L’énergie efficace
Dans un contexte de tension sur l’approvisionnement énergétique et d’objectif de réduction des rejets de CO2, le secteur du bâtiment, avec 40 % de la consommation énergétique mondiale, représente un défi en matière d’économie d’énergie. La tendance est aujourd’hui à la création de solutions de contrôle énergétique basées sur la mesure des consommations et le contrôle optimisé des équipements : « l’efficacité énergétique active ».
Leviers d’efficacité énergétique : améliorer la performance des systèmes techniques de production et de distribution et optimiser l’approvisionnement. Un bâtiment intelligent utilise à la fois l’efficacité passive (l’isolation) et l’efficacité active. Cette dernière provient de l’automatisation combinée de divers équipements (pompe à chaleur, volets, prise d’air extérieur…) et s’adapte à l’occupation du bâtiment, à l’environnement extérieur et à la possibilité d’accéder à diverses ressources énergétiques.
© Programme HOMES, Schneider Electric.
Pour fournir à ses occupants de bonnes conditions de confort et de sécurité, un bâtiment utilise une certaine quantité d’énergie (le besoin énergétique) qu’il faut minimiser. Outre une bonne isolation (l’efficacité passive), différents leviers d’efficacité active peuvent être utilisés. On parle alors de bâtiment « intelligent ». On réduit l’approvisionnement énergétique grâce à l’automatisation des systèmes techniques de production et de distribution d’énergie (pompes à chaleur, circuit d’eau). Il faut aussi optimiser cet approvisionnement en tenant compte de la multiplication des fournisseurs possibles (par exemple, source locale d’électricité renouvelable) et de la variation des prix. L’optimisation du démarrage du chauffage ou de la climatisation en fonction des horaires connus d’occupation et de la météo va devenir un facteur-clé de cette gestion.
Le besoin énergétique
La raison d’être d’un bâtiment est de permettre à ses occupants d’y vivre dans de bonnes conditions de confort et de sécurité. Pour parvenir à cet objectif, le bâtiment doit utiliser une certaine quantité d’énergie, c’est ce qu’on appelle le « besoin énergétique ». Pour réduire ce besoin, des choix de paramètres sont effectués tant pour l’enveloppe (surface vitrée, isolation…) que pour les systèmes (type d’éclairage, rendement de chaudière…) dès la conception d’un bâtiment neuf.
Cette première amélioration, qui constitue l’efficacité énergétique passive du bâtiment, ne répond cependant pas complètement à la problématique. En effet, le bâtiment est soumis à de nombreuses perturbations, tant externes (conditions météorologiques…) qu’internes (planning d’occupation, production interne de chaleur, CO2, humidité…). Pour assurer les besoins fonctionnels du bâtiment en minimisant le besoin énergétique, il faut que les équipements contrôlant les flux énergétiques soient pilotés de manière à s’adapter en permanence à ces conditions.
Prenons l’exemple des besoins de chauffage : une forte isolation et une étanchéité renforcée évitent la perte d’énergie mais rendent plus critique la gestion de la ventilation mécanique, qui assure la qualité de l’air. Le bénéfice de cette évolution disparaît si le débit d’air renouvelé n’est pas régulé en fonction du nombre d’occupants et des conditions climatiques ; une arrivée d’air extérieur frais est un apport énergétique gratuit en été, mais une déperdition énergétique en hiver. La ventilation doit être contrôlée en fonction des températures interne et externe, mais aussi en intégrant une mesure du niveau de la qualité de l’air, grâce à un capteur de CO2 par exemple.
L’« efficacité énergétique active » sera d’autant plus nécessaire que l’approvisionnement énergétique des bâtiments va évoluer avec les productions locales d’énergie, les variations significatives des prix de l’énergie, et l’apparition de nouveaux équipements consommateurs.
Elle est également une opportunité pour faire évoluer rapidement les performances de bâtiments existants, afin d’agir en réponse au contexte climatique. Ces solutions sont déjà disponibles et commencent à se diffuser.
Leviers d’efficacité énergétique : réduire les besoins dans chaque pièce. Contrôler l’énergie d’un bâtiment, c’est contrôler les besoins de chaque pièce en température ou en lumière. C’est aussi maîtriser les apports gratuits fournis par l’environnement (l’air ou le soleil) tout en tenant compte du confort des utilisateurs.
© Programme HOMES, Schneider Electric.
