Guide Aicvf n%b06

5/26/2018 Guide Aicvf n%b06

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Collection

des guides

de lAICVF

Juillet 2000

CALCUL PREVISIONNEL DES

CONSOMMATIONS DENERGIE

BATIMENTS NON - RESIDENTIELS


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Cher lecteur,

Vous avez donc enfin entre les mains ce guide de Calcul prvisionnel desconsommations dnergie des btiments neufs non-rsidentiels , que sesfamiliers ont pris lhabitude de dsigner par labrg de ses initiales, le guide CPC.

Dans la collection des guides thmatiques de lAICVF, qui en comptedsormais onze, celui-ci porte le numro 6. C'est dire combien le besoin dun telouvrage tait apparu comme indispensable ds la fin des annes 80, mais aussicombien la tche sest avre plus difficile quelle le semblait lorigine.

Vous aurez certainement not que sa forme est quelque peu diffrente desautres. Nous lavons voulu ainsi pour afficher clairement son caractre non dfinitif.Il constitue en effet un outil de travail pour des ingnieurs qui ont tablir lesbilans nergtiques de btiments aux usages les plus varis. Il voluera partirdes ractions des uns et des autres. Cest en quelque sorte un guide en volution,destin senrichir dans les annes qui viennent, et ceci simplement grce ausupport lectronique.

Au nom de lAICVF, je tiens donc remercier ceux sans lesquels cet ouvragenaurait jamais vu le jour :

- dune part, nos partenaires,

. lAgence de lEnvironnement et de la Matrise de lEnergie (ADEME),

. Electricit de France,

. Gaz de France,

.le Ministre de lEquipement, des Transports et du Logement ( DirectionGnrale de lUrbanisme, de lHabitat et de la Construction),

-dautre part, la remarquable quipe rdactionnelle, coordonne par BernardSESOLIS, dont vous trouverez la composition dans les pages qui suivent.

A tous, trs sincrement, merci !

Les consommations dnergie des btiments reprsentent, en cette fin deXXe

sicle, environ 44 % de notre consommation nergtique nationale, tous secteurs

confondus. Lenjeu est essentiel, notamment en terme denvironnement.Au moment o le gouvernement franais vient, lissue dune longue

concertation de lensemble des parties concernes, de publier le programmenational de lutte contre leffet de serre, gageons que cette contribution de lAICVFsaura trouver toute sa place auprs de lensemble des professionnels du btiment.

Paul BREJON,Prsident de lAICVF.


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SOMMAIRE GENERAL

LES OBJECTIFS ET LES LIMITES DU GUIDE 1

1 PRSENTATION 5

1.1. PRSENTATION GNRALE 61.2. GRANDEURS PHYSIQUES 61.3. TYPES DE MTHODES 7

2 - LCLAIRAGE 8

2.1. PRINCIPES GNRAUX 92.2. MTHODES RAPIDES DESTIMATION 102.2.1. ECLAIRAGE ELECTRIQUE SANS ECONOMIES PAR LUMIERE DE JOUR2.2.2. ECONOMIES PAR LUMIERE DE JOUR

2.3. MTHODE DTAILLE 152.3.1. ECONOMIES MENSUELLES2.3.2. DEPENSES

3 - LES AUTRES USAGES 18

3.1. LES ENJEUX 193.2. PRINCIPES GNRAUX 19

3.3. CONSOMMATION LECTRIQUE DE LA BUREAUTIQUE ETDE L'INFORMATIQUE 223.3.1. EVOLUTION DE LA BUREAUTIQUE ET DE SON UTILISATION3.3.2. PUISSANCE AFFICHEE ET ABSORBEE3.3.3. ESTIMATION DES CONSOMMATIONS

3.4. AUTRES USAGES 253.4.1. ASCENSEURS3.4.2. AUTRES EQUIPEMENTS

4 - LEAU CHAUDE SANITAIRE 26

4.1.PRINCIPES GNRAUX 274.2.MTHODE RAPIDE PAR RATIOS 27

4.3.MTHODE DESTIMATION 274.3.1. ESTIMATION DES BESOINS BECS 4.3.2. ESTIMATION DES RENDEMENTS RECS 4.3.3. ESTIMATION DU FACTEUR DE RECUPERATION RECUP 4.3.4. EVALUATION DU COUT DU kWh PECS

4.4. MTHODE DTAILLE 294.4.1. DETERMINATION DES BESOINS BECS 4.4.2. DETERMINATION DU RENDEMENT MOYEN RECS 4.4.3. DETERMINATION DU FACTEUR DE RECUPERATION RECUP 4.4.4. CALCUL DES PERTES RECUPERABLES POUR LE CHAUFFAGE OUDES CHARGES SUPPLEMENTAIRES POUR LA CLIMATISATION4.4.5. CONSOMMATIONS DES AUXILIAIRES DECS CAXECS 4.4.6. REPARTITIONS TARIFAIRES POUR LES CONSOMMATIONSELECTRIQUES

4.4.7. DEFINITION DES ZONES CLIMATIQUES (INSOLATION ET TEMPERATUREDEAU FROIDE TEF )


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5 - LE CHAUFFAGE DES BATIMENTS NON CLIMATISES 45

5.1. METHODES RAPIDES D'ESTIMATION 465.1.1. PRINCIPES GENERAUX

5.1.2. METHODE AICVF DERIVEE DU CALCUL REGLEMENTAIRE5.1.3. METHODES PAR CORRELATION5.1.4. CALCULS DERIVES DE METHODES DE DIAGNOSTIC

5.2. METHODE DETAILLEE 555.2.1. PRINCIPES GENERAUX5.2.2. STRUCTURE5.2.3. CALCUL DES BESOINS BRUTS POUR UNE ZONE OU LE BATIMENT Ql 5.2.4. APPORTS BRUTS Qg 5.2.5. CALCUL DES BESOINS NETS Qh 5.2.6. PERTES DU SYSTEME ET RENDEMENTS5.2.7. PERTES DE DISTRIBUTION DE CHAUFFAGE5.2.8. PERTES DE GENERATION5.2.9. CONSOMMATIONS DE CHAUFFAGE5.2.10. CALCUL DES DEPENSES LIEES AUX CONSOMMATIONS DE CHAUFFAGE

6 - LA CLIMATISATION 92

6.1. MTHODE ET ORGANISATION DES CALCULS 936.1.1. DIFFRENTES MTHODES EXISTANTES6.1.2. ORDRE DES CALCULS PROPOSE

6.2. DETERMINATION DES BESOINS ENERGETIQUES DU BATIMENT 1016.2.1. BASES DE CALCUL6.2.2. DETERMINATION DES BESOINS DU BTIMENT6.2.3. RDUCTION DU NOMBRE DE SITUATIONS

6.3. DETERMINATION DES PUISSANCES UTILES 1256.3.1. DETERMINATION DES CYCLES DE TRAITEMENT6.3.2. DETERMINATION DES PUISSANCES UTILES6.3.3. DETERMINATION DES PUISSANCES REQUISES6.3.4. FORMULAIRE DE L'AIR HUMIDE

6.4. DETERMINATION DES PUISSANCES APPELEES 1336.4.1. GROUPES FRIGORIFIQUES6.4.2. CHAUDIERES

6.5. EVALUATION DES CONSOMMATIONS DNERGIE ET DES COTS 1386.5.1. CONSOMMATIONS ENERGETIQUES6.5.2. REPARTITION TARIFAIRE

7 - LES LOGICIELS DE SIMULATION EN RGIME VARI 141

7.1. INTRODUCTION 142

7.1.1. INFORMATION7.1.2. CRITERES DE SELECTION DES LOGICIELS7.2 - QU'EST-CE QU'UN LOGICIEL DE SIMULATION EN RGIME VARI ? 142

