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1 MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES AUDIT ÉNERGÉTIQUE D’UN BÂTIMENT DE BUREAUX : PROPOSIT

1 MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES AUDIT ÉNERGÉTIQUE D’UN BÂTIMENT DE BUREAUX : PROPOSITION DE STRATÉGIES DE RÉNOVATION Réalisé par Julien Belligoi Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade d’Ingénieur Civil des Constructions Promoteur : Dr Ir P. André Jury : Prof. Dr Ir J-M. Hauglustaine, Prof. Dr Ir V. Lemort, Ir S. Bertagnolio, Ir B. Fabry et P. Hancart (Igretec) Faculté des Sciences Appliquées Université de Liège Année académique 2009-2010 2 Remerciements Je remercie en premier lieu Monsieur Philippe André pour m’avoir permis de collaborer sur ce projet européen et de m’avoir suivi pendant ces mois de travail. Je tiens ensuite à remercier Stéphane Bertagnolio et Bertrand Fabry pour leur aide précieuse et leurs conseils avisés, leur disponibilité et le suivi de ce travail avec beaucoup d’intérêts. Je remercie également les autres membres au jury, les Professeurs Jean-Marie Hauglustaine et Vincent Lemort et Philippe Hancart d’Igretec pour le temps qu’ils accorderont à la lecture de mon travail de fin d’études. Mes remerciements s’adressent aussi à la société Infravision sprl basée à Remicourt pour le matériel et le personnel mis à disposition afin de réaliser une thermographie du bâtiment. Je tiens à remercier la section des 2e Master Ingénieur Civil des Constructions et plus particulièrement ceux de l’option « Architecture et Ingénierie du bâtiment » pour les quelques années passées ensemble, la bonne ambiance et l’entraide. Finalement, un tout grand merci à mes parents, mes amis, ma famille, et toutes les personnes que j’oublie pour leur soutien lors de ce travail. 3 RÉSUMÉ Ce travail d’audit énergétique est réalisé dans le cadre du projet européen lancé en 2007, HarmonAC, qui a pour objectif de mettre en place des procédures d’inspection efficaces pour des systèmes de conditionnement d’air utilisés dans les bâtiments du secteur tertiaire. Il s’agit d’auditer un bâtiment de bureaux de taille moyenne. Le but premier de ce audit est de calibrer le mieux possible le modèle par rapport à la réalité (et donc aux consommations réelles du bâtiment) avec le programme SimAudit, développé par S. Bertagnolio. La calibration étant une partie assez délicate à réaliser, la première étape est de déterminer les nombreux paramètres caractérisant le bâtiment, le système HVAC (production de chaud et de froid, ventilation) et l’occupation du bâtiment. Une fois cette étape réalisée, il est donc possible de calibrer le modèle en faisant varier divers paramètres pour approcher au mieux la réalité. Dès que la calibration a un niveau de précision dans les tolérances fixées, la deuxième partie de l’audit peut commencer. Il s’agit de proposer des stratégies de rénovation afin de réduire les coûts énergétiques et d’améliorer la performance énergétique du bâtiment. Différents cas seront envisagés comme le remplacement de chaudières classiques par des chaudières à condensation. Les économies d’énergie seront mises en évidence dans les différents cas et seront comparées entre-elles. En conclusion, ce travail permettra de mettre en évidence les économies d’énergies pouvant être envisagée et réalisées par la société possédant le bâtiment afin de réduire les énergies consommées par ce bâtiment. 4 ABSTRACT This energy audit work is carried out in the framework of the European project launched in 2007, HarmonAC, which has for aim to implement effective inspection procedures for air conditioning systems used in the service sector. This work consists to audit a medium size office building. The primary purpose of this audit is to calibrate in the best possible way the model to stick to reality (and to the actual consumptions of the building) with SimAudit, a program developed by S. Bertagnolio. The calibration is a rather difficult approach to achieve and the first step is to determine all the parameters that characterize the building, the HVAC system (production of heating and cooling, ventilation) and the occupation of the building. Once this step is completed, it is possible to calibrate the model by varying various parameters to approach the reality as well as possible. Once the calibration has an accuracy as good as possible, the second part of the audit can begin. It is to propose renovation strategies to reduce energy costs and improve building energy performance. Different cases will be considered as the replacement of classical boilers by condensing boilers. The energy savings will be highlighted in these cases and compared to each others. In conclusion, this work will highlight the energy savings that can be considered and implemented by the company owning the building in order to reduce the energy consumptions of the building. 5 TABLE DES MATIÈRES 1. INTRODUCTION ............................................................................................................ 11 1.1. Contexte au sein de l’Union Européenne ................................................................. 11 1.2. Contexte en Région Wallonne .................................................................................. 15 2. OBJECTIF DU TRAVAIL .................................................................................................... 19 2.1. Objectif du travail ..................................................................................................... 19 2.2. Projet HarmonAC ...................................................................................................... 19 3. MÉTHODOLOGIE .......................................................................................................... 21 3.1. Présentation du bâtiment ........................................................................................ 21 3.2. Analyse détaillée des mesures effectuées ............................................................... 21 3.3. Modélisation et paramétrage du bâtiment et paramétrage de SimAudit ............... 21 3.4. Simulations, calibration, résultats et améliorations en vue d’une rénovation ........ 21 4. PRÉSENTATION DU BÂTIMENT .......................................................................................... 22 4.1. Description générale ................................................................................................ 22 4.2. Présentation du système HVAC ................................................................................ 25 4.2.1. Production de chaleur ...................................................................................... 25 4.2.2. Production de froid ........................................................................................... 26 4.2.3. Ventilation ........................................................................................................ 27 5. CONSOMMATIONS RÉELLES DU BÂTIMENT ............................................................................ 33 5.1. Données météorologiques ....................................................................................... 33 5.2. Relevés de mesures .................................................................................................. 34 5.3. Consommation électrique ........................................................................................ 35 5.3.1. Consommation totale annuelle ........................................................................ 35 5.3.2. Données importantes résultantes des mesures effectuées ............................. 37 5.4. Consommation de gaz naturel ................................................................................. 41 5.5. Interaction entre consommations de gaz naturel et d’électricité ........................... 43 6. MODÉLISATION ET PARAMÉTRAGE EN VUE DE LA CALIBRATION AVEC SIMAUDIT .............................. 44 6.1. Présentation de SimAudit ......................................................................................... 44 6.2. Modélisation du bâtiment ........................................................................................ 44 6.2.1. Orientation du bâtiment ................................................................................... 44 6.2.2. Caractérisation de l’enveloppe et des murs composant le bâtiment .............. 45 6.2.3. Division multi-zonale ........................................................................................ 