Le contrôle énergétique d’un bâtiment intervient d’abord sur la réduction des besoins dans chaque pièce, en adaptant les consignes de température à l’activité des occupants et à l’occupation effective, et en utilisant les apports gratuits (air extérieur frais en été ou ensoleillement en hiver). De plus, on optimise le système complet grâce au contrôle multi-applicatif, c’est-à-dire la commande simultanée de plusieurs équipements appartenant à un même bâtiment. En effet, les équipements sont en forte interaction (par exemple, l’éclairage réchauffe une pièce, la ventilation est nécessaire mais peut la refroidir). Enfin, on rend la consommation énergétique visible pour les occupants, les exploitants et les gestionnaires. Bien sûr, il faut aussi tenir compte des préférences des utilisateurs. Tout ceci passe par l’utilisation de nouvelles générations de capteurs capables de fournir plusieurs informations et de contrôleurs capables de mettre en œuvre des algorithmes sophistiqués.
Qui éteint la lumière ?
Les principaux équipements contrôlables sont les équipements d’ambiance (émetteur de chaud-froid, système de ventilation, éclairage…) et les éléments de production, stockage et distribution d’énergie (chaudière, pompe à chaleur, ballon d’eau…).
À ces équipements sont généralement associés des organes de commande manuelle (interrupteur ou minuterie pour l’éclairage, robinet thermostatique…), un contrôle embarqué associé à un capteur (organe de régulation d’une chaudière ou contrôleur d’un groupe de froid). Dans certains cas, un réseau de communication est présent pour commander à distance les équipements, voire rapatrier des informations sur un équipement centralisé (gestion technique du bâtiment dans le tertiaire ou « système de commande domotique »). La tendance est de généraliser l’aptitude des équipements à être commandés automatiquement, de façon à garantir le niveau de confort requis tout en utilisant le minimum d’énergie. Ces automatismes devront toutefois laisser à l’occupant la liberté d’imposer une commande manuelle ou d’exprimer une préférence, pour éviter le rejet d’un mode « tout automatique ».
Énergie sur pilote automatique
Pour améliorer l’efficacité énergétique d’un bâtiment, différents leviers sont accessibles grâce à de nouvelles fonctions de contrôle et à de nouveaux capteurs. Ces fonctions sont déjà disponibles et leur efficacité est démontrée dans certains bâtiments pilotes. Par exemple, pour le contrôle de l’éclairage, il est préférable de laisser l’utilisateur décider du moment où la lumière doit être allumée. Il est ensuite pertinent de régler le niveau de lumière artificielle en fonction de la lumière naturelle et de couper automatiquement l’éclairage lorsqu’une longue absence est constatée.
Un autre exemple de contrôle consiste à optimiser la commande d’arrêt-marche du chauffage. Dès que le bâtiment est inoccupé pendant quelques heures, il convient d’arrêter la production thermique. Se pose alors la question du redémarrage des équipements qui doit être lancé « au plus juste » pour assurer le confort au retour des occupants et pour minimiser les dépenses énergétiques. Cette optimisation passe par la prise en compte de l’inertie du bâtiment, de la température extérieure et de la puissance des équipements producteurs.
- Prendre en compte l’occupation effective de chaque zone ou pièce du bâtiment grâce à une programmation des plannings d’occupation des zones, mais aussi par la mesure effective de l’occupation, voire du nombre d’occupants et de leur activité.
- Tirer parti des énergies gratuites comme l’air extérieur frais en été (récupérable par ventilation) ou l’ensoleillement en hiver (récupérable par l’ouverture des protections solaires lorsqu’elles ne servent pas à protéger de l’éblouissement).
- Commander simultanément plusieurs équipements appartenant à un même système (ici le bâtiment) et interagissant selon certaines relations : les équipements d’un bâtiment sont en forte interaction, coopérant ou s’opposant dans la réalisation des différents besoins. Ainsi l’éclairage apporte la lumière, mais dégage également de la chaleur. La ventilation renouvelle l’air mais contribue à chauffer ou à refroidir une zone. Un contrôle concerté de ces équipements est nécessaire pour éviter tout fonctionnement contreproductif et assurer à tout moment le choix des équipements les mieux adaptés à la fourniture du service désiré.
- Anticiper le meilleur approvisionnement énergétique. La multiplication du choix des fournisseurs d’énergie, la généralisation des prix variables de l’énergie et des demandes d’effacement (réduction contractuelle de consommation en période de pointe), les sources locales d’énergie (photovoltaïque, éolien…) dont il faudra favoriser la consommation rendent le choix de la meilleure source d’énergie très complexe. Si l’utilisation du véhicule électrique se généralise, sa recharge doublera la consommation du résidentiel et le choix sera encore plus compliqué !
