lieux de passage etles entrepôts et locaux techniques sansprésence humaine permanente.La minuterie classique est déjà une sourced’économie importante.Pour plus de performance et de confort, il existedes détecteurs de présence, qui sont mêmeintégrables dans les luminaires : lorsqu’ilsidentifient un mouvement, ils commandentl’éclairage des lampes situées à proximité quirestent allumées tant que le mouvement estdétecté. En l’absence de mouvement, leslampes s’éteignent après un temps réglable(quelques secondes à quelques minutes).

Concevoir un système automatisé de gestionde l’éclairage

Des systèmes automatisés communiquant avecles différents organes (luminaires, interrupteurs,détecteurs, appareils de mesure) permettent decommander des éclairages séparément, parzone géographique, par type de point lumineux,par fonction et individuellement. Ces systèmessont paramétrables, reconfigurables et flexibles.L’économie d’énergie qu’ils permettent estmaximale, tout en assurant le confort parfait del’utilisateur.

Fig. 11 : modification de l’installation d’éclairage descouloirs d’un grand hôtel (source Schneider Electric).

Remplacement de l’allumage permanent parallumage automatique sur détection deprésence, et utilisation d’un interrupteur horaireprogrammable :

c Les détecteurs utilisés ont un rayon dedétection de 12 m, et commandent jusqu’à500 VA de tubes fluorescents ou lampesfluocompactes. Ils sont installés en plafond tousles 20 m de façon à assurer le recouvrementdes zones de détection.

c L’interrupteur horaire commande lefonctionnement suivant : aux heures depassage intensif, 50 % des lampes sontallumées en permanence, et 50 % s’allument aupassage d’une personne. Aux heures creuses,50 % sont éteintes et 50 % s’allument aupassage d’une personne.

Coût de l’installation : 2 000 €Economie annuelle : 50 % de l’éclairage descouloirs soit 1 200 €Temps de retour de l’investissement : 1,7 an

Nota : un éclairage de sécurité est déjà enplace.


4.4 Réduction des pertes d’énergie électrique

Le réseau électrique lui-même consommetoujours de l’énergie. De plus s’il n’est pasconvenablement conçu et adapté aux besoindes utilisateurs, le réseau est une cause degaspillage d’énergie et en même temps nedonne pas toute satisfaction en terme de qualitéet de disponibilité d’énergie.

Amélioration du facteur de puissance

L’énergie réactive est consommée dans le circuitmagnétique des charges telles les moteurs etpar les éclairages fluorescents non compensés.En l’absence de correction, le courant circulantdans les conducteurs est augmenté, pour unemême énergie active utilisée. Un ensembleimportant de ces charges selfiques implique un

déphasage entre l’intensité et la tension dansl’installation électrique du site. Le cosinus del’angle de ce déphasage est appelé facteur depuissance : cos ϕ = FP.

Pour cos ϕ = 1, l’intensité et la tension sont enphase et l’intensité est minimale ; plus l’écart estimportant avec cette valeur idéale, plus le fonction-nement est dégradé, avec pour conséquences :c une surintensité sur le réseau électrique dusite, ainsi que sur le réseau public d’alimentation,c des pertes supplémentaires par effet Joule surtout le réseau,c une surcharge et un échauffement destransformateurs et une limitation de la puissanceactive disponible (cf. fig. 12 ),

Fig. 12 : extension d’un réseau industriel avec compensation d’énergie réactive (source Schneider Electric).

Le besoinAjouter dans une installation industrielle existantecomportant un transformateur de puissanceSn = 630 kVA, pour alimenter un ensemble decharges de puissance active P = 450 kW avec uncos ϕ = 0,8, une charge de puissanceP2 = 100 kW avec cos ϕ = 0,7.

Vérification préalableLa puissance apparente consommée est :S1 = P1 / cos ϕ = 450 / 0,8 = 563 kVA

et la puissance réactive est :

Q S P 338 kVAR1 12

12= − = .

La puissance apparente de la chargesupplémentaire est :S2 = P2 / cos ϕ = 100 / 0,7 = 143 kVA

sa puissance réactive est :

Q S P 102 kVAR2 22

22= − = .

La puissance apparente totale à fournir par le

transformateur est S P Q2 2= +

avec P = P1 + P2 = 550 kWet Q = Q1 + Q2 = 440 kVAR soit S = 704 kVA.Le nouveau facteur de puissance estcos ϕ = P / S = 0,78.

