Contexte de la recherche - Atic
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9/28/2018 La vérification de la performance énergétique des bâtiments Philippe ANDRE Université de Liège – Arlon Campus Environnement BEMS avec des contributions de Jean LEBRUN et de Gabrielle MASY Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Contexte de la recherche Deux projets de l’IEA-ECB: IEA Annex 58 (2011-2015): Reliable Building Energy Performance Characterisa tion Based On Full Scale Dynamic Measurements IEA Annex 71 (2016-2020): Building energy performance assessment based on in-situ measurements Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 1
9/28/2018 Motivation de la vérification de performance Exigences (croissantes) de performance énergétique des bâtiments Ecart fréquent entre les performances calculées a priori et celles observées sur le terrain Impact des facteurs liés à l’occupation du bâtiment sur cet écart de performance Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 La vérification de la performance énergétique Que vérifier? Des indicateurs de performance facilement interprétables et présentant un intérêt pratique pour le gestionnaire du bâtiment ou son occupant Energie: Consommations Demandes Bilan énergétique: désagrégation des flux énergétiques Confort Surchauffe Caractéristiques intrinsèques du bâtiment Isolation Etanchéité Ventilation Caractéristiques du système HVAC Rendement Efficacité Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 2
9/28/2018 La vérification de la performance énergétique Comment vérifier? Ressources pour la vérification (Tests en laboratoire) Capteurs de mesure Suivi (monitoring) Modèles de simulation Tests in situ Simulation R5-C1 R3-C2 Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Ressources pour la vérification de performance Capteurs de mesure Température (d’ambiance, résultante, de fluide) Débit (d’air ou d’eau) Puissance ou énergie électrique Humidité relative ou absolue Pressions (dans les conduits de ventilation) Rayonnement (surtout solaire) Concentration en polluants (CO2, CO,…) Vitesse d’air et direction du flux d’air Consommations de combustible ou d’électricité … Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 3
9/28/2018 Ressources pour la vérification de performance Modèles de simulation Modèles « Physiques » (boite blanche) Modèles « Statistiques » (boîte noire) Modèles « Intermédiaires » (boite grise) Ce sont ces derniers qui s’avèrent les plus pertinents pour l’objectif de vérification de performance (« Grey-Box » modelling) Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Méthodes de vérification développées Identification du débit de renouvellement d’air par gaz traceur Vérification du coefficient de déperdition global (transmission + ventilation) en régime stationnaire Vérification de la performance énergétique des bâtiments en régime transitoire Combinaison entre essai au gaz traceur et co-heating dynamique par combustion de gaz butane Estimation du coefficient de déperditions global en régime d’été Estimation de la constante de temps d’une zone particulière ou du bâtiment global Evaluation du risque de surchauffe dans une zone particulière du bâtiment Reconstitution du bilan énergétique global. Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 4
9/28/2018 Identification du débit de renouvellement d’air par gaz traceur Utilisation du CO2 comme traceur (plutôt que le SF6) Procédure particulière: Mesure initiale du CO2 et prise en compte de l’occupation réelle Injection intense de CO2 (-> 5000 ppm) Arrêt de l’injection et suivi de la concentration Exploitation des données par un modèle Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Identification du débit de renouvellement d’air par gaz traceur 5
9/28/2018 Vérification du coefficient de déperdition global (transmission + ventilation) en régime stationnaire Test du « co-chauffage » : le bâtiment (local) est chauffé avec une puissance connue et l’écart de température est mesuré. Ce test impose le régime stationnaire! Modèle d’exploitation du test: ℎ=Ug×Δ (1) Où: ℎ puissance électrique de chauffage en [ ] Ug coefficient de transfert thermique global en [ / ] Δ différence de température entre intérieur et extérieur en [ ] Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Vérification de la performance énergétique des bâtiments en régime transitoire Co-chauffage dynamique: pas nécessaire d’atteindre ou d’attendre le régime stationnaire Sollicitation (chauffage) selon un régime variable Exploitation par un modèle dynamique Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 6
9/28/2018 Exemple de modèle dynamique utilisé Modèle de type « Boite grise » , constitué d’un réseau de résistances et capacités: on en identifie les paramètres et, de là, les caractéristiques du bâtiment ou du local R5-C1 R3-C2 Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Combinaison entre essai au gaz traceur et co-heating dynamique par combustion de gaz butane L’objectif de la méthode est de déterminer au cours d’un seul essai : Les principales caractéristiques thermiques de l’enveloppe du bâtiment Le taux de renouvellement d’air réel du bâtiment Cet objectif peut être atteint en brulant du butane à l’intérieur du volume à tester. Cette combustion génère en effet : du CO2 et de la vapeur d’eau qui peuvent être utilisés comme gaz traceurs afin de déterminer le taux de renouvellement d’air réel du bâtiment. une augmentation de la température du local. Ce signal thermique peut être exploité pour déterminer les caractéristiques thermiques de l’enveloppe. Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 7