7.2.1. DU POINT DE VUE DE SES ALGORITHMES7.2.2. DU POINT DE VUE DES RESULTATS FOURNIS

7.3. LMENTS DE CONSOMMATION NERGTIQUE PRIS EN COMPTE 1457.3.1. CHAUFFAGE7.3.2. CLIMATISATION7.3.3. CLAIRAGE7.3.4. AUTRES POSTES DE CONSOMMATION

7.4. PRCISION DES CALCULS 1467.5. LEXIQUE 1467.6. FICHES DE PRESENTATION DE PROGICIELS 148

BIBLIOGRAPHIE 161


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LES OBJECTIFS ET LES LIMITES DU GUIDE

______________

Le prsent guide est consacr au calculprvisionnel des consommations d'nergiedes btiments neufs non rsidentiels. Lespostes concerns sont le chauffage, laventilation, l'eau chaude sanitaire, laclimatisation et les autres usages tels quel'clairage et la bureautique.Une premire version de travail a t raliseen 1992. Cette nouvelle version du guide

thmatique n6 de lAICVF diffus sur Cd-Rominaugure une nouvelle forme mieux adapte aucaractre volutif du sujet abord. Il seradornavant possible dintgrer rapidement lesavances en matire de calcul desconsommations nergtiques des btiments.Depuis 1992, ce document a t videmmentactualis et a fait lobjet dimportants travauxde validation, en particulier pour lestimationdes consommations de chauffage et declimatisation.

Pourquoi le secteur non rsidentiel ? Il s'agit

d'un domaine dont les caractristiquesd'occupation justifient elles seules l'emploi demthodes de calcul spcifiques. Or, si lesmthodes de calcul sont relativement bienconnues des concepteurs pour les btimentsd'habitation (mthode DEL par exemple), pourle secteur non rsidentiel la situation est touteautre: ct de rgles du pouce parpilles dans la littrature coexistent deslogiciels trs sophistiqus mais relativementdifficile dusage. Il a donc sembl utile auxrdacteurs de ce guide de se livrer un travailde compilation et de mise en cohrence de ces

rgles du pouce, d'laboration de rglesexplicites l o la littrature faisait apparatredes lacunes, enfin de recensement deprogiciels disponibles pouvant tre utiliss pourle calcul des consommations d'nergie.

Les rdacteurs de ce guide ont d faire deschoix. Afin d'clairer pleinement le lecteur, tousles choix importants sont justifis soit dans leguide, soit dans des ouvrages cits enbibliographie.

Avant de proposer comment calculer lesconsommations prvisionnelles d'nergie desbtiments - objet de ce guide - il convient deprciser pour quelles raisons on peut treamen faire ce type de calcul.

Nous nous intressons essentiellement auxbtiments neufs du secteur non rsidentiel.Ds lors que le btiment auquel s'applique lecalcul n'est pas encore construit, il ne peuts'agir que d'un calcul prvisionnel . Il permetd'obtenir une consommation qui est thorique par opposition la seuleconsommation pratique qui est celle quel'on pourra mesurer ou dduire des facturesnergtiques une fois le btiment en service.

Pour mener bien ce calcul, il est ncessaire

de formuler des hypothses defonctionnement, qui s'expriment en gnralsous forme de scnarios hebdomadaires oumensuels par type d'usage. Il s'agit de conventions de calcul; en ce sens, le calculCPC (Calcul Prvisionnel de Consommations)peut tre qualifi de conventionnel .Toutefois, il s'appuie sur des scnarios dfinisdans les guides sectoriels, de faon aussiraliste que possible. De plus, si lesparamtres qui caractrisent le mode defonctionnement du btiment sont explicites, ilest envisageable d'utiliser le mme type de

mthode, lorsque le btiment est en service,en introduisant alors des donnes issues del'observation des scnarios rels.Cependant, cette dmarche sassimile uneprocdure de diagnostic qui ncessite uneconfrontation entre les donnes relles etles donnes calcules


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Ces pralables tant faits, on peut aborder la

question du pourquoi. Deux raisonsprincipales :

* Choisir entre 2 variantes techniques

On se focalise sur certains usages del'nergie en se limitant ceux quidpendent des 2 solutions envisages. Lechoix final est en gnral multi-critres, etl'un de ces critres est conomique; ilconsiste apprcier si l'conomied'exploitation escompte justifie le surcotinduit. Que l'on ait recours un calcul de

temps de retour brut ou de cot global, ilfaut disposer de mthodes de calcul desconsommations d'nergie. Et il fautestimer les cots d'exploitation - nergieet entretien/maintenance - qui dcoulentdes solutions tudies.

* Estimer le cot d'exploitation annuelde la solution retenue, lment essentielde l'quilibre conomique de tout projetd'investissement. Il importe de considrertous les usages de l'nergie et de faireune analyse des bilans nergtiques qui

reposent sur des puissances installes, etsouscrites dans le cas de l'lectricit (terme les autres nergies pourront aussitre factures suivant un systme mixteliant puissance souscrite et nergieconsomme), les contrats d'approvi-sionnement nergtique, les consom-mations par type d'nergie, et leurmodulation selon les tranches tarifaires lecas chant.

A quel moment doit-on pouvoir disposer demthodes de CPC ? Deux phases semblent

particulirement intressantes :

* Lorsque se font les choix qui influerontde faon sensible sur les consommationset sur lesquels on ne reviendra pasultrieurement. C'est le moment o, enl'absence d'une estimation approche, onrisque d'orienter le projet vers une solutionnon rationnelle sur le plan des dpensesnergtiques.

Quels sont ces choix ? Essentiellement :

- les choix de forme, de mode constructif,de type d'enveloppe, dinsertion dans lesite,- les choix d'nergie thermique, pour lechauffage, l'eau chaude sanitaire, lacuisine, la blanchisserie,- le choix de climatisation ou derafrachissement par des moyens plussimples (ventilation nocturne naturelle ouforce, rafrachissement parhumidification ...)- le choix du systme de traitement de

l'ambiance.Il s'agit donc d'une phase amont duprojet qui peut se situer au niveau duprogramme, de l'esquisse, de lafaisabilit ou de l'avant-projetsommaire.

* Lorsque l'on souhaite affiner lessolutions retenues, en tudier desvariantes et disposer d'un outild'valuation des consommations et descharges d'exploitation prvisionnelles. Leprojet est alors plus avanc - niveau

avant-projet sommaire ou dtaill -, ondispose de donnes plus nombreuses etplus prcises. Le niveau d'analyse estplus fin : on quitte l'approche trs globaledes choix de parti pour tudier defaon dtaille les diffrentes zonesfonctionnelles du btiment. On est alorsen mesure d'tudier la sensibilit desconsommations un beaucoup plusgrand nombre de paramtres.

Pour rpondre ces deux types de besoins etpouvoir s'adapter aux contraintes et aux

spcificits de ces deux phases, le guidepropose deux classes de mthodes :

- des mthodes d'estimation des consom-mations d'nergie, qui s'inscrivent dansune logique aide la dcision ou choix de parti

- des mthodes de calcul dtailles desconsommations qui s'inscrivent dans unelogique aide la conception ou valuation des solutions proposes.


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Dans ces deux types de mthodes, le temps est agrg de faon assez

synthtique :

- l'anne ou la saison (t/hiver) pour lespremires,- le mois et, pour chaque mois, quelquesjournes types (occupation/inoccupation)pour les secondes.