Le constatLa puissance du transformateur existant estinsuffisante pour alimenter cet ensemble de charges.

La solution : compenser l’énergie réactive.Définition de la batterie de condensateurs, pourcela la puissance réactive corrigée doit permettrel’inégalité :

S P Q 630 kVA2 2= + < donc :

Qmax S P 6 5 307 kVAR2 2 2 2= − = − =30 50Il faut donc prévoir au minimum :Q - Qmax = 440 - 307 = 133 kVAR qui donne uncos ϕ minimum = P / S = 550 / 630 = 0,873

Un banc de condensateurs de 200 kVAR estinstallé, d’où : Q = 440 - 200 = 240 kVAR et

S P Q 6 0 kVA2 2 2 2= + = + =550 240 0

avec un cos ϕ = P / S = 550 / 600 = 0,917.Ceci pour un coût de 12 000 € (banc decondensateurs automatisé).

Avantagesc Des économiesv d’énergie active correspondant à l’échauffementdes circuits : 3 000 kWh / an soit 200 € / an,v sur la puissance maximale appelée (en kVA) :2 500 € / an,v par suppression de 7 000 € / an de pénalités(arrêt de la consommation de 250 000 kVARh / an).

c Le changement du transformateur par un pluspuissant n’est pas nécessaire : une réserve depuissance est encore disponible.

c Le fonctionnement de ce transformateur dans demeilleures conditions dont la durée de vie seraplus longue.

c Un temps de retour sur investissement court :1,3 an.

S1

P1P

Puissance apparentenominale du transformateur

450 kWcos ϕ 0,8

630 kVA

100 kWcos ϕ 0,7 200 kvar

CondensateursS2

Q1

Q2

P2

QcSc

Q

S


c une chute de tension en bout de ligne, qui peutinduire un fonctionnement anormal de certainsrécepteurs sensibles,c dans de nombreux cas, une pénalité financièrefacturée par le distributeur d’énergie (dont lesinstallations, elles aussi, sont surchargées parl’énergie réactive consommée par leurs clients),pénalité dont les modalités de calcul sontvariables selon le pays et le distributeur.

La solution à ce problème est d’installer desgénérateurs d’énergie réactive (descondensateurs) soit au plus près des chargesqui la consomment (compensation locale), soitdans des points choisis du réseau électrique(compensation centrale).La compensation est faite sur la partie bassetension du réseau électrique et parfois, dans lecas d’installations plus puissantes, sur la partiemoyenne tension.Une compensation correcte permet de maintenirle fonctionnement d’une installation à un facteurde puissance supérieur à 0,93 qui est considérécomme satisfaisant.Mais une installation ne fonctionne pas enpermanence dans la même configuration : descircuits sont commutés, des charges sont misesen service ou hors service, des moteursdémarrent et s’arrêtent. Et il n’est pas souhaitablede laisser connectée en permanence lacompensation calculée pour la charge maximale,car il y a un risque de « surcompensation » avecdes surtensions nuisibles à l’installation et auxéquipements. En pratique, une compensationoptimale peut être réalisée avec descondensateurs groupés en « gradins », chaquegradin étant connecté au circuit électrique par uncontacteur piloté par un régulateur assujetti aufacteur de puissance mesuré.

Réduction du taux d’harmoniques

Des « harmoniques » (courants ou tensions defréquence multiple de la fréquence defonctionnement 50 ou 60 Hz) sont générés parcertains récepteurs dits « non linéaires »,notamment ceux qui comportent del’électronique : appareils ménagers, ordinateurs,onduleurs, variateurs de vitesse… Ils sesuperposent au courant ou à la tension duréseau électrique.Ces harmoniques, renvoyés en amont sur leréseau, constituent une pollution pour tous lesautres récepteurs dont certains sont trèssensibles. De plus ils sont aussi la cause depertes d’énergie par effet Joule, qui peuventcouramment atteindre 10 % dans lesconducteurs, les transformateurs et tous lesrécepteurs.Préserver la qualité de l’énergie électrique(forme d’onde, fréquence…) oblige à réduire ouéliminer ces harmoniques, et pour cela à mettreen place des filtres anti-harmoniques adaptés auréseau et aux récepteurs du bâtiment dont laconception nécessite des études très spécialisées.

Dans des cas industriels très spécifiques (foursde métallurgie, machine à souder) les filtres sontinsuffisants, c’est le réseau électrique qui doitêtre initialement conçu pour cette utilisation.

