ARCHIVÉE - Efficacité énergétique dans les bâtiments

Techniques de contrôle et de suivi dans les bâtiments

Contexte

Le contrôle et le suivi de la consommation sont des composantes essentielles d'un programme efficace de gestion de l'énergie. Ces techniques fournissent aux gestionnaires et aux consommateurs des renseignements sur leurs pratiques opérationnelles, des résultats sur leurs projets de gestion de l'énergie et une orientation quant aux niveaux d'énergie attendus pour une période donnée.

Le contrôle et le suivi servent non seulement à mesurer la consommation énergétique, mais aussi à la gérer. Ils transforment les données sur cette dernière en information utile qui peut générer des économies considérables sur les plans de l'énergie et des coûts.

De nombreuses installations industrielles emploient déjà ces techniques pour prévoir la consommation suivant un ensemble de facteurs déterminants, comme la production par exemple. Elles considèrent l'énergie comme un coût variable pouvant fluctuer selon les opérations effectuées plutôt que des frais fixes sur lesquels elles n'ont aucune maîtrise. Une approche similaire peut également être adoptée à l'égard de la consommation d'énergie dans les bâtiments pour offrir aux gestionnaires une meilleure rétroaction sur la façon de contrôler leur bâtiment. Dans un bâtiment, la consommation peut varier en fonction de la température (la quantité de chauffage ou de refroidissement), du taux d'occupation, de la saison, ou de tout autre facteur qui influe sur la consommation d'énergie.

Commentaires des utilisateurs

Des responsables de bâtiments, des administrateurs d'installations et des promoteurs d'efficacité énergétique se sont servis de techniques de contrôle et de suivi pour mieux comprendre la consommation dans leurs bâtiments. Notamment, une commission scolaire gérant 150 comptes d'énergie à 40 emplacements distincts formule d'intéressants commentaires à cet égard. Au sein de l'établissement, certains responsables se sont réjouis du fait que, grâce à cette méthode, « on peut constater les répercussions de tous les gestes posés ». Les gestionnaires de projets ont eux aussi apprécié l'information sur le résultat des projets en notant que « les graphiques aident à déterminer quelles initiatives donnent les meilleurs résultats ». Le directeur de la maintenance a quant à lui déclaré : « Avant, nous ne pouvions pas vraiment chiffrer nos économies, ce que nous pouvons dorénavant faire avec précision ». En parlant ainsi à de nombreux utilisateurs du contrôle et du suivi, on comprend rapidement que cette méthode aide à transformer les données en information extrêmement utile et utilisable; d'aucuns affirment même que les renseignements « sautent littéralement aux yeux ».

Le diagramme ci-dessus illustre le processus appliqué au contrôle et au suivi, qui va de la collecte de données à leur transformation en information, puis à l'obtention de résultats. Plus qu'un simple mécanisme de mesure, cette méthode de gérance s'appuie sur l'analyse pour engendrer des mesures susceptibles de produire des économies tant financières qu'énergétiques.

Procédures de contrôle et de suivi

Fondamentalement, le contrôle et le suivi passent par la détermination des facteurs aptes à influencer la consommation d'énergie, typiquement mesurée au compteur. Ces facteurs sont parfois appelés « déterminants ». Dans un bâtiment doté d'une chaudière au gaz naturel, le facteur déterminant sera par exemple souvent exprimé en nombre de degrés-jours de chauffage requis. En présence de charges de climatisation et de refroidisseurs électriques, il prendra plutôt la forme de degrés-jours de réfrigération. Le taux d'occupation peut également être déterminant dans certains types d'installations.

Une fois les facteurs déterminés, leur relation avec la consommation peut être établie par le biais d'une équation mathématique qualifiée d'analyse de régression linéaire. L'analyse de régression tente de décrire la relation qui existe entre la consommation et ses facteurs déterminants à l'aide d'une équation mathématique. Lorsqu'on compare l'information sur la consommation à un facteur déterminant, on obtient un coefficient de corrélation (R2) déterminé statistiquement. Ce coefficient est une mesure de la proportion de variabilité expliquée par les relations linéaires d'un échantillon de données appariées. Il s'exprime par un chiffre se situant entre le zéro et le un, une valeur se situant près du zéro suggérant un modèle médiocre. De manière générale, on considère que les coefficients de plus de 0,7 offrent un niveau de fiabilité acceptable en ce qui concerne la corrélation; toutefois, on peut accepter des coefficients plus faibles en présence de plus gros ensembles de données (deux ou trois années de chiffres mensuels, par exemple).