Autrement dit, on ne suit pas la chronologied'une saison ou d'une anne.

Les mthodes qui suivent une telle chronologiesont beaucoup plus dtailles. Elles existent

sous forme de logiciels de simulation ducomportement thermique de btiments enrgime vari. Ces logiciels peuvent apporterune aide prcieuse ds lavant-projetsommaire. Moyennant certains efforts, ceslogiciels peuvent tre rendus accessibles auxprofessionnels. Aussi, nous avons dcid deconsacrer le dernier chapitre du guide ladescription de progiciels disponibles en nouslimitant aux modles :

- dvelopps et utiliss en France- ou de notorit mondiale et prsents en

France.

Ainsi se trouvent esquisses dans leursgrandes lignes les trois classes de mthodes

dcrites dans cet ouvrage :

- des mthodes d'estimation, appro-ches, issues de la pratique desprofessionnels, utilisables de faon rapide,manuelle, et faisant appel un nombrelimit de paramtres essentiels; leur rleest limit la faisabilit, des grandschoix de parti ou des aides la dcisiontrs ponctuelles;

- des mthodes dtailles de calculdes consommations d'nergie, exigeant le

recours un calcul informatis,ventuellement par tableur, utilisant ungrand nombre de paramtres et mmede rendre compte de la sensibilit desconsommations ces paramtres;

- des mthodes de simulation dyna-mique, qui permettent - parmi denombreuses autres fonctions - de calculerdes consommations d'nergie, et qui sontdisponibles sous forme de codes decalcul , informatiss sur micro-ordinateurs ou stations de travail.

PHASE

OBJECTIFS

ProgrammationEsquisseFaisabilit

Avant-projet sommaireAvant-projet dtaillProjet

Choix entre solutions,choix de parti.

Mthodes d'estimationdes consommations,par usage

Mthodes de calculdtailles des consommationspar usage

Dtermination du cotd'exploitation annuelprvisionnel

Mthodes d'estimationdes consommations,tous usages

Mthodes de calculdtailles des consommationstous usages

Analyse thermique etnergtique approfondie,tude de btiments ou desystmes innovants.

Mthodes de simulationen rgime vari (*)

(*) Lorsque le logiciel est trs convivial, une mthode de simulation en rgime vari peut aussi tre utilise en phasesd'esquisse et de faisabilit pour permettre des choix de parti ou estimer une consommation annuelle. Comme peu de donnessont disponibles dans ces phases, on est amen faire des hypothses sur le type de parti constructif et sur les modesd'occupationprobables.

Les 3 classes de mthodes dcrites dans le guide


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L'quipe rdactionnelle

La rdaction du guide a t effectue par unequipe d'ingnieurs concerns par les calculsde consommations d'nergie, responsables de

bureaux d'tudes, participant pour la plupart des actions de formation. Pour ceux dont lafonction a chang depuis 1992, celle-ci figureentre parenthses.Ces ingnieurs ont, soit particip la rdactionde la premire version de 1992 (1), soitparticip au groupe de validation des mthodes(2), soit particip la rdaction de la nouvelleversion (3).

L'quipe tait compose de :

Alain BORNAREL(1) + (2)Ingnieur au bureau dtudes TRIBU

Jean-Pierre BRASSELET(1) + (2)(Ingnieur de la socit OASIIS)

Roger CASARI(1) + (2) + (3)Ingnieur-conseil

Pierre DIAZ PEDREGAL(1) + (2)Ingnieur-conseil

Marie-Hlne FOUCARD(2)Ingnieur de recherche EDF

Mireille JANDON(2)Ingnieur au CSTB

Alain LUTON(2)Responsable du bureau dtudes TIBERE

Dominique MARCHIO(1) + (2) + (3),Ingnieur de recherche lcoledes Mines de ParisCoordination du groupe de rdaction pour la

partie climatisation

Jean-Robert MILLET(1) + (2) + (3)Ingnieur de recherche au CSTB

Olivia NOL(2)(Ingnieur de recherche GDF)

Vronique PAILLASSA(2)(Technicienne suprieure au CSTB)

Eric PIRET(2)Ingnieur la socit SFEE

Ari RABL(1)Ingnieur de recherche lcoledes Mines de Paris

Michel RAOUST(1) + (2) + (3)Ingnieur-conseilMise en forme du guide

Bernard SESOLIS(1) + (2) + (3)Ingnieur au bureau dtudes TRIBUCoordination gnrale et coordinationdu groupe de validation chauffage

Rdaction finale et mise en forme du guide

Luc TABARY(2),Ingnieur de recherche EDF

Jean-Christophe VISIER(1) + (2)Ingnieur de recherche au CSTB


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CHAPITRE 1

PRSENTATION

1.1. PRSENTATION GNRALE

1.2. GRANDEURS PHYSIQUES

1.3. TYPES DE MTHODES


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1.1. PRSENTATION GNRALE

Ce document met la disposition des professionnels unensemble d'lments de Calcul Prvisionnel des Consom-mations d'nergie (CPC) tous usages dans le secteur des

btiments non rsidentiels.

Ce guide CPC vise plusieurs objectifs :

amplifier et structurer les calculs de consommation dusecteur,

dvelopper la dmarche cot global qui buteencore sur l'absence de mthode adapte,

matriser la consommation nergtique d'un secteurtrs consommateur (13 % du total, un tiers du secteurbtiment)

accompagner une nouvelle rglementation, mieuxadapte aux besoins et enjeux actuels.

Le domaine d'application

Il comprend les btiments neufs du secteur non rsidentiel,notamment :- immeubles de bureaux,- tablissements de soins,- htellerie et restauration,- tablissements denseignement,- tablissements sportifs.

Sont explicitement exclus :- les piscines et patinoires,- les btiments agricoles (serres horticoles, locaux d'le-

vage),- les btiments de transports,- les locaux souterrains.

Ces derniers pourront donner lieu ultrieurement lapublication de fascicules prsentant les mthodes decalcul spcifiques.

Tous les usages de l'nergie - combustibles et lectricit -sont inclus diffrents degrs:- chauffage et ventilation,- climatisation,- production d'eau chaude sanitaire,- clairage,- bureautique,- cuisine,

- blanchisserie,- force motrice et appareils de levage.

Tous les climats de France mtropolitaine sont traits.

Pour appliquer les mthodes dcrites dans cet ouvrage, ilfaut pralablement dcouper le btiment tudi en zonesfonctionnelles homognes. En effet, dans un btiment, onrencontre souvent des zones fonctionnelles correspondant diffrents secteurs, et pour chaque secteur, diffrentsusages.

Exemple :

Un lyce comprend une zone d'enseignement, une

zone bureaux (administration, bibliothque...),ventuellement une zone htellerie (dortoirs), unezone restauration et une zone gymnase .

Un hpital comporte de nombreuses zones diffrentes(chambres, soins, accueil, bureaux, commerces,restauration,)

Ce constat justifie que l'ouvrage ne soit pas structur enfonction des domaines du secteur non rsidentiel maisplutt en fonction d'activits-types par zone, c'est--direselon les zones fonctionnelles.

Les diffrentes parties de l'ouvrage

Les chapitres s'organisent comme suit :

Eclairage 2Autres usages (bureautique, autres quipements) 3Eau chaude sanitaire 4Chauffage 5Climatisation 6Progiciels de simulation dynamique 7

Chaque chapitre dcrit les mthodes d'estimation desconsommations d'nergie tous usages et les mthodes

dtailles de calcul des consommations d'nergie (voir.1.3). Le dernier chapitre propose des fiches descriptivesde progiciels de simulation en rgime vari.