Réduction des pertes thermiques sur leréseau électrique

Ces pertes sont produites par le passage ducourant dans toutes les parties du réseauélectrique du bâtiment (effet Joule).Le remplacement d’anciens appareils ouéquipements par d’autres matériels récentspermet de réduire de manière significative cespertes :

c les transformateurs de distribution (jusqu’à3 MVA)Les évolutions technologiques des matériaux eten particulier des tôles magnétiques permettentune réduction des pertes à vide de 15 à 20 %quelque soit le type de transformateur, immergéou sec.

c les tableaux et coffrets électriquesC’est une recherche sur leurs architectures derépartition qui a permis de réduire les longueursdes conducteurs d’environ 40 % dans lestableaux généraux basse tension - TGBT - etainsi leurs pertes par effet Joule d’environ 30 %(cf. fig. 13 page suivante). A cette économied’énergie doit être ajoutée celle réalisable par lechoix des appareils qui y sont intégrés.C’est le cas notamment des contacteurs,souvent en nombre dans les automatismes parexemple, alors que la consommation d’un ancienensemble contacteur-disjoncteur d’un départmoteur de calibre 20 A « modèle D »consommait en maintien 20 W, un « modèle U »(marque Telemecanique) ne demande que 7 W.De telles réductions peuvent également éviter declimatiser le local électrique.

c les ASI (Alimentation Sans Interruption)Le rendement des onduleurs varie selon lescaractéristiques de la charge alimentée (facteurde puissance notamment) et les technologiesrécentes ont permis une amélioration importantedu rendement des onduleurs d’autant plusintéressante que le facteur de puissance estélevé : de l’ordre de 10 à 15 % par rapport auxsystèmes plus anciens. En fonction de lapuissance du réseau secouru, il est doncpossible de réaliser une économie appréciableen remplaçant des onduleurs anciens.


Fig. 13 : évolution de l’architecture d’un tableau électrique entre 1980 et 2000 (source Merlin Gerin Alpes).

1234

1 2 3 4Arrivée

Départ

En 1980Longueur moyenne des liaisons dans un TGBT : 50 cm

1 2 3 4

Arrivée

Départ

En 2000Longueur moyenne des liaisons dans un TGBT : 5 cm

4.5 Autres économies

Economies sur les fluides

Les systèmes de production et de distributiond’air comprimé, comme de vapeur,essentiellement développés pour les besoinsdes process, sont des gisements très importantsd’économie d’énergie.La distribution d’eau peut faire aussi l’objet demesure d’économie, surtout lorsque la hauteurd’un bâtiment est importante, et rend nécessairedes pompes qui assurent une pressiond’utilisation convenable.

La distribution économique de ces fluides obéitaux mêmes règles :c adaptation de la pression de consigne auniveau strictement nécessaire au bonfonctionnement,c réglage automatique du régime des pompes àla demande, et diminution du nombre dedémarrages avec l’emploi de variateurs devitesse sur les moteurs des pompes,

c détection et élimination de toute fuite qui feraitfonctionner inutilement les pompes,c arrêt des pompes pendant les périodes denon-occupation.

Economie sur le fonctionnement dessystèmes mécaniquesLes ascenseurs, élévateurs, escaliers roulants etsystèmes de manutention sont mus par desmoteurs électriques avec un grand nombre dedémarrages et des variations importantes decharge.Là encore, des économies d’énergie sontréalisables par une maintenance sérieuseeffectuée par des professionnels, complétée decontrôles réguliers (les dérives de consommationsont souvent annonciatrices de panne).La commande des moteurs par des variateursde vitesse, outre les réductions deconsommation, offre une plus grande souplessede fonctionnement.

4.6 Avantages d’une bonne maintenance

La plupart des systèmes de confort et utilités dubâtiment doivent bénéficier de nos jours d’unemaintenance périodique préventive pour lesmêmes raisons (concurrence accrue et délaisréduits) que les process. Elle peut aussi êtrecomplétée par un contrôle continu de l’état dessystèmes. Par exemple, lorsqu’un simple moteurélectrique commence à avoir un fonctionnementanormal à cause d’un défaut de fabrication, d’undépassement de ses conditions normales defonctionnement ou d’usure, cela se traduit

presque toujours par des échauffementsanormaux, un ralentissement, une baisse de sonfacteur de puissance et une surconsommation.Ce défaut aboutit plus ou moins rapidement àune interruption de service, et pendant tout letemps où le défaut n’est pas détecté et corrigé,la consommation reste excessive.Ainsi, la maintenance limite le nombre et ladurée des interruptions de service, et elle permetde maintenir le rendement des différentséquipements dans les plages nominales.