Cette analyse de régression peut parfois être qualifiée de « modèle de rendement ». Or, celui-ci permet de prédire la consommation pour une période donnée en fonction de conditions particulières décrites par les facteurs déterminants. La demande future peut ensuite être comparée aux prévisions pour déterminer si la consommation d'énergie est plus ou moins élevée que prévu. Les écarts entre la consommation réelle et la consommation visée peuvent alors être calculés pour chaque période et additionnés pour obtenir une « somme cumulée », que l'on appelle aussi « total des économies cumulatives ». Le tracé d'un graphique de sommes cumulées indique les tendances en matière de consommation. Les études de cas suivantes en illustrent le fonctionnement. Selon un utilisateur de système de contrôle et de suivi, « les graphiques de sommes cumulées sont vraiment éloquents ».

Les exemples suivants décrivent les procédures de contrôle et de suivi employées dans divers types de bâtiment.

Immeuble de bureaux : consommation d'électricité

Situation

Un grand bâtiment commercial à plusieurs étages a fait l'objet en 2003 et en 2004 de nombreux projets de gestion de l'énergie visant à en augmenter l'efficacité énergétique et à en moderniser les installations techniques de base. Au début de 2003, on a d'abord mis à niveau le système de réfrigération de l'eau. La réfection incluait l'installation de deux refroidisseurs à haut rendement, d'une nouvelle tour de réfrigération, d'un nouveau condensateur et de pompes à eau froide ainsi qu'un système de refroidissement d'eau à vitesse variable. Vers la fin de 2003, bien qu'elles aient déjà été presque entièrement rénovées au milieu des années 1990, on a procédé à la réfection des parties du système d'éclairage du bâtiment. Ces améliorations incluaient les puits d'escalier, des enseignes de sortie des locaux d'entreposage, des plafonniers à incandescence et de l'éclairage pour les aires communes. Finalement, en avril 2004, on a remplacé les commandes d'éclairage, afin de permettre des mises hors tension graduelles la nuit, et celles de CVC pour bénéficier des dernières innovations technologiques. On est en outre passé d'un système à aubes directrices d'entrée à un entraînement à vitesse variable pour les ventilateurs de plancher.

Contrôle

En 2004 et en 2005, les économies ont été calculées régulièrement, et les tendances ont été examinées quand la consommation semblait hors norme. À cause de l'absence de compteurs secondaires, on ne pouvait cependant pas distinguer les progrès attribuables à chacun des trois projets en employant des techniques de vérification conventionnelles. Il fallait en outre tenir compte des variations climatiques. Des techniques de contrôle et de suivi ainsi qu'un graphique de sommes cumulées ont donc été utilisés pour déterminer les économies réalisées grâce à chaque projet et, ce qui est plus important encore, faire en sorte que la tendance se maintienne.

Analyse

Afin d'isoler l'impact de la mise à niveau du système de refroidissement, on a procédé à une analyse de régression en comparant la consommation en électricité (kWh) aux degrés-jours de refroidissement (DJR) de 2002, soit avant les améliorations. La meilleure corrélation s'est produite quand la température moyenne du bâtiment se situait à 6°C, ce qui était relativement froid comparé à d'autres bâtiments, mais ce qui se justifiait par d'importantes charges de refroidissement et par un manque de refroidissement naturel. Bien que le coefficient R2 ait été inférieur à 0,7, on l'a jugé acceptable considérant le fonctionnement à l'année longue des systèmes mécaniques. Les liens entre la consommation électrique et les DJR sont illustrés à la figure 1. Chaque point représente la consommation d'énergie électrique et les valeurs de DJR pour une période de facturation (chacune ayant été divisée par le nombre de jours compris de manière à aplanir les écarts de durée).