Pour le chauffage et la climatisation, les mthodesdtailles requiert ncessairement le recours un logiciel.Pour les btiments climatiss, de tels outils sont en coursd'laboration. On pourra se rfrer aux documents relatifsau projet CONSOCLIM .

Les principales rfrences bibliographiques utilises pourl'laboration du guide sont rappeles en fin douvrage.

1.2. GRANDEURS PHYSIQUESCet ouvrage est maill d'un trs grand nombre de varia-bles. Nous avons choisi de les introduire au fil deschapitres en prcisant chaque fois le nom de la variable,sa signification et son unit. Dans le texte, l'unit de lavariable est prcise entre crochets [ ]. Quelques rglesgnrales prsident au choix des noms et des units pourle chauffage :

Les apports de chaleur dus respectivement aux occu-pants, l'ensoleillement, l'eau chaude sanitaire (ecs),aux procds, l'clairage ou la bureautique,s'expriment en watts [W], en watts par m [W/m] ou

par m3[W/m3].

Les pertes de chaleur par les parois et par degrd'cart, divises par le volume chauff s'expriment parle coefficient G1. Il peut tre diffrent en prioded'occupation et d'inoccupation. L'unit employe est[W/m3.K].

Les puissances sexpriment en [W] ou en [kW]. Ellespeuvent tre ramene au m3 chauff. Dans ce caselles sont exprimes en [W/m3] ou en [kW/m3]. Parexemple, la puissance utile dun systme de chauffage,dsigne par Puch, est la puissance fournir pourcouvrir les besoins nets, c'est--dire les besoins bruts

(comme par exemple les pertes par les parois) moinsles apports. La puissance finale d'un systme dechauffage ou d'ECS, dont le nom de la variable qui ledsigne commence par Pf, est la puissance consom-


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me par le gnrateur pour couvrir les besoins nets ettoutes les pertes dues l'installation et, pour le chauf-fage, aux imperfections de couplage entre l'installationet l'enveloppe.

Les consommations d'nergie utiles et finales, dont lesnoms des variables qui les dsignent commencent parCu et Cf respectivement, sont exprimes en [Wh],

[kWh] ou en [Wh/m

3

] et [kWh/m

3

] lorsqu'elles sontramenes au m3chauff.

Les dpenses utiles et finales, dont les noms desvariables qui les dsignent commencent par Du et Dfrespectivement, sont exprimes en [F] ou [F/m3]lorsqu'elles sont ramenes au m3chauff.

Rappel :1 kWh = 103Wh1 MWh = 106Wh1 GWh = 109Wh1 TWh = 1012Wh.

1.3. TYPES DE METHODES

Chacun des chapitres 2 6 commence par la descriptionde mthodes qui, avec peu de donnes, permettent d'esti-mer les consommations et les dpenses d'nergie. Sontdcrites ensuite des mthodes plus dtailles quincessitent plus de donnes.

Les chapitres 2 et 3 dcrivent les consommations duesprincipalement aux usages de llectricit, c'est--diretous les postes comprenant la consommation d'lectri-cit des btiments hors chauffage, climatisation et eauchaude sanitaire.

Pour chaque usage spcifique, on estime la consom-mation annuelle l'aide d'une formule du type :

C Pi.Nii

= [kWh] (1.1)

o i dsigne un palier de puissance Pi [kW] et Ni lenombre d'heures de fonctionnement ce palier depuissance [h].

Pour estimer la dpense correspondante, il faut croiser

les paliers de puissance avec les plages tarifaires,c'est--dire les heures ayant un mme prix du kWh. Onobtient une formule du type :

D Pi pk.Ni,k i k

= . [F] (1.2)

avec :- pk = prix de vente du kWh pendant la plage tarifaire k

[F/kWh],- Ni,k = nombre d'heures de fonctionnement la

puissance Pi au cours de la plage tarifaire k

On a, bien sr : Ni Ni,kk

=

.

Pour un calcul dtaill, on peut utiliser comme pas detemps le moiset non plus lanne.

La premire partie du chapitre 4 dcrit, pour estimer lesconsommations de production d'ECS, une mthoderapide simplifie base de ratios et une mthoded'estimation annuelleo on value successivement :

- les besoins d'ECS [kWh/an],- le rendement moyen de l'installation,

- le facteur de rcupration moyen annuel lorsqu'il y aprchauffage d'ECS par capteurs solaires ou par r-cupration sur un groupe frigorifique de climatisation.

Pour passer de la consommation aux dpenses, il faut,dans le cas de l'lectricit, rpartir la consommationselon les tranches tarifaires horo-saisonnires. Destableaux permettent de deffectuer cette rpartition.

La deuxime partie du chapitre 4 dcrit, pour calculerles consommations pour la production d'ECS, unemthode dtaille applicable au mois, structurecomme la mthode d'estimation annuelle.

La premire partie du chapitre 5 prsente quelquesmthodes rapides de calcul de la consommationd'nergie pour le chauffage prenant en compte demanires diffrentes :

- les dperditions [W/K],- les apports rcuprs [W/K],- les degrs-heures ou degrs-jours sur la saison de

chauffe, en fonction du rgime de consigne [K.h] ou[K.j].

Ces lments permettent de calculer Bch, les besoinsde chauffage sur la saison de chauffe [kWh].

Pour passer de Bch Cch, la consommation de

chauffage [kWh], on divise Bch par Rch, le rendementmoyen annuel de l'installation.La deuxime partie du chapitre 5 prsente une mtho-de de calcul dtaille de la consommation d'nergiepour le chauffage et la ventilation. Son pas de tempsest la priode (quelques heures). Cette mthode per-met de prendre en compte finement :

- l'intermittence des locaux et l'interaction inertie/inter-mittence,

- la rpartition dans le temps du tarif lectrique,lorsque le chauffage est assur par lectricit.

En phase oprationnelle, seul un usage par tableur decette mthode est possible. Cet usage se rsume auxdonnes d'entres dcrites dans la deuxime partie duguide CPC, au chapitre 5.

Le chapitre 6 prsente un large panorama des mtho-des destimation de la consommation d'une installationde climatisation. Le compresseur et les ventilateursreprsentant les principaux postes de consommation,on peut se ramener l'emploi de formules trssimplifies pour obtenir des ordres de grandeur, pourautant qu'on dispose du nombre d'heures concernes.Celles-ci dpendent du type d'utilisation et des caract-ristiques du btiment. C'est pourquoi il est conseill derecourir une simulation annuelle pour apprhendervalablement les consommations.

Le chapitre 7 rappelle les fondements des simulationsdynamiques et prsente quatre progiciels actuellementdisponibles.


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CHAPITRE 2

LCLAIRAGE

2.1. PRINCIPES GNRAUX

2.2. MTHODES RAPIDES DESTIMATION2.2.1. ECLAIRAGE ELECTRIQUE SANS ECONOMIES PAR LUMIERE DE JOUR2.2.2. ECONOMIES PAR LUMIERE DE JOUR

2.3. MTHODE DTAILLE2.3.1. ECONOMIES MENSUELLES2.3.2. DEPENSES


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Les facteurs dterminants de la consommation de l'clai-rage sont la puissance installeet le nombre d'heuresd'utilisation. La consommation peut varier de quelquespourcents selon les conditions de fonctionnement (temp-rature, vieillissement, tension du rseau...), mais ces effetssont ngligeables au regard des incertitudes sur lesheures d'utilisation.

