Chapitre 18 : M&V pour les Systèmes CVC : Complexités et Méthodes Appropriées

M&V pour les Systèmes CVC : Complexités et Méthodes Appropriées

les systèmes de Chauffage, Ventilation et Climatisation (CVC) sont des gourmands en énergie dans les bâtiments, et leur modernisation représente un potentiel d’économies d’énergie considérable. Cependant, la Mesure et Vérification (M&V) des projets CVC est particulièrement complexe en raison de la nature même de ces systèmes. Ce chapitre va explorer en profondeur ces complexités, les défis spécifiques qu’elles posent, et les méthodes de M&V les plus appropriées pour évaluer efficacement les économies d’énergie des projets CVC.

Complexités Spécifiques de la M&V pour les Systèmes CVC

Les systèmes CVC présentent plusieurs caractéristiques qui rendent leur M&V plus complexe que celle d’autres systèmes, comme l’éclairage :

1. Variété et Complexité des Technologies CVC :

   • Diversité des Systèmes : Il existe une grande variété de systèmes CVC : chaudières, pompes à chaleur, climatiseurs, groupes froids, centrales de traitement d’air (CTA), ventilo-convecteurs, radiateurs, planchers chauffants/rafraîchissants, systèmes de ventilation naturelle et mécanique, systèmes de récupération de chaleur, etc. Chaque technologie a ses propres caractéristiques de performance et ses propres modes de fonctionnement.
   • Systèmes Combinés et Hybrides : De nombreux bâtiments utilisent des systèmes CVC combinés ou hybrides qui intègrent plusieurs technologies (par exemple, chauffage par chaudière gaz et refroidissement par climatisation). La M&V doit tenir compte de ces interactions et de la performance globale du système combiné.
   • Systèmes Centralisés vs. Décentralisés : La complexité de la M&V varie selon que le bâtiment est équipé d’un système CVC centralisé (une seule chaufferie/climatisation pour tout le bâtiment) ou de systèmes décentralisés (unités individuelles par zone). Les systèmes centralisés impliquent souvent des interactions plus complexes et nécessitent une approche M&V plus globale.

2. Interactions Complexes entre les Composants du Système CVC :

   • Interdépendance des Composants : Les composants d’un système CVC (chauffage, refroidissement, ventilation, régulation, pompes, ventilateurs) interagissent entre eux et leur performance est interdépendante. Modifier un seul composant (par exemple, remplacer une chaudière) peut avoir un impact sur l’ensemble du système et sur la performance des autres composants (par exemple, le système de distribution, la régulation). La M&V doit considérer ces interactions systémiques.
   • Boucles de Régulation et Contrôle : Les systèmes CVC modernes sont équipés de systèmes de régulation et de contrôle sophistiqués qui ajustent en permanence le fonctionnement du système en fonction de divers paramètres (température intérieure, température extérieure, consigne, occupation, etc.). Ces boucles de régulation rendent la performance du système dynamique et influencée par de multiples facteurs.
   • Effets Combinés des Mesures d’Efficacité Énergétique : Dans un projet CVC, plusieurs mesures d’efficacité énergétique peuvent être mises en œuvre simultanément (par exemple, amélioration de l’isolation, remplacement de la chaudière, optimisation de la régulation). Il est important de déterminer l’impact combiné de ces mesures, en tenant compte des éventuelles interactions et synergies.

3. Influence Prépondérante des Conditions Climatiques :

   • Sensibilité au Climat : La consommation d’énergie des systèmes CVC est extrêmement sensible aux conditions climatiques extérieures, en particulier à la température extérieure. Les besoins de chauffage augmentent lorsque la température extérieure diminue, et les besoins de refroidissement augmentent lorsque la température extérieure augmente. La M&V pour les systèmes CVC doit impérativement tenir compte des variations climatiques entre la période de référence et la période de rapport.
   • Facteurs Climatiques Multiples : Outre la température, d’autres facteurs climatiques peuvent influencer la performance des systèmes CVC : l’ensoleillement, l’humidité, le vent. Dans certains contextes, il peut être nécessaire de prendre en compte ces facteurs additionnels dans la M&V.
   • Données Climatiques Historiques et Actuelles : La M&V des systèmes CVC nécessite l’accès à des données climatiques fiables et pertinentes pour les périodes de référence et de rapport (température extérieure, degrés-jours, données d’ensoleillement, etc.). Le choix de la station météorologique de référence et la qualité des données climatiques sont cruciaux.