9/28/2018 Heat balance K = 61.01 W/K (2 hours) K = 60.75 W/K (4 hours) IEA 58 meeting - Prague, April 13th, 2015 CO2 balance M 01, out = 14.07 m³/h (2 hours) M 01,out = 14.02 m³/h (4 hours) IEA 58 meeting - Prague, April 13th, 2015 8
9/28/2018 Comparaison des méthodes en chambre climatique Méthode Coefficient de déperditions (W/K) Variation ./. calcul théorique (%) Calcul théorique 40.42 - Régime stationnaire 40.89 +1.2 % Régime dynamique sans 41.92 +3.7 % perturbations Régime dynamique avec 40.53 +0.3 % perturbations Combustion de butane 43.99 +8.8 % Estimation du coefficient de déperditions global en régime d’été Principe: Mesurer les températures et certains flux énergétiques dans un bâtiment (local) non occupé (par exemple en période de vacances) A partir de là, reconstituer le bilan énergétique Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 9
9/28/2018 Composantes du bilan énergétique Déperditions par transmission et renouvellement d’air, sur base des températures intérieures mesurées pendant la période expérimentale de 7 jours Déperditions et apports par stockage et déstockage de chaleur au niveau des masses thermiques, sur base des températures intérieures mesurées pendant la période de 5 jours d’observation préalable, et pendant la période expérimentale de 7 jours Apports solaires au travers des vitrages et des parois opaques, sur base d’un métré des fenêtres, châssis, embrasures et écrans, sur base du facteur solaire relatif aux vitrages et sur base des intensités solaires mesurées. Apports calorifiques dus aux appareils électriques. Energy Balance Passive House - Living zone - July [MJ] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Gains Appliances Solar Heat Balance Losses Storage Transmission Rendez-Vous de l’ATIC Ventilation 26/09/2018 Losses computed on basis of measured indoor temperatures Exemple d’application à une maison Mesures réalisées 32 2800 External Temp Office Temp Living Temp Office CO2 28 2400 CO2 Concentration [ppm] 24 2000 Temperature °C 20 1600 16 1200 12 800 July 17-28 Aug 17 8 400 196 203 210 217 224 231 238 Day Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 10
9/28/2018 Reconstitution du bilan énergétique Energy balance Passive House - July [MJ] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 House Living Stair Bath 0 25 50 75 100 Bath Boy Boy Storage load Transmission Storage unload Appliances Solar Ventilation Girl Storage Girl Appliances Office Office Solar Parents Parents Transmission Ventilation Tech Tech Balance Exemple de détermination (itérative) du coefficient de déperdition 240 240 220 Passive House - July 220 Passive House - August 200 200 180 180 160 160 HT [W/K] HT [W/K] 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 228 229 230 231 232 233 234 235 Day Day Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 11
9/28/2018 Reconstitution du bilan énergétique global d’un bâtiment Objectif: Améliorer les procédures d’audit ou de certification énergétique d’un bâtiment On veut répondre à la question simple: A quoi sert l’énergie qui entre dans un bâtiment ? Où va-t-elle? Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 => Démarche d’audit énergétique assisté par la simulation Elle comporte trois principales étapes : La collecte de données et d’information : informations générales sur le site et le climat, données sur le bâtiment, données sur les techniques (ventilation, chauffage, ECS, etc.), questionnaires sur les habitudes des occupants. L’encodage des données dans le logiciel de simulation dynamique, analyse de régression, interprétation de résultats, prédiction de la demande d’énergie. L’établissement du bilan énergétique, conclusions et recommandations. Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 12
9/28/2018 Etablissement du bilan énergétique Certains termes en sont directement mesurés (lorsque c’est possible): Consommations électriques Consommations de combustible D’autres termes sont évalués par une simulation calibrée du bâtiment Le bilan est équilibré sur une longue période (par exemple une année) Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 Calibration de modèle (Ici prise en compte de la ventilation réelle) 40,00 Avant 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 4598,00 4798,00 4998,00 5198,00 5398,00 5598,00 5798,00 Tpondsejour Tsonde_living Après 40 35 30 25 20 15 10 5 0 4598,00 Rendez-Vous 4798,00 de l’ATIC 4998,00 5198,00 5398,00 5598,00 5798,00 26/09/2018 Tsonde_living Tpondsejour 13
9/28/2018 Exemple d’application à une maison Bilan énergétique global de la maison Résistance Consommation Consommation électrique pour Consommation Pompe de Paramètres globale électrique Production du chauffage électrique ballon d'eau chaude Electricité spécifique électrique de la circulation du bilan (=) photovoltaïque (+) (+) (+) ventilation (+) (déductible) (+) Valeur mesurée 6270,3 4207,5 468,3 2593,0 173 en (KWh par an) Valeur mesurée 27,5 18,5 2,1 11,4 0,76 en (KWh/m² par an) Valeur simulée 3872,3 507,0 2575,7 2121,0 914,9834705 en (KWh par an) Valeur simulée 17,0 2,2 11,3 9,3 4,013085397 en (KWh/m² par an) Reconstitution du bilan énergétique pour cette maison 14
9/28/2018 Conclusions Plusieurs méthodes ont été mises au point Pragmatiques Courte durée Nécessitant une instrumentation réduite La simulation, en tant qu’outil d’exploitation des données récoltées, constitue une réelle valuer ajoutée La prise en compte correcte de l’impact des occupants reste une question très ouverte Rendez-Vous de l’ATIC 26/09/2018 15
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