50 6.2.4. Fonctionnement et occupation du bâtiment ................................................... 53 6 6.2.5. Gains internes ................................................................................................... 54 6.2.6. Système HVAC ................................................................................................... 54 7. CALIBRATION DU MODÈLE AVEC SIMAUDIT .......................................................................... 57 7.1. Pourquoi effectuer une calibration ? ....................................................................... 57 7.2. Méthodologie ........................................................................................................... 57 7.3. Résultats des simulations ......................................................................................... 58 7.3.1. Consommation électrique ................................................................................ 58 7.3.2. Consommation de gaz naturel .......................................................................... 60 7.3.3. Erreurs du modèle ............................................................................................ 60 8. RÉNOVATION ET AMÉLIORATION DE LA PERFORMANCE ÉNERGÉTIQUE DU BÂTIMENT ......................... 63 8.1. Introduction .............................................................................................................. 63 8.2. Cas 1 : Utilisation de vitrages et de châssis de fenêtre performants ....................... 63 8.2.1. Introduction ...................................................................................................... 63 8.2.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 64 8.2.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 65 8.2.4. Retour sur investissement ................................................................................ 65 8.3. Cas 2 : Remplacement des chaudières classiques par des chaudières à condensation ............................................................................................................................... 66 8.3.1. Introduction ...................................................................................................... 66 8.3.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 66 8.3.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 67 8.3.4. Retour sur investissement ................................................................................ 67 8.4. Cas 3 : Nouveaux murs opaques avec un coefficient de transmission thermique de 0,4 W/m²K.. ................................................................................................................................. 68 8.4.1. Introduction ...................................................................................................... 68 8.4.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 68 8.4.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 69 8.5. Cas 4 : Utilisation rationnelle de la ventilation ........................................................ 69 8.5.1. Introduction ...................................................................................................... 69 8.5.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 69 8.5.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 70 8.6. Cas 5 : Remplacement du chiller par un chiller plus performant ............................. 71 8.6.1. Introduction ...................................................................................................... 71 8.6.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 72 8.6.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 72 8.7. Cas 6 : Variation de la température de pulsion ........................................................ 72 7 8.7.1. Introduction ...................................................................................................... 72 8.7.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 73 8.7.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 74 8.8. Cas 7 : Utilisation de lampes à basses consommations et à haut rendement ......... 74 8.8.1. Introduction ...................................................................................................... 74 8.8.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 75 8.8.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 75 8.8.4. Équilibre des coûts ............................................................................................ 76 8.9. Cas 8 : Modification de la température ambiante lorsque le bâtiment est inoccupé pour la production de chaud ....................................................................................................... 76 8.9.1. Introduction ...................................................................................................... 76 8.9.2. Impact sur la consommation électrique ........................................................... 76 8.9.3. Impact sur la consommation de gaz naturel .................................................... 77 8.10. Conclusion ................................................................................................................ 78 8.10.1. Consommations énergétiques .......................................................................... 78 8.10.2. Émissions CO2 ................................................................................................... 79 9. CONCLUSIONS ............................................................................................................. 81 10. BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................ 83 11. ANNEXES ................................................................................................................... 85 11.1. Annexe A ................................................................................................................... 85 11.2. Annexe B ................................................................................................................... 86 11.3. Annexe C ................................................................................................................... 87 11.4. Annexe D .................................................................................................................. 88 11.4.1. Introduction ...................................................................................................... 88 11.4.2. Matériel utilisé .................................................................................................. 88 11.4.3. Extérieur ............................................................................................................ 89 11.4.4. Intérieur ............................................................................................................ 90 11.5. Annexe E ................................................................................................................... 91 11.6. Annexe F ................................................................................................................... 92 11.7. Annexe G .................................................................................................................. 93 11.7.1. Consommation électrique ................................................................................ 93 11.7.2. Consommation de gaz naturel .......................................................................... 94 11.8. Annexe H .................................................................................................................. 95 11.9. Annexe I .................................................................................................................... 96 11.10. Annexe J .................................................................................................................. 102 8 11.11. Annexe K ................................................................................................................. 108 11.12. Annexe L ................................................................................................................. 109 9 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURE 1 : AUGMENTATION DES PRIX DE L'ÉNERGIE EN 2010 EN POURCENTAGE (ORGANISATION DE COOPÉRATION ET DE DÉVELOPPEMENT ECONOMIQUES, 1999, MODIFIÉ) ................................................................................................. 13 FIGURE 2 uploads/Ingenierie_Lourd/ audit-energetique 1 .pdf