4. Défis Liés à la Mesure des Performances des Systèmes CVC :

   • Complexité du Sous-Comptage : Mettre en place un sous-comptage complet et précis de tous les composants d’un système CVC complexe peut être techniquement difficile et coûteux. Il est souvent nécessaire de faire des compromis et de se concentrer sur les points de mesure les plus pertinents.
   • Mesure des Débits et des Températures : La performance des systèmes CVC dépend de grandeurs physiques difficiles à mesurer précisément et en continu dans des installations existantes : débits d’air et d’eau, températures en différents points du système, pressions, taux d’humidité, etc. L’installation de capteurs supplémentaires peut perturber le fonctionnement du système et introduire des erreurs de mesure si elle n’est pas réalisée correctement.
   • Variabilité des Conditions d’Exploitation : Outre le climat, d’autres facteurs peuvent influencer la performance des systèmes CVC : l’occupation du bâtiment, les horaires d’exploitation, les consignes de température, les réglages du système de régulation, la maintenance, etc. Il est difficile de contrôler et de quantifier précisément toutes ces variables.
   • Définition d’une Ligne de Base Représentative : En raison de toutes ces complexités et variabilités, établir une ligne de base représentative de la consommation avant projet pour un système CVC peut être un défi majeur. Le choix de la période de référence, des données de la ligne de base, et des méthodes d’ajustement est crucial pour la fiabilité de la M&V.

Méthodes de M&V Appropriées pour Différents Types de Projets CVC

Compte tenu de ces complexités, le choix de la méthode de M&V la plus appropriée pour un projet CVC doit être adapté au contexte spécifique du projet, à sa complexité, aux ressources disponibles, aux objectifs de la M&V, et aux données accessibles. Les Options A, B, C et D de l’IPMVP peuvent être pertinentes, mais leur application doit être soigneusement considérée :

1. Option A (Paramètres Clés Ajustés) : Limites pour les Systèmes CVC Complexes

   • Application Limitée pour les Projets CVC Complexes : L’Option A, basée sur la mesure de paramètres clés et l’estimation des autres paramètres, est souvent insuffisante pour les projets CVC complexes en raison des interactions systémiques et de l’influence du climat. Estimer des paramètres clés comme les heures de fonctionnement d’un système CVC complexe ou l’impact de la régulation de manière précise est difficile et risque d’introduire une incertitude importante.
   • Pertinente pour des Mesures CVC Simples : L’Option A peut être envisagée pour des mesures CVC très simples et isolées, ayant un impact limité sur l’ensemble du système, et pour lesquelles un paramètre clé peut être clairement identifié et mesuré (par exemple, remplacement d’un circulateur de chauffage par un modèle plus performant, avec mesure de la puissance électrique avant et après). Même dans ces cas simples, rester prudent et évaluer attentivement l’incertitude.
   • Ajustements Limités : En Option A, les ajustements sont généralement limités et souvent estimés. Pour les systèmes CVC sensibles au climat, l’absence d’ajustement climatique rigoureux en Option A est un inconvénient majeur.

2. Option B (Mesure de Tous les Paramètres) : Préférable pour les Projets CVC Moyennement Complexes

   • Plus Adaptée aux Systèmes CVC que l’Option A : L’Option B, basée sur la mesure de tous les paramètres significatifs, est plus appropriée que l’Option A pour les projets CVC de complexité moyenne. Elle permet de mieux capturer les performances réelles du système et de réduire l’incertitude.
   • Paramètres Clés à Mesurer en Option B (Systèmes CVC) :
     • Consommation énergétique des équipements CVC spécifiques concernés par le projet : Mesure de la consommation électrique des pompes à chaleur, des groupes froids, des ventilateurs de CTA, des circulateurs, etc. Mesure de la consommation de gaz des chaudières (si pertinent).
     • Heures de fonctionnement des équipements CVC : Mesure des heures de fonctionnement des équipements (par exemple, grâce à des compteurs horaires). Peut être pertinent pour certains types de systèmes (par exemple, systèmes de ventilation fonctionnant selon un horaire programmé).
     • Températures de soufflage et de reprise d’air, températures d’eau de chauffage et de refroidissement : Mesure des températures à des points clés du système CVC pour évaluer la performance du système et la qualité de la régulation.
     • Débits d’air et d’eau (si techniquement et économiquement réalisable) : La mesure des débits permet d’évaluer plus précisément les transferts énergétiques dans le système CVC, mais peut être complexe et coûteuse à mettre en œuvre en rétrofit.
   • Ajustements Possibles en Option B : En Option B, des ajustements pour les variations climatiques peuvent être réalisés si l’on dispose de données de mesure pertinentes et si les variations climatiques ont un impact significatif sur les systèmes mesurés. Les ajustements peuvent être basés sur des régressions linéaires entre la consommation des systèmes mesurés et les degrés-jours (DJC, DJR).
   • Coût et Complexité Accrus : L’Option B implique des coûts de mesure plus élevés que l’Option A (achat et installation de compteurs et de capteurs supplémentaires, temps de collecte de données). Elle nécessite une expertise technique plus pointue pour le choix des points de mesure, l’installation des instruments, et l’analyse des données.