La consommation annuelle C [kWh] est l'intgrale de lapuissance appele P(t) [kW] au moment t, le temps t tantexprim en heures.

C P(t)dtanne

= [kWh] (2.1)

Le calcul prvisionnel de C est incertain, mme si la puis-sance installe du matriel est connue, parce quel'utilisation dpend du comportement des occupants du

btiment. L'objectif de ce chapitre est de prsenter deshypothses et des scnarios qui permettent d'estimer Cdans des cas typiques.

Afin de prendre en compte la tarification EDF, il fauteffectuer un calcul spar pour chaque priode de tarifdiffrent. L'quation (2.1), ainsi que les quations qui sui-vent, seront donc appliquer sparment pour chacunedes ces priodes.

On peut faire, sans erreur significative, l'hypothse d'unfonctionnement puissance P constante. Dans ce cas laconsommation annuelle est simplement :

C P.N= [kWh] (2.2)

o N = nombre d'heures de fonctionnement par an.

Cette formule est une bonne base mme pour les cas ola puissance appele varie lgrement. Si on peut estimerla puissance moyenne Pmov et le nombre d'heuresd'utilisation Nmov, l'quation (2.2) devient :

C P .Nmoy moy [kWh] (2.3)

Exemple : en supposant une puissance moyenne Pmov =200 W pendant 8 h par jour, 5 jours par semaines, 45semaines par an on trouve :

Nmov= 45*40 h = 1800 h

et

C = 0,2 kW * 1800 h = 360 kWh.

Dans certains cas, il peut exister plusieurs niveaux defonctionnement. On peut gnraliser l'quation (2.3) enprenant plusieurs paliers de puissance P i et les heurescorrespondantes :

C Pi.Nii

= [kWh] (2.4)

Bien sr, on attache plus d'intrt la dpense qu' laconsommation elle mme. Or le prix de vente del'lectricit varie au cours de la journe et au cours del'anne selon la tarification de EDF rf.[2.1] et [2.2]. Il faut

donc calculer la dpense annuelle en distinguant dansl'quation (2.4) toutes lesplages tarifairesayant un prix devente diffrent :

D Pi. pk.Ni,k ki

= [kWh] (2.5)

o :

- pk = prix de vente du kWh pendant la plage tarifaire k[F/kWh]

- Ni,k = nombre d'heures de fonctionnement la puis-sance Pi pendant la plage tarifaire k [h].

Supposons par exemple que l'clairage d'un btimentfonctionne pleine puissance, 5000 W, de 8:00 18:00 dulundi au vendredi, et puissance rduite, 500 W, le restedu temps, et supposons que le tarif est le tarif Bleu avecoption heures creuses. Ce tarif n'a que deux prix: 0,5185 FHT/kWh en heures pleines (tous les jours de 6:00 22:00)et 0,3178 F HT/kWh en heures creuses (le reste dutemps). Sur tableur, on trouve facilement les rsultats(tableau 2.1.)

EDF offre trois catgories de tarifs, le choix entre ces troistarifs tant dtermin par la puissance souscrite (voir lechapitre 5 pour plus de dtails sur les tarifs) :

le tarif Bleu pour des puissances en dessous de 36kVA,

le tarif Jaune pour des puissances entre 36 kVA et 250kVA,

le tarif Vert pour des puissances en dessus de 250 kW.

Pour chaque tarif, il existe un choix d'options : assez limitpour le tarif Bleu, plus dtaill pour le tarif Jaune, et trsdtaill pour le tarif Vert. Le choix optimal entre ces tarifsdpend de la courbe de charge, de la puissance souscrite,de la dure d'utilisation de la puissance.

Un lment clef de la tarification est la diffrence du prixdu kWh entre les heures pleines et les heures creuses.Les heures creuses comprennent 8 heures par jour.Typiquement c'est la priode de 22:00 6:00, mais larpartition prcise peut varier d'une rgion l'autre. Ladistinction des heures pleines et creuses est optionnellepour le tarif Bleu, et obligatoire pour les autres tarifs.

Tous les tarifs offrent une option EJP (effacement jours depointe), qui peut tre intressante pour des clients qui sontprts couper ou rduire leur consommation pendantcertaines priodes: 18 heures/jour pendant 22 jours en

hiver, rpartition variable et alatoire (avec pravis) d'unan l'autre.

L'exemple ci-dessus a dj illustr le calcul de la dpenseannuelle (hors abonnement) pour le tarif Bleu avec optionheures creuses. Le mme principe s'applique pour lestarifs Jaune et Vert mais avec d'autres rpartitions horaireset d'autres plages tarifaires.

Au chapitre 5, des tableaux indiquent le nombre d'heurespar mois, en squence d'occupation, correspondant cha-que plage tarifaire et ce pour diffrents types de locaux.


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plages tarifaires P N p dpense

heures pleines [W] [h/an] [F/kWh] [F/an]

8:00-18:00 lundi-vendi. 5000 2607 0,5185 6759

8:00-18:00 samedi.-dim. 500 1043 0,5185 270

6:00-8:00 et 18:00-22:00 tlj. 500 2190 0,5185 568

heures creuses

22:00-6:00 tlj. 500 2920 0,3178 464

total 8760 8061

Tableau 2.1 - Exemple de calcul de dpense annuelle en F (HT, tarif 05/99) pour l'clairage

Les totaux annuels de ces tableaux peuvent tre utilisspour faire une estimation annuelle rapide des consomma-tions lectriques spcifiques.

Quant aux questions de conception d'un systmed'clairage et aux types de lampes, nous renvoyons auchapitre 8 des guides sectoriels de l'AICVF ref.[1.1] [1.8]

et aux documents de rfrence (exemples ref.[2.3] [2.10]. Les exigences et modes d'utilisation sont diffrentsselon les locaux (bureaux, couloirs, chambres d'htel).Pour des estimations rapides, le tableau 2.2 donne desexemples courants de puissance installe.

Parmi les considrations prendre en compte, plusieurseffets peuvent influer sur le comportement des occupantset donc sur la consommation. L'emplacement desinterrupteurs joue un rle important. Un emplacement malcommode peut dcourager les occupants d'teindre lalumire quand ils n'en ont plus besoin, quand la lumire dujour atteint un niveau suffisant par exemple. D'autre part, siun trop grand nombre de lampes est contrl par un seulinterrupteur, on aura tendance laisser plus de lampesallumes que ncessaire.

Le fonctionnement inutile peut tre minimis avec uncontrle automatique de l'clairage lectrique, base d'undtecteur de prsence et de lumire. Pour ne pasdranger les occupants il est prfrable que le contrlesoit graduel plutt que par paliers discrets.

Le calcul des consommations permet de souligner l'impor-tance d'une analyse en cot global pour la slection d'unsystme d'clairage. Il existe parmi les modles des cata-logues une dispersion importante des rendements (d'envi-ron 30 65%) pour des luminaires qui donnent un boncontrle de l'blouissement. Le cot d'exploitation sera

deux fois plus lev pour un modle ayant un rendementde 30% que celui d'un luminaire de rendement 60%. Deplus il faut installer un plus grand nombre de luminairespour obtenir l'clairement demand. Il a t dmontrrf.[2.11] que, clairement gal, plusieurs modles mauvais rendement taient plus chers mme en cot initial(installation comprise) que des modles plus efficaces.

2.2. MTHODES RAPIDESDESTIMATION

Selon les principes gnraux noncs plus haut ( 2.1),deux paramtres doivent tre estims :

La puissance installe P, avec un dcoupage par zoneselon les types de lampes et leur utilisation. La dter-mination de P est, soit issue dun dimensionnement faitpar un clairagiste qui permet de prciser le descriptifdu lot "clairage", soit estime partir de ratiosprtablis (tableau 2.2).