FIGURE 1 Corrélation entre la consommation électrique et les DJR en 2002

Une seconde analyse de régression a été effectuée pour inclure la période initiale, comme l'indique la figure 1, en ajoutant les données des deux années suivant les réfections (figure 2). Cette seconde analyse ne montre pas cependant la nature changeante de la relation avec le temps ou si des événements sont survenus pour modifier la relation ou le rendement.

FIGURE 2 Corrélation entre la consommation électrique et les DJR en 2002, 2003 et 2004

Pour examiner les variations de rendement, on a choisi une période de référence avant les réfections (figure 1). Les économies ont été mesurées en fonction de cette période de référence. Un graphique des sommes cumulées a ensuite été construit à partir des écarts entre la consommation de référence et la consommation réelle, de manière à faire ressortir la séquence des événements ayant produit des impacts positifs.

FIGURE 3 Sommes cumulées, consommation électrique en 2002, 2003, 2004 et 2005

Interprétation du graphique des sommes cumulées

Les mois 39 à 48 du graphique des sommes cumulées de la figure 3 correspondent à la même période (2002) apparaissant dans la régression de la figure 1. La section horizontale du tracé, à gauche, indique, comme on pourrait s'y attendre, que la consommation de référence ne présente aucun écart cumulatif par rapport à elle-même (on compare en effet cette période (2002) à une consommation modélisée à partir de la même période). Lorsqu'on compare les périodes subséquentes à celle de référence, les économies mensuelles se mettent à apparaître, la pente des sommes cumulées en déterminant l'ampleur; plus celle-ci est forte vers le bas, plus les économies sont importantes.

Trois pentes se distinguent sur le graphique des sommes cumulées à la figure 3, chacune correspondant à un des projets réalisés. Chaque changement d'inclinaison indique la mise en œuvre d'un nouveau projet et une augmentation du taux d'économie. Les économies réalisées à l'usine de refroidissement débutent à la période 48, la réfection du système d'éclairage donne aussi des résultats à partir de la période 48 et les contrôles et les améliorations débutent à la période 63. Un changement de pente est évident à ces trois points.

Graphique des sommes cumulées – une preuve de réussite

L'ensemble des économies réalisées sur la consommation en 2003, en 2004 et au cours des quatre premiers mois de 2005 ont été de cinq millions de kilowattheures. Pour obtenir les résultats annuels, il suffit de prendre la valeur finale de l'année voulue et de la soustraire de celle de la période précédente. Pour les douze derniers mois (soit la période pendant laquelle toutes les améliorations ont été apportées), les économies ont été de l'ordre de 2,5 millions de kilowattheures, ou 20 % de la consommation annuelle de référence.

Graphique des sommes cumulées – une preuve de réussite de projets distincts

Quand de nombreux projets sont menés de front, les économies réalisées pour chaque projet peuvent être isolées des économies globales en examinant la pente de chaque ligne qui commence au début de la période d'économie de chaque projet.

Dans ce cas-ci, on doit féliciter les ingénieurs qui ont étroitement collaboré avec des consultants, des entrepreneurs et la direction de l'immeuble pour optimiser les résultats de projets. Or, les techniques de contrôle et de suivi se sont avérées essentielles à l'optimisation du système.

Établissement de soins de santé : consommation de gaz naturel

Situation et analyse

Un gestionnaire d'établissement de soins de santé voulait déterminer si les techniques de contrôle et de suivi pouvaient s'avérer une technique d'analyse utile pour son programme de gestion énergétique. Pour ce faire, il a recueilli et analysé des données de base relatives à la consommation de gaz naturel de ses principales installations de chaudières pendant trois ans. Arbitrairement, il a choisi la première année comme période de référence, puisque la consommation de gaz semblait fortement tributaire des degrés-jours de chauffage (DJC). À peine plus de la moitié de la consommation quotidienne allait à des charges n'ayant aucun lien avec les conditions météorologiques, comme en fait foi l'analyse de régression illustrée à la figure 4.