4.7 Importance du comptage

Il en est de même dans tous les bâtiments àusage collectif : les comportements individuels etles consommations changent selon que lescharges d’un service commun sont réparties ousont affectées suivant des relevés deconsommation individuelle.

Cela peut paraître une évidence, mais l’une desplus importantes sources d’économie est lecomportement des personnes. Il est doncnécessaire, pour une organisation qui a desobjectifs de réduction des coûts, deresponsabiliser tous ses services sur leséconomies réalisables.

L’installation et le relevé de compteurs d’énergiedivisionnaires judicieusement placés avec, ounon, l’affectation des coûts réels (par service,par atelier, par étage, par système fonctionnel),

qui sensibilise les personnes concernées, est lapremière étape. Ces compteurs peuvent enmême temps mesurer l’énergie réactive, leschutes de tension, les courants harmoniques. Undispositif (automate ou ordinateur) peut êtredédié à la centralisation des mesures et àl’établissement d’outils de gestion.

La seconde étape est dans l’analyse et lacomparaison des consommations qui mettent enévidence les actions correctrices locales àentreprendre.Ce comptage peut être complété, pour lechauffage (et la climatisation), par un comptaged’énergie thermique et/ou par des relevés detempérature pour vérifier ou modifier desconsignes données.

4.8 La démarche d’audit énergétique

Voici la démarche (cf. fig. 14 ) que devrait suivreune entreprise quand elle exprime le souci demaîtriser l’énergie consommée dans sonbâtiment :v en connaissant la répartition des consommationsénergétiques du bâtiment par fonction, parsecteur, par étage… notamment avec lescomptages partiels, s’ils existent. Tous les typesd’énergie sont à prendre en compte additivement ;v en disposant de modèles de référencereprésentatifs de l’activité et du type de bâtiment.

c Selon le niveau de connaissance acquis,effectuer, si nécessaire, de nouvelles mesures.Par exemple, en installant des dispositifs desous-comptage d’énergie, en nombre suffisant,aux points de répartition des réseaux, pourl’électricité et éventuellement pour les autresénergies (gaz, fioul), pour l’eau chaude, l’aircomprimé, …

c Comparer les consommations mesurées parfonction avec les valeurs de référence desmodèles permet d’identifier les fonctions lesmoins performantes (équipement rudimentaireou obsolète, gestion ou organisation perfectible).

c Bâtir et chiffrer des avant-projets de travauxd’amélioration susceptibles de procurer leséconomies les plus importantes, puis sélectionnerun ou des projets étudiés, en fonction de leurefficacité et des retours sur investissement.

c Réaliser les modifications matérielles etorganisationnelles. En particulier former etinformer les utilisateurs, promouvoir lesnouveaux comportements.

c Faire le bilan : le total des énergies consomméesdonne un premier résultat de cette démarche.

Fig. 14 : la démarche de réduction desconsommations d’énergie.

Rassembler les informations

Effectuer des mesures complémentaires

Identifier les gisements d'économie

Etablir un projet chiffré de modifications

Réaliser les travaux

Suivre les consommationset vérifier les résultats

Une mesure des nouvelles consommationspartielles permet d’apprécier la pertinence dessolutions mises en œuvre. Toutefois l’impact destravaux effectués doit être estimé avecréalisme : il faut, par exemple, tenir compte desvariations climatiques, du niveau d’activité et dela fréquentation du bâtiment, du nombre de jourstravaillés, …

A partir de ces résultats, envisager d’autresprojets d’économie d’énergie.


5 Etudes de cas

5.1 Optimisation de la facture d’énergie d’un hôpital

Cet hôpital, situé dans un pays d’AmériqueLatine, cherchait à réduire ses dépensesd’électricité.

Dans le cas d’une structure de santé, lacontinuité de fourniture est évidemment uneexigence majeure ; il existait donc uneinstallation de trois groupes électrogènes utiliséspour faire face aux interruptions d’alimentation.L’examen des factures d’électricité mettait enévidence :c un très important surcoût correspondant à lapuissance appelée dans les périodes « heuresde pointe » définies par la régie,c des pénalités pour consommation excessived’énergie réactive.