Les temps de fonctionnement typiques de la zone

fonctionnelle ou du btiment considr.

En considrant un comportement conventionnel des usa-gers, le temps de fonctionnement dpendra du scnariodoccupation, de lapport de lclairage naturel et dessystmes de gestion de lnergie.

2.2.1. ECLAIRAGE ELECTRIQUE SANSECONOMIES PAR LUMIERE DE JOUR

Pour le calcul de la consommation C, il est conseill defaire une comptabilit dtailleselon les types de lampeset les types d'utilisation. Prendre des valeurs typiquesforfaitaires de puissances installes en [W/m] donneraitdes rsultats moins fiables cause de la grande variabilitdes rendements des luminaires et des lampes.

Par exemple dans un btiment de bureaux il faut comptersparment l'clairage des couloirs, des bureaux, dessalles de confrence, des centres de calcul,...1. Pourchacun de ces postes il faut dterminer la puissanceinstalle (y compris les ballasts) et ensuite estimer lesheures d'utilisation par an. Pour l'clairage, la puissanceaffiche par le fabricant est assez proche de la puissanceutilise en service.

Ayant estim ainsi les puissances installes P et les

heures d'utilisation N par an, la consommation annuelle Cpour chaque poste est calcule selon la formule (2.2).Pour les zones sans lumire du jour il parat raisonnablede supposer des heures de fonctionnement cohrentesavec les heures d'occupation (incluant la priode denettoyage) rf.[2.12]. Cependant, il est possible daffinercette approche. On considre quune programmation cen-tralise est le systme permettant de faire concider ladure de fonctionnement celle du scnario doccupationde la zone tudie.

1A cause de la faible efficacit lumineuse des lampes incandes-centes, la contribution des quelques lampes incandescentes peutpeser lourd dans le bilan total de la consommation.


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clairement Puissance installe [W/m]moyen

en service(lux)*

incandescence,halogne

fluostandard

fluo hauteperform.

Bureau, moins de 30 m 500 80 25 18

Bureau paysage 500 65 20 15Salle de runion 500 80 25 18Sanitaires 250 65 20 19Couloir 200 40 15 9Cuisine 500 80 25 20Restaurant 300 60 18 13Stock archives 150 18 8 6Hall accueil 300 60 15 12Reprographie 500 80 25 18Salle informatique 500 80 25 18Bureau de dessin 1000 160 40 30Salle de classe 400 70 20 15Amphi 400 70 23 15Foyer 400 70 23 15

Infirmerie 500 80 25 18Bibliothque 500 80 25 20Laboratoire 750 120 40 27Chambres (hbergement) 300 60 15 12

(*) selon recommandations de lAFE

Tableau 2.2 - Ratios indicatifs de puissance installe d'clairage [W/m]

On aboutit ainsi un nombre dheures de fonctionnement pleine puissance qui doit tre pondr par un coefficientde foisonnement spatial et temporel Cf : dans la zone,durant les heures doccupation, certaines lampes peuventne pas fonctionner, dautres ne pas fonctionner enpermanence. Cf ne peut tre apprci quau cas par cas.

Par exemple, pour calculer la consommation dclairagedune zone "chambres" dans un htel, Cf intgrera lecoefficient moyen doccupation des chambres. Dautressystmes de gestion vont augmenter ou diminuer la con-sommation par rapport la programmation. On peut lescaractriser par un coefficient de gestion Cges.

Le tableau 2.3, inspir dune tude CSTB ref.[2.13], ras-semble lquivalent des coefficients Cges pris en comptedans diffrentes mthodes existantes, en ramenant le casde la programmation Cges = 1.

Ainsi, le nombre dheures quivalent pleine puissanceserait gal Nocc x Cf x Cges, o Nocc dsigne le nombredheures doccupation selon le scnario choisi.

Exemple : Calculer la consommation annuelle pour unezone de couloirs dun immeuble de bureaux avec unepuissance d'clairage installeP = 1000 W, gre par dtection de prsence.La priode doccupation est de 8:00 18:00 , 5 jours parsemaine, 52 semaines par an :Cf = 1 ; Cges = 0,9 ; Nocc = 10 *5* 52 h = 2600 h .N = 2600 x 1 x 0,9 = 2340 hConsommation C = P.N = 2340 kWh par an.

2.2.2. ECONOMIES PAR LUMIERE DUJOUR

Mme dans un cadre purement technique et parfaitementdfini, un calcul prcis des conomies par la lumire dujour est difficile du fait de la variabilit du rayonnementsolaire et de la complexit des transferts radiatifs dans unbtiment. Un tel calcul ncessite l'utilisation d'un program-me de simulation heure-par-heure. Mais au del de cesdifficults, le calcul prvisionnel dpend du dcor despices et de l'emplacement des postes de travail (ce quin'est pas toujours connu au moment du calcul) et, surtout,de la faon dont les occupants vont grer les interrupteursd'clairage et les protections solaires.

Cependant, des mthodes destimation ont t labores,soit partir de donnes statistiques, soit partir desimulations numriques.

Les donnes statistiques concernent essentiellement lesfrquences des niveaux dclairement extrieur qui

peuvent tre exploites avec des modles relativementsimples permettant destimer la part de cet clairementtransmise dans le btiment (facteur de lumire de jour).Les mthodes cites dans le tableau 2.3 prennent encompte lclairage naturel. Mais aucune pour linstant nepeut servir de base dans ce guide pour les raisonssuivantes :


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La mthode hollandaise (NEN 2916) est rglementaire,

donc sappuyant sur des conventions figes non extra-polables a priori. Cette mthode a cependantlavantage de traiter lensemble des btiments nonrsidentiels et son usage est simple.

La mthode CIBSE est principalement ddie aux

immeubles de bureaux. Le domaine dapplication esttrop restrictif.

La mthode californienne est rglementaire, doncconventionnelle, avec en outre un gisement dclairageextrieur difficilement transposable pour la France.

La mthode PAPOOSE dveloppe par TRIBU, reposesur des statistiques franaises dclairement extrieur.Lapproche correspond bien un outil daide laconception. Cependant, la validit du calcul nest pasencore clairement tablie.

o :

- Svit est la surface en tableau des fentres sur la zone- Fe est le facteur de masques (voir chapitre 5)- Sfacest la surface totale de faade de la zone- Fl est le facteur de transmission lumineuse dpendant de

la nature du vitrage- RCL est le rapport de la surface claire des fentres leur

surface en tableau

Quelques rsultats calculs avec le logiciel DOE2.1peuvent tre reprsentatifs de btiments tertiaires, mais ilssupposent des critres objectifs pour le contrle del'clairage lectrique (c'est dire une rduction automa-tique si lclairement total dpasse le seuil demand). Ondoit donc considrer ces rsultats comme une limitesuprieure des conomies ralisables (ou limite infrieurede la consommation).

Par exemple, la figure 2.1 montre la consommationlectrique d'clairage dans la zone du primtre sud d'unbtiment de bureaux en fonction de l'ouverture effective.La ligne continue montre un niveau constant correspon-dant un fonctionnement continu de l'clairage lectrique.