FIGURE 4 Corrélation entre la consommation de gaz et les DJC, première année

Quand on a effectué la courbe des sommes cumulées pour les trois années, un changement considérable s'est révélé. En examinant les registres d'exploitation, le gestionnaire s'est rendu compte qu'une bobine de récupération thermique avait été installée dans la cheminée d'échappement des gaz de combustion pour capter la chaleur des gaz de combustible avant qu'ils ne s'échappent du bâtiment. Comme l'indique la figure 5, le gestionnaire pouvait voir l'impact et l'ampleur des économies liées à cette installation, du moins initialement. D'intéressantes conclusions ont ainsi pu être tirées lorsqu'on a comparé les deux dernières années à la première.

Preuve de réussite et fléchissement des économies

Si on a réalisé des économies considérables au cours de la première année (plus de 8 000 gigajoules entre les mois 13 et 24) et de la deuxième (plus de 9 000 gigajoules entre les mois 25 et 36), on n'a constaté aucune économie pendant les mois 23 et 24; la consommation semblait plutôt avoir légèrement augmenté. Le gestionnaire s'est souvenu que, durant cette période, une bobine de récupération thermique avait été retirée dans le cadre d'opérations de maintenance régulière, et n'avait pas été remise tout de suite.

FIGURE 5 Sommes cumulées, consommation de gaz, première, deuxième et troisième années

Il s'est alors demandé si cet incident aurait pu être remarqué plus tôt, et ce qu'il pouvait faire pour éviter qu'il ne se reproduise. L'aspect « ciblé » du système de contrôle et de suivi l'a aidé à trouver la solution. Les économies sont restées constantes des mois 13 à 22; qu'arriverait-il si les valeurs de cette période étaient choisies comme consommation visée? Verrait-on mieux la baisse de rendement?

Pour répondre à ces questions, la période se situant entre les mois 13 et 22 a été utilisée pour déterminer une cible de consommation. Comme pour la période de référence de l'analyse, on peut procéder à une nouvelle analyse de régression comme l'indique la figure 6.

FIGURE 6 Corrélation entre la consommation de gaz et les DJC, consommation visée calculée en fonction du rendement

En fonction de la nouvelle cible de consommation, on a ensuite préparé un nouveau graphique des sommes cumulées sur lequel les mois 23 et 24 sautent littéralement aux yeux. On constate que la dépense énergétique y fait un bond prodigieux. Apparaissant à la figure 7, le graphique des sommes cumulées montre en effet que le délai de réinstallation de la bobine a « coûté » plus de 2 000 gigajoules, soit près de 20 000 $. On a ainsi mis en évidence le fléchissement des économies.

FIGURE 7 Sommes cumulées, consommation de gaz : effets d'un changement opérationnel au cours du mois 23

Le ciblage en guise de moyen de contrôle L'usage d'un graphique de contrôle semblable à ceux utilisés dans le cadre de programmes d'assurance de la qualité peut étendre la notion de cible. Ce type de graphique fixe en effet les seuils supérieur et inférieur d'un rendement acceptable. Le seuil supérieur signale que les opérations ne s'effectuent pas de manière à atteindre la cible. Le seuil inférieur indique une meilleure performance, qu'on devrait étudier dans le but de maintenir la situation. Le cas échéant, une nouvelle cible peut être fixée. Le graphique de contrôle de la figure 8 illustre les écarts mensuels entre les consommations réelle et estimative. Si les mois 23 et 24 ont été désastreux, le mois 31 vaudrait peut-être la peine d'être examiné; qu'a-t-on fait pour obtenir un si bon rendement?

FIGURE 8 Graphique de contrôle utilisé pour cibler la consommation de gaz

En élaborant un tel graphique, le gestionnaire pourrait aussi bien cerner et corriger les faiblesses en matière de consommation que déceler et reproduire les périodes au meilleur rendement énergétique.