La solution proposée, et qui a été mise enœuvre, comprend :c une installation d’un système de contrôleautomatique pour l’exploitation des troisgénérateurs existants,c une installation de batteries de condensateurspour la compensation d’énergie réactive,c un dispositif de contrôle de la demanded’énergie électrique.

Le comparatif des factures avant et après lamodification a mis en évidence une économieglobale de 17 % (cf. fig. 15 ).Compte tenu du prix des travaux effectués, ledélai de retour sur investissement a été estimé à2,6 ans.

Fig. 15 : comparatif des factures de fourniture d’électricité d’un hôpital, avant et après modifications.

Avant Après EconomieUS$ US$ US$ %

Charges fixes 13 13 0 0Autres charges 1 092 1 092 0 0Energie 121 768 111 296 10 472 9Demande maximale 17 600 15 840 1 760 10Demande heures de pointe 49 308 0 49 308 100Pénalité FP 1 525 0 1 525 100Fonctionnement des groupes 30 583 -30 583

191 306 158 824 32 482 17

5.2 Installation de ventilation avec variateur de vitesse

Dans la grande majorité des installations deventilation, le ventilateur est mu par un moteurconnecté directement au réseau. Le moteur nepeut donc tourner qu’à sa vitesse nominale.Le débit d’air circulant dans les canalisationsest adapté en amont ou en aval du ventilateurà l’aide de ventelles ou volets dont l’inclinaisondéterminera la section de passage et le débit.

L’installation d’un variateur de vitesse permetd’éliminer les ventelles, le débit d’air étant régléuniquement par la vitesse de rotation dumoteur. Les avantages sont nombreux(cf. fig. 16 ) :c le démarrage se fait progressivement, sanspointe de courant, avec un bruit réduit, sanséchauffement du moteur ;c le facteur de puissance est nettementamélioré, au démarrage et en régime établi ;c la durée de vie du moteur est allongée ;

Fig. 16 : courbes débit – puissance d’un ventilateur.

100Puissance consommée (%)

Débit(%)

Réglage par ventelles au refoulement

80

60

40

20

20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Réglage par ventelles à l'aspiration

Réglage par vitesse variable


c l’économie d’énergie est importante : en effet,à partir d’un point de fonctionnement nominal àdébit maximal, le comportement du système esttrès différent avec ou sans variateur (voir courbedébit – puissance du ventilateur) ; ainsi, pour undébit égal à 80 % du débit nominal, la réductionde puissance consommée est de 3 % sansvariateur, et 50 % avec variateur ;c enfin, avec les variateurs modernes équipés defiltrage les réjections de courants harmoniquessur le réseau amont ne sont plus à craindre.

Des logiciels de calcul permettent d’évaluerprécisément l’économie réalisée et le retour surinvestissement.

Fig. 17 : économies réalisables par l’utilisation d’un variateur de vitesse pour une ventilation(Référence du variateur : ALTIVAR-Telemecanique ATV58HD28N4, avec inductance de ligne incorporée,source Schneider Electric).

Sans Avec Economiesvariateur variateur réalisées

Energie active (kWh / an) 126 600 55 700 70 900Energie réactive (kVARh / an) 78 450 0 78 450

Ainsi, pour un ventilateur mu par un moteur de20 kW, ayant un régime de fonctionnementjournalier comprenant :v 2 h à 100 % du débit,v 6 h à 80 %,v 4 h à 50 %,v 12 h à 20 %,l’adaptation d’un variateur de vitesse et lasuppression des ventelles de réglage aurefoulement réduisent notablement lesconsommations (cf. fig. 17 ).

Le retour sur investissement est de l’ordre de6 mois.


6 Conclusion

La maîtrise de la consommation d’énergie estdepuis longtemps un souci majeur pourbeaucoup de pays -même ceux qui n’ont passigné le protocole de Kyoto- par souci d’équilibrebudgétaire et par crainte de pénuries quipeuvent être dues notamment :c à un parc de centrales de production électriqueopérationnelles insuffisant,c à un réseau de transport d’énergie électriqueobsolète ou inefficace.

Cette préoccupation, au niveau mondial, n’acessé de se renforcer dans les dernières annéeset tout indique qu’il en sera encore longtempsainsi.