MthodesSystme de gestion NEN 2916

Rglementationhollandaise (1)

CIBSE

(2)

Rglementationcalifornienne

(3)

MthodePAPOOSE

(4)

CgesMthode CPC

Commande manuelle 1 1 - 1,15 1,1Programmation 1 1 1 1 1Dtecteur de prsence 0,7 - 0,8 0,9 1 0,9

(1) Energy performance of non residential buildings. Determination Method. Juin 1993.(2) CIBSE building energy code. BEC2 : Air conditionned building. Draft 19.4 : versions for comment trial. CIBSE, juillet 1997.(3) Energy efficiency standards for Residential and non residential buildings. California Energy Commission, juillet 1992.(4) Mthode pour les btiments haute qualit environnementale. TRIBU, outil dvelopp dans le cadre de latelier ATEQUE. Plan

Construction et Architecture, 1997.

Tableau 2.3 : Performances compares des systmes de gestion - Locaux sans clairage naturel - Valeurs de "Cges"

La mthode rglementaire franaise 2000 treanalyse aprs usage pour savoir si son degr desouplesse lui confre des possibilits daide laconception.

Les simulations numriques permettent dtablir descorrlations exprimes gnralement sous la formedabaques (ref.[2.14], [2.16], [5.15]).

Pour linstant, titre dexemple, est prsente ici une tu-de partir de simulations numriques, pouvant dbouchersur une mthode simplifie. Il sagit de travaux de l'quipe"Windows and Daylighting" du Lawrence BerkeleyLaboratory (rf.[2.14]).

Il a t montr que les aspects gomtriques et optiquesdes fentres peuvent tre caractriss par une seulevariable, appele ouverture effective"Oe". Cette variableest le produit de la surface vitre et du taux de trans-mission de lumire (corrig pour tenir compte de l'effet desmasques, stores), divis par la surface totale de lafaade :

Oe = facS

RCLxFlxFexSvit (2.6)

Les deux courbes en pointill indiquent la consommationavec un contrle thorique idal, pour deux sites. L'un estun site assez ensoleill au Sud des USA (4,3 kWh/m parjour en moyenne annuelle horizontale. Par comparaison,Carpentras reoit le mme ensoleillement). L'autre estsitu plus au Nord (3,75 kWh/mpar jour).

Leffet du site parat relativement faible. Ces rsultatspeuvent donc s'appliquer n'importe o en France, aumoins de faon qualitative. On observe que la consomma-tion diminue d'abord rapidement quand l'ouvertureeffective augmente, puis atteint un niveau de saturation.Dans cette tude, un clairement de 538 lux est requis etla saturation commence vers une valeur douvertureeffective de 0,15.

L'influence du type de rgulation et du niveau d'claire-ment demand est montr dans la Figure 2.2. Troisniveaux d'clairement sont compars (323 lux, 538 lux et753 lux) avec une rgulation de rduction automatiqueprogressive. Le niveau de saturation est atteint uneouverture plus faible si le niveau d'clairement est plusfaible. De plus, pour le niveau de 538 lux le graphiquecompare deux modes de contrles discrets: un contrletout ou rien et un contrle en trois paliers. La rduction

graduelle donne les meilleurs rsultats.


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Figure 2.1 - Consommation d'clairage moins de 5 m dune faade d'un btiment de bureauxen fonction de l'ouverture effective, pour deux sites : Lake Charles, LA (30N) et Madison, WI (43N) (ref.[2.15])

Tout ou rien (538 lux) 3 paliers de puissance (538 lux) modulation gradue de puissance (753 lux) modulation gradue de puissance (538 lux)

- - - - - - - - - - - - modulation gradue de puissance (323 lux)

Figure 2.2 - Influence du type de contrle et du niveau d'clairement d'un btimentde bureaux Lake Charles, LA. (rf.[2.16])


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Figure 2.3 - volution du taux de couverture lectrique moyen elm en fonction de l'ouverture effective Oe pour diffrents modes de gestion de l'clairage

(dduit de la rf. [2.16]) (T.O.R signifie "Tout Ou Rien")


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La figure 2.3 (tablie partir des courbes des figures 2.1et 2.2) donne la variation du taux de couverture lectriquedes besoins d'clairage en fonction de l'ouverture effec-tive, et ce, pour diffrents modes de gestion de l'clairage.Un taux de 100% signifie une absence d'conomie deconsommation lectrique par lumire du jour. Un taux de0% signifierait que la totalit des besoins d'clairage serait

couverte par la lumire du jour, ce qui est impossible.Cette estimation nest applicable qu une zone situe moins de 5 m de la faade.

Si le local comporte un clairage znithal, on considrealors que la zone concerne est le local. Le calcul de "Oe"s'effectuera en additionnant aux vitrages verticaux defaade, le double de la surface des parties transparentesou translucides znithales pondre par leurs caractris-tiques (Fl, RCL) et en considrant Fe = 1.Cette mthode inspire de ref.[1.1] [1.8] reste valider.

Fraction de l'lectricit ncessaire avec l'clairagenaturel = 0,38 (lu sur la figure 2.3)Consommation annuelle avec conomies dues l'clairage naturel : Cavec= 1755 kWh * 0,38 = 667 kWh.

2.3. MTHODE DTAILLE

2.3.1. ECONOMIES MENSUELLES

Au 2.1, ont t exposs les principes d'un calcul deconsommation du poste clairage et au 2.2 les lmentsncessaires pour une estimation annuelle. Dans ce para-graphe sont dcrits les lments permettant un calculmensuel dtaill de la consommation d'lectricit pourlclairage partir de lexemple de mthode dvelopp au2.2.

RCL.Svit.Fe/Sfac

0,1 0,2 0,3 0,4GESTION A (TOR) Fl elmSV clair 0,9 1 0,8 0,5 0,4DV clair 0,8 1 0,8 0,6 0,4DV teint clair 0,4 1 1 0,9 0,8DV fonc ou rflech. 0,2 1 1 1 1GESTION B (50%TOR) Fl elmSV clair 0,9 1 0,9 0,7 0,7DV clair 0,8 1 0,9 0,8 0,7DV teint clair 0,4 1 1 1 0,9DV fonc ou rflech. 0,2 1 1 1 1

gestion A : gestion automatique Tout Ou Rien de l'clairage

gestion B : gestion manuelle considre comme moiti moins efficace que la gestion automatique Tout Ou Rien

Tableau 2.4 - Valeurs du taux moyen annuel de couverture lectrique elm pour diffrents choix de conception : RCL.Svit.Fe/Sfac, diffrents modes de gestion de l'clairage

et diffrents types de vitrage (Fl)

Exemple : Estimer, l'aide de la figure.2.3, la consomma-tion lectrique de l'clairage, avec conomies dues l'clairage naturel, pour la situation suivante :surface faade = 10 m (longueur faade) x 3 m (hauteurfaade),zone sud de 4 m de profondeur,surface en tableau = 9,4 m, avec RCL = 0,85,absence de masque,taux de transmission = 0,80,puissance installe de P = 750 W,clairement sur plan de travail = 540 lux,nombre dheures (gal Nocc.Cf.Cges, voir 2.2.1)quivalent pleine puissance : 2 340 h par an,mode de contrle: rduction graduelle (gestion optimale).

Consommation annuelle sans conomies de l'clairagenaturel :Csans= 2340 h * 750 W = 1755 kWh.

Oe = 21,0310

85,04,980,0=

Sil n'y a pas possibilit d'conomie par lumire du jour,faute de systme de gestion de l'clairage artificiel ou

faute d'un clairage naturel suffisant, le taux de couverturelectrique moyen "elm" (part moyenne annuelle desbesoins d'clairage non couverte par l'clairement naturel)est alors gal 1. Dans le cas contraire, le tableau 2.4donne des valeurs usuelles de elm.