- Bien informer l’utilisateur sur les performances énergétiques du bâtiment, l’alerter en cas de détection de situations anormales et le conseiller sur les actions à mener.
Les nouvelles briques technologiques du bâtiment
Pour répondre au défi énergétique, capteurs, actionneurs, contrôleurs et outils d’interactions homme-machine doivent être déployés dans les anciennes et nouvelles constructions. Les capteurs multiples devront être faciles à installer, autonomes, capables de fournir plusieurs types d’information : température, luminosité, humidité, CO2, occupation… Les contrôleurs disposeront des informations recueillies par les capteurs et d’informations de plus haut niveau, comme une prévision météo, une prévision d’occupation ou encore une évaluation de l’inertie thermique de la zone. Ils pourront piloter les différents types d’actionneurs et exécuteront des algorithmes d’efficacité énergétique dont certains permettront de répondre, par exemple, aux prévisions météorologiques ou aux horaires prévus d’occupation, par une stratégie de contrôle du bâtiment. Les interfaces homme-machine, faciles d’utilisation et adaptées aux différents types d’utilisateurs, permettront de prendre en compte les demandes des occupants, apporteront mesures, analyses ou diagnostics servant à l’exploitation ou la maintenance du bâtiment, et joueront un rôle pour une prise de conscience environnementale.
Des briques à assembler
Au-delà du développement de ces « briques », il faut penser à la manière dont elles seront assemblées et notamment aux problèmes de compatibilité avec des équipements existants (avec 1 % de bâtiment neuf chaque année, proposer des solutions capables de s’interfacer avec les bâtiments existants est une priorité) et de répartition de l’intelligence du contrôle entre différents éléments.
Les plans du bâtiment du futur
L’imbrication des solutions d’efficacité énergétique active, le lien qui existe entre leur optimisation et les caractéristiques du bâti, de l’occupation ou de la météo, vont nécessiter une approche plus intégrée de la construction. En phase de recherche et développement, il faudra disposer de moyens permettant de comparer et de valider, au niveau du système complet, les nombreuses configurations et solutions possibles. En phase de conception, l’importance de la simulation sera cruciale pour tenir compte de l’impact des solutions. Pour la mise en œuvre, des outils d’aide, notamment informatiques, au paramétrage et à la vérification des systèmes seront indispensables. Tous ces besoins vont conduire au développement de nouvelles méthodes et outils permettant de mieux anticiper, partager et optimiser la performance énergétique du bâtiment. Cette tendance s’illustre notamment par la convergence des outils de simulation vers une maquette numérique du bâtiment commune aux différents acteurs.
Si les technologies sont facilement accessibles, il reste que l’appropriation par les filières professionnelles n’est pas encore réalisée. Pour cela, les technologies devront être lisibles, simples et leur apport évident. Un premier pas semble être franchi dans cette direction : en témoigne l’installation systématique de systèmes de monitoring (surveillance) énergétique dans tous les bâtiments d’importance et à forte ambition énergétique.
Les problèmes d’économie d’énergie ne sont pas les seuls dont une partie des solutions passent par une révision profonde de l’habitat. Le maintien à domicile d’une personne âgée, gravement malade ou handicapée est aussi un enjeu sociétal. L’habitat intelligent pour la santé utilise des capteurs pour la télésurveillance et des actionneurs pour l’assistance à la vie quotidienne. Le système de surveillance doit être le plus transparent possible : capteurs non invasifs (non portés en permanence), non intrusifs (sans déranger l’intimité). Ce sont des capteurs physiologiques (température, rythme cardiaque, tension artérielle, poids) et comportementaux (présence, déplacement, utilisation d’objets, chute). Certaines données sont transmises automatiquement au médecin. Les actionneurs sont des robots d’assistance au déplacement, des distributeurs automatiques de médicaments. Une alarme se déclenche en cas de chute ou de situation anormale (longue immobilité, forte agitation au lit).
- Roulet C.-A., Santé et qualité de l’environnement intérieur dans les bâtiments, PPUR, 2004.
- Homes, « La performance énergétique des bâtiments, tout un programme… »
- Énergie +, « Aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire »
- Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), espace jeunes
- Centre urbain Stadswinkel, informations en matière de rénovation urbaine, d’utilisation rationnelle de l’énergie…
Cet article est paru dans la revue DocSciences n°15 Entre les hommes et les machines : automatique et traitement du signal, éditée par le CRDP de l’Académie de Versailles, en partenariat avec Inria et le CNRS, à l’initiative du comité éditorial d’Interstices.
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