D’autre part, pour réduire les émissions de CO2et le réchauffement de l’atmosphère, certainsétats ont lancé des actions qui, selon toutevraisemblance, seront prolongées à long termeet étendues à d’autres pays. La pression et lesincitations ne feront qu’augmenter dans lesprochaines décennies dans beaucoup de pays.

Les utilisateurs, quant à eux, exigent depréserver et d’améliorer le bon fonctionnementde leur outil de travail et le niveau de confort deleurs bâtiments, tout en se conformant auxréglementations nationales, et en maîtrisant lescharges de leur consommation d’énergie.

Les acteurs professionnels du domaine de ladistribution et de la gestion de l’énergie (bureauxd’études, installateurs, entreprises de service)sont donc les premiers concernés : ils doiventdévelopper et mettre à disposition de leursclients les solutions les plus innovantes, tant lorsde travaux d’amélioration que lors de laconception de nouveaux immeubles.

Pour cela, les constructeurs les plus avancés dematériel électrotechnique, comme SchneiderElectric, mettent au point des gammesd’appareils intégrant intelligence etcommunication, aptes à remplir les fonctionsnécessaires.

Enfin, dans une démarche de recherched’économie d’énergie d’un bâtiment, un auditénergétique pertinent est une étapeindispensable pour aboutir à une optimisationréelle des consommations.


Annexe : la cogénération

La cogénération est définie comme la générationassociée d’énergie électrique et thermique àpartir de la même source de combustible.

Cycle amont

Le but premier est la génération d’énergieélectrique, la vapeur ou l’eau chaude sontutilisées comme sous-produit dans le process.Exemple : les papeteries, qui nécessitent del’énergie électrique, de la vapeur et de l’eauchaude dans leur process.

Trois applications courantes :c Turbine à vapeur : un combustible est brûlépour produire de la vapeur à haute pression quientraîne un turbo-alternateur, l’échappement dela turbine est utilisé sous forme de vapeur àpression réduite ou d’eau chaude.

c Turbine à gaz : une turbine à gaz est utiliséepour produire de l’électricité, les gazd’échappement (à environ 500 °C) sont dirigésvers un récupérateur de chaleur qui produit de lavapeur ou de l’eau chaude utilisée dans leprocess (cf. fig. 18 ). Ce procédé est utilisé dansdifférentes industries, ainsi que dans leshôpitaux, les aéroports…

c Moteur diesel : un moteur diesel entraîne unalternateur, le circuit de refroidissement dumoteur sert à produire de l’eau chaude pour lechauffage, par exemple l’eau d’une piscine.

Fig. 18 : cogénération : cycle amont.

Circulation d'eauGaz d'échappement

Récupérateur de chaleur

Combustible Moteur ou turbine Alternateur

Système de contrôle

Energieélectrique

Il faut distinguer deux concepts différents decogénération : cycle amont et cycle aval.

Cycle aval

La chaleur ou les gaz chauds, sous-produitsd’un process de fabrication, sont utilisés pour lagénération d’énergie électrique.Les exemples, moins nombreux, concernentl’industrie lourde (fours d’aciérie notamment).

Les gaz chauds rejetés sont utilisés pourproduire de la vapeur qui alimente une turbineentraînant un alternateur (cf. fig. 19 pagesuivante). Couramment, l’électricité ainsiproduite est vendue au distributeur local.


Avantage

Fig. 19 : cogénération : cycle aval.

Gaz chauds

Process

Gaz d'échappement

Récupérateur de chaleur

Vapeur

Turbine Alternateur

Energieélectrique

Un système de cogénération a un meilleurrendement global sur le combustible que dessystèmes séparés, avec couramment jusqu’à30 % d’économie (cf. fig. 20 ).

Fig. 20 : bilan énergétique cogénération.

Système conventionnel séparé :

Rendement dugénérateur : 35 %

Cogénération :

Economie sur le combustible : = 35 %

Rendement del'ensemble : 85 %

155 - 100155

Rendement de lachaudière : 90 %

35

65

100 Générateur

Perte

50

5

70

55 Générateur

Perte

35

15

100

Générateur

50Chaudière

Perte

Une grande variété de combustibles peuventêtre utilisés : gaz naturel, fioul, charbon, bois,déchets agricoles (biomasse), orduresménagères.

Schneider Electric Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : 33 (0)4 76 57 98 60E-mail : [email protected]

Réalisation : AXESS - Valence (26).Edition : Schneider Electric- 20 € -

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Les économies d'énergie dans le bâtiment