3. Option C (Installation Complète – Approche Utilitaire) : Adaptée aux Projets CVC Globaux et aux Rénovations Importantes

   • Pertinente pour les Projets CVC Impactant la Consommation Totale du Bâtiment : L’Option C, basée sur la consommation énergétique totale du bâtiment (données de facturation), est adaptée aux projets CVC qui ont un impact significatif sur la consommation énergétique globale du bâtiment, comme les rénovations CVC importantes, le remplacement de systèmes CVC centraux, ou la mise en œuvre de mesures combinées (CVC et isolation).
   • Simplicité de la Collecte de Données (Factures) : L’avantage majeur de l’Option C est la simplicité de la collecte de données, qui repose sur les données de facturation énergétique existantes. Pas besoin d’installer de nouveaux compteurs ou capteurs spécifiques au projet CVC (sauf si l’on souhaite réaliser des analyses plus fines).
   • Ajustements Climatiques Essentiels en Option C : L’ajustement climatique est absolument indispensable en Option C pour tenir compte des variations climatiques entre la période de référence et la période de rapport. Utiliser des méthodes d’ajustement climatique robustes et précises :
     • Modèles de Régression Linéaire Climatique : Établir une relation statistique entre la consommation énergétique totale du bâtiment et les degrés-jours (DJC, DJR) pendant la période de référence. Utiliser ce modèle pour ajuster la ligne de base aux conditions climatiques de la période de rapport. Privilégier des modèles de régression multivariée qui prennent en compte à la fois les DJC et les DJR, et éventuellement d’autres facteurs climatiques (ensoleillement).
     • Normalisation par Ratio de Degrés-Jours : Méthode plus simple et moins précise que les régressions, mais peut être acceptable pour des projets moins complexes et si les variations climatiques ne sont pas trop importantes. Appliquer un ratio basé sur la variation des DJC/DJR entre les périodes de référence et de rapport.
   • Limites de l’Option C : Manque de Détail et Sensibilité aux Facteurs Non CVC : L’Option C, basée sur la consommation globale, manque de détail et ne permet pas d’évaluer précisément la performance des composants spécifiques du système CVC modernisé. Elle est également sensible aux variations de facteurs non CVC qui peuvent influencer la consommation énergétique totale du bâtiment (par exemple, variations d’occupation, modifications des équipements non CVC). Il est important de vérifier si des facteurs non CVC ont significativement changé entre les périodes de référence et de rapport et, si nécessaire, de réaliser des ajustements supplémentaires (avec prudence et documentation).