Commission scolaire : consommation d'électricité et de gaz

Situation

Une commission scolaire a eu recours aux techniques de contrôle et de suivi pour évaluer une série de projets visant à rehausser l'efficacité énergétique de ses bâtiments. Elle savait avoir réalisé des économies par le biais d'un programme interne de mises à niveau de commandes et d'appareils d'éclairage, mais n'en connaissait pas l'étendue. Un ensemble de graphiques de sommes cumulées illustrent ici le fonctionnement de ces techniques.

Graphique des sommes cumulées – une preuve d'économies saisonnières

Dans une petite école primaire, la consommation de gaz naturel a été examinée après la mise en oeuvre de nouveaux réglages nocturnes. On s'est rendu compte qu'il y avait de solides rapports (coefficient de corrélation de 98 %) entre cette consommation et les degrés-jours de chauffage. À la figure 9, le graphique des sommes cumulées montre des économies annuelles de près de 200 gigajoules, principalement réalisées pendant les mois d'hiver. On constate qu'on n'épargne que peu à cet égard durant l'été, tel qu'illustré par la section horizontale en 2004. On observe en outre que les économies hivernales atteintes après les nouveaux réglages sont cohérentes.

FIGURE 9 Sommes cumulées, consommation de gaz, économies réalisées pendant les hivers 2003-2004 et 2004-2005

Graphique des sommes cumulées – une preuve de réussite de mesures multiples

Dans une grande école secondaire, la consommation de gaz naturel a également été examinée et comparée aux DJC. À la figure 10, le graphique des sommes cumulées montre des économies annuelles de près de 1 600 gigajoules, principalement réalisées pendant les mois d'hiver. Dans ce cas-ci, la chaudière a été remplacée par une unité plus efficace, et le système d'immotique a été reprogrammé. S'il est impossible d'isoler les économies réalisées grâce à chacune des interventions, on peut affirmer sans se tromper qu'elles se sont chiffrées à 1 500 gigajoules par année, soit environ 30 % de la consommation. Il est à noter que l'analyse des sommes cumulées neutralise les effets de l'hiver, qu'il ait été doux ou très froid. Les économies illustrées se fondent sur ce qu'on « aurait utilisé » en présence des conditions météorologiques observées.

FIGURE 10 Sommes cumulées, consommation de gaz, économies totales de près de 3 000 GJ

Graphique des sommes cumulées – une preuve d'économies constantes

Dans une autre grande école secondaire, c'est la consommation d'électricité qui a été examinée. On a déterminé que les DJC étaient le facteur déterminant, puisqu'il y avait un certain pourcentage de chauffage électrique dans le bâtiment. À la figure 11, le graphique des sommes cumulées montre des économies annuelles de plus de 230 000 kilowattheures. Le graphique illustre en outre les effets d'une réfection de l'éclairage en 2003. On pouvait ainsi se réjouir de réaliser des économies constantes de plus de 20 % par année.

FIGURE 11 Sommes cumulées, consommation d'électricité, économies constantes

Graphique des sommes cumulées – un outil pour expliquer les hausses de consommation

La commission scolaire a aussi employé une analyse des sommes cumulées pour dépister les comptes plus énergivores que prévu. Dans une école, on a notamment pu attribuer une hausse de consommation aux commandes manuelles prioritaires d'un responsable du fonctionnement des bâtiments. Dans un autre cas, l'analyse a démontré qu'une augmentation de la demande en gaz naturel pouvait découler d'une récente mise à niveau du système de ventilation. En traçant un graphique des sommes cumulées avec des données historiques, il est possible de déterminer à quel moment certaines variations se sont produites et, par le fait même, d'en connaître la cause.

Sommaire

Ces exemples montrent de quelles manières on peut utiliser un système de contrôle et de suivi dans le contexte de bâtiments de façon à mieux gérer la consommation, à détecter les changements et les problèmes opérationnels ainsi qu'à calculer les économies réalisées à la suite de projets et d'améliorations. Ce système peut avantageusement être intégré à tout programme de gérance énergétique, procurant les renseignements nécessaires à tous les intervenants.

On ne peut gérer que ce que l'on mesure. Et on peut gérer mieux grâce aux techniques de contrôle et de suivi.