4. Option D (Simulation Calibrée) : Recommandée pour les Systèmes CVC Très Complexes et Intégrés

   • Option la Plus Adaptée aux Systèmes CVC les Plus Complexes et Intégrés : L’Option D, basée sur la simulation énergétique calibrée, est souvent la meilleure option pour les projets CVC très complexes, intégrés, et innovants :
     • Systèmes CVC avec régulation très sophistiquée : régulation basée sur la prédiction, optimisation énergétique en temps réel, etc.
     • Systèmes CVC hybrides ou utilisant des énergies renouvelables : pompes à chaleur hybrides, systèmes solaires combinés, etc.
     • Projets de rénovation énergétique profonde avec des interactions fortes entre l’enveloppe du bâtiment et les systèmes CVC.
     • Nouvelles constructions avec des objectifs de performance énergétique très ambitieux.
   • Modélisation Détaillée et Calibration Essentielle : L’Option D repose sur la création d’un modèle de simulation énergétique détaillé du bâtiment et de ses systèmes CVC, qui doit être calibré avec des données de consommation énergétique réelles (ligne de base). La calibration est une étape cruciale pour garantir la fiabilité du modèle et la précision des simulations.
   • Simulation des Scénarios “Ligne de Base” et “Après Projet” : Une fois le modèle calibré, des simulations sont réalisées pour la période de rapport dans deux scénarios :
     • Scénario “Ligne de Base” : Simulation du bâtiment sans les mesures d’efficacité énergétique, mais avec les conditions d’exploitation et climatiques réelles de la période de rapport. Cette simulation estime la consommation énergétique qu’aurait eu le bâtiment sans le projet.
     • Scénario “Après Projet” : Simulation du bâtiment avec les mesures d’efficacité énergétique, et avec les mêmes conditions d’exploitation et climatiques réelles que le scénario “Ligne de Base”. Cette simulation estime la consommation énergétique réelle du bâtiment avec le projet.
     • Économies d’énergie = Consommation simulée “Ligne de Base” – Consommation simulée “Après Projet”.
   • Avantages de l’Option D : Précision, Prise en Compte des Interactions, Flexibilité : L’Option D offre plusieurs avantages pour la M&V des systèmes CVC complexes :
     • Potentiellement la plus précise des options de M&V : Si le modèle de simulation est bien calibré et représente fidèlement le comportement énergétique du bâtiment, l’Option D peut fournir une estimation précise des économies.
     • Permet de modéliser les interactions complexes entre les composants du système CVC et avec l’enveloppe du bâtiment.
     • Offre une grande flexibilité pour analyser différents scénarios, évaluer l’impact de différentes mesures, et optimiser la conception du système.
     • Peut être utilisée dès la phase de conception d’un projet pour estimer les économies prévisionnelles et optimiser les choix techniques.
   • Inconvénients de l’Option D : Coût, Complexité, Expertise : L’Option D est l’option de M&V la plus coûteuse et la plus complexe à mettre en œuvre. Elle nécessite :
     • Des logiciels de simulation énergétique sophistiqués et coûteux.
     • Une expertise pointue en simulation énergétique et en calibration de modèles. Faire appel à des experts en simulation énergétique est souvent indispensable.
     • Un temps de modélisation et de calibration important.
     • Une bonne qualité des données d’entrée pour la simulation et la calibration (caractéristiques du bâtiment, des systèmes, données climatiques, données de consommation).
     • L’incertitude des résultats dépend fortement de la qualité du modèle et de la calibration. Une mauvaise calibration peut conduire à des résultats peu fiables. Des analyses de sensibilité et de validation du modèle sont essentielles.

Importance de la Prise en Compte des Variables Climatiques

Comme souligné précédemment, la prise en compte des variables climatiques est cruciale pour la M&V des systèmes CVC. Ignorer les variations climatiques peut conduire à des erreurs importantes dans l’estimation des économies d’énergie et à une interprétation biaisée des résultats.

Bonnes pratiques pour la prise en compte des variables climatiques :

• Utiliser des Données Climatiques Locales et Pertinentes : Utiliser des données météorologiques provenant d’une station météorologique proche du bâtiment concerné et représentative des conditions climatiques locales. Privilégier des données horaires ou journalières pour une meilleure précision. Utiliser des données vérifiées et validées provenant de sources fiables (services météorologiques nationaux, bases de données climatiques).
• Choisir les Indicateurs Climatiques Appropriés : Utiliser des indicateurs climatiques pertinents pour la M&V des systèmes CVC, en particulier les Degrés-Jours de Chauffage (DJC) et les Degrés-Jours de Refroidissement (DJR). Définir précisément les températures de base utilisées pour le calcul des DJC et DJR (généralement 18°C ou 20°C pour le chauffage, 22°C ou 24°C pour le refroidissement, mais adapter au contexte). Utiliser des DJC et DJR mensuels ou journaliers pour des ajustements plus précis. Dans certains contextes, envisager d’utiliser d’autres indicateurs climatiques (ensoleillement, humidité, etc.).
• Appliquer des Méthodes d’Ajustement Climatique Robustes : Privilégier les modèles de régression linéaire climatique pour les ajustements, en particulier en Options C et D. Établir une relation statistique entre la consommation énergétique et les DJC/DJR pendant la période de référence. Utiliser des modèles de régression multivariée si possible (DJC et DJR). Documenter clairement la méthode d’ajustement climatique utilisée, les données climatiques sources, les modèles de régression, et les résultats des ajustements. Pour l’Option C, la normalisation par ratio de degrés-jours peut être une alternative plus simple mais moins précise, à utiliser avec prudence et pour des projets moins sensibles au climat.
• Analyser la Sensibilité des Résultats aux Variations Climatiques : Réaliser des analyses de sensibilité pour évaluer l’impact des variations des conditions climatiques sur les économies d’énergie estimées. Présenter l’incertitude liée aux ajustements climatiques dans les rapports de M&V (intervalles de confiance, fourchettes de scénarios).

Recommandations et Bonnes Pratiques pour la M&V des Systèmes CVC

• Commencer par une Bonne Compréhension du Système CVC : Avant de démarrer la M&V, réaliser une analyse approfondie du système CVC concerné : technologies utilisées, composants, schémas de fonctionnement, régulation, performances attendues, interactions avec l’enveloppe du bâtiment, conditions d’exploitation. Impliquer les exploitants et les techniciens de maintenance du bâtiment pour recueillir des informations pertinentes et des données existantes.
• Définir Clairement les Objectifs et la Portée de la M&V : Préciser clairement les objectifs de la M&V (validation de garanties, reporting, suivi interne), la portée du projet (systèmes CVC concernés, limites du périmètre de la M&V), le niveau de précision souhaité, et le budget disponible.
• Choisir l’Option de M&V la Plus Adaptée au Contexte : Sélectionner l’option de M&V (A, B, C ou D) la plus appropriée en fonction de la complexité du projet CVC, des ressources disponibles, du niveau de précision souhaité, et des données accessibles. Privilégier les Options B, C ou D pour la plupart des projets CVC, en évitant l’Option A pour les systèmes complexes et sensibles au climat.
• Planifier un Sous-Comptage Pertinent (Options B et D) : Si les Options B ou D sont choisies, planifier un sous-comptage pertinent et proportionné au projet. Se concentrer sur les points de mesure les plus significatifs pour évaluer la performance des systèmes CVC modernisés et pour calibrer les modèles de simulation (si Option D). Ne pas chercher un sous-comptage exhaustif et coûteux si cela n’est pas justifié par les objectifs de la M&V.
• Mettre en Œuvre des Procédures de Collecte de Données Rigoureuses : Définir des protocoles de collecte de données clairs et précis pour assurer la qualité et la fiabilité des données (points de mesure, instruments, fréquence, méthodes, assurance qualité). Former le personnel à la collecte de données.
• Valider et Nettoyer les Données Collectées : Mettre en place des procédures de validation et de nettoyage des données pour détecter et corriger les erreurs, traiter les données manquantes, et assurer la cohérence des données.
• Documenter Rigoureusement le Plan de M&V et sa Mise en Œuvre : Documenter en détail tous les aspects du plan de M&V spécifique au projet CVC (objectifs, option, méthodologie, collecte de données, ajustements, etc.). Documenter précisément la mise en œuvre du plan, les données collectées, les calculs, les ajustements, et les résultats. La documentation est essentielle pour la transparence, la reproductibilité, et la vérifiabilité de la M&V.
• Faire Réviser le Plan de M&V et les Résultats par un Expert Indépendant (Recommandé) : Faire appel à un expert indépendant en M&V des systèmes CVC pour revoir le plan de M&V et vérifier les résultats. Une revue externe apporte une assurance supplémentaire quant à la qualité et à la crédibilité de la M&V.
• Adopter une Approche d’Amélioration Continue de la M&V : Envisager la M&V comme un processus itératif et continu d’amélioration de la performance énergétique. Suivre régulièrement les performances des systèmes CVC, identifier les opportunités d’optimisation, ajuster les plans de M&V si nécessaire, et capitaliser sur l’expérience acquise pour les projets futurs.

En conclusion, la M&V pour les systèmes CVC est un domaine complexe qui nécessite une approche méthodique, une expertise technique, et une compréhension approfondie des spécificités de ces systèmes. En choisissant les méthodes de M&V appropriées, en tenant compte des variables climatiques, en documentant rigoureusement la démarche, et en adoptant une approche d’amélioration continue, il est possible de réaliser une M&V efficace et fiable des projets CVC, et de démontrer de manière crédible les économies d’énergie générées.