Le taux de couverture lectrique mensuelle "el" varie au-tour de sa valeur moyenne annuelle "elm" selon une loi :

el 1 Cmens.(1 elm)= (2.7)

Les valeurs de "Cmens", ainsi que des valeurs prcal-cules de el sont donnes au tableau 2.5, en fonction dutaux de couverture lectrique moyen annuel elm.Les conomies varient selon la saison comme le montrentles trois courbes de la Figure 2.4. La variation est assezfaible de mars septembre, mais en hiver les conomieschutent presque de moiti par rapport celles de juin.


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elm moyen annuel 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Cmens el mensuelDc 0,67 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9 0,9Nov/Janv 0,75 0,6 0,6 0,7 0,8 0,9 0,9Oct/Fv 0,87 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9

Sept/Mars 1,06 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9Aot/Avril 1,15 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,9Juil/Mai 1,19 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9Juin 1,20 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9

Tableau 2.5 - Valeurs du coefficient el mensuel

De ces rsultats, on peut extraire une mthode permettantde passer de elm des valeurs mensuelles.

Figure 2.4 - Variation saisonnire des conomies en fonction de l'ouverture effective Madison (rf.[2.15])


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2.3.2. DEPENSES

Elles sont gales, par plage tarifaire, au produit despuissances installes (ventuellement corriges par letaux de couverture lectrique) par le nombre d'heures ensquence d'occupation de chaque plage tarifaire. Lesdpenses mensuelles s'apprcient en sommant sur le

mois les rsultats obtenus pour chaque plage tarifaire dumois :

Dmens p . P.N . elk kplagestarifairesk

= [F] (2.8)

avec :- Dmens : dpense mensuelle d'clairage [F]- pk: prix du kWh sur la plage tarifaire k [F/kWh]- P : puissance installe d'clairage [kW]- Nk: nombre d'heures par mois de la plage tarifaire k- el : taux de couverture lectrique du mois considr.

Des tableaux au chapitre 5 donnent, pour chaque mois, lenombre d'heures par plage tarifaire, et ce pour diffrentstarifs et diffrents types de locaux. Pour un calculd'clairage on ne considrera que les plages "occupation",sauf si les locaux sont clairs en permanence.


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CHAPITRE 3

LES AUTRES USAGES

3.1. LES ENJEUX


3.3. CONSOMMATION LECTRIQUE DE LA BUREAUTIQUE ET DE L'INFORMATIQUE3.3.1. EVOLUTION DE LA BUREAUTIQUE ET DE SON UTILISATION3.3.2. PUISSANCE AFFICHEE ET ABSORBEE3.3.3. ESTIMATION DES CONSOMMATIONS

3.4. AUTRES USAGES3.4.1. ASCENSEURS3.4.2. AUTRES EQUIPEMENTS

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3.1. LES ENJEUX

Dans cet ouvrage, les autres usages signifient lespostes de l'lectricit spcifiquehors clairage, c'est--diretous les postes comprenant la consommation d'lectricitdes btiments hors chauffage, climatisation, eau chaudesanitaire et clairage :

la bureautique (dcentralise : ordinateurs, impriman-tes, copieuses...),

l'informatique (centralise : centres de calcul), la force motrice (ascenseurs, escaliers mcaniques...), les quipements de restaurant et de cuisine, autres : blanchisserie, strilisation.

Note : la consommation des auxiliaires d'ECS est traiteau chapitre 4, celle des auxiliaires de chauffage et deventilation au chapitre 5, celle des auxiliaires declimatisation au chapitre 6.

Par exemple, le recensement annuel du secteur tertiaire(rf.[3.2]) ne rapporte que trois catgories deconsommation d'lectricit : Chauffage + ECS , cuisson , et autres .Cependant, des estimations ont permis dtablir unerpartition par poste des 63 TWh dlectricit consommsen 1991 (daprs rf.[3.1]) :

La figure 3.1 montre les consommations annuellesparticulires de quelques immeubles de bureaux; figure3.1.a : une partie du parc immobilier de la Socit IBMFrance (400 000 m); figure 3.1.b : un immeuble debureaux Paris-La Dfense (130 000 m). Pour le posteclimatisation de la figure 3.1.a, il faut noter qu'une fractionimportante de l'nergie frigorifique n'est pas compteparce qu'elle est fournie par un rseau urbain.

Il faut enfin noter l'volution rapide de la consommation del'lectricit spcifique. La croissance spectaculaire de labureautique en particulier a un impact nergtique trsimportant.

chauffage climatisation ECS cuisson clairage bureautique autres TotalTWh 14,4 1,9 3,4 5,2 18,4 3,5 16,2 63

% 23 % 3 %* 5 % 8 % 29 % 6 % 26 % 100 %

(*) Le parc des btiments climatiss tait encore restreint (rf. [3.3])

En 1991, en France, la consommation des autresusages dans les btiments tertiaires reprsentait43 TWh, soit environ 68 % de la consommation lectriquetotale du secteur (rf.[3.1]).

Il serait intressant d'avoir des donnes dtailles mesu-res de consommation des autres usages par type de

btiment et par usage final (bureautique, force motrice...).Malheureusement, l'obtention de donnes fiables estdifficile. Une des difficults tient au cablage lectrique qui,dans la plupart des btiments, n'est pas organis selon letype d'usage final. De plus, les catgories ne sont pas bienprcises (la consommation de la ventilation centraleentre-t-elle dans chauffage/climatisation ou dans forcemotrice?).

La consommation est passe de 1,8 TWh en 1989 prsde 6 TWh en 1993 (rf.[3.6]).

Le chapitre est organis de la faon suivante : Leparagraphe 3.2 explique les principes gnraux de calcul.Le paragraphe 3.3 donne une estimation des usages de la

bureautique et de l'informatique. Le paragraphe 3.4 donneune estimation plus grossire des autres usages.

3.2. PRINCIPES GENERAUX

Pour un usage spcifique d'lectricit, les facteurs dter-minants de la consommation sont la puissance installedu matriel et la dure d'utilisation.

Figure 3.1a - Consommation lectrique d'un parc d'immeubles de bureaux (400 000 m) (rf.[3.4])

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Figure 3.1b - Consommation lectrique d'un immeuble (130 000 m) conu en 1980 Paris La Dfense (rf.[3.5])

Concernant la puissance il faut faire attention l'cartentre la puissance affiche et la puissance relle . Cetcart est ngligeable pour l'clairage mais peut correspon-dre un facteur de 2 4 pour le matriel de bureautique.

Les principes gnraux sont identiques ceux du chapitre2. Ils sont nanmoins repris ici pour faciliter la lecture.

La consommation annuelle C [kWh] est l'intgrale de lapuissance appele P(t) [kW] au moment t, le temps t tantexprim en heures.

C P t dt anne

= ( ) [kWh] (3.1)

Comme pour lclairage, le calcul prvisionnel de C estincertain, mme si la puissance installe du matriel estconnue, parce que l'utilisation dpend du comportementdes occupants du btiment.

Afin de prendre en compte la tarification EDF, il fauteffectuer un calcul spar pour chaque priode de tarifdiffrent. L'quation (3.1), ainsi que les quations qui sui-vent, seront donc appliquer sparment pour chacunedes ces priodes.

Pour la plupart des matriels (moteurs sans variateurs de

puissance, bureautique...) on peut faire, sans erreursignificative, l'hypothse d'un fonctionnement puissanceP constante. Dans ce cas, la consommation annuelle estsimplement :

C P= . [kWh] (3.2)

o N = nombre d'heures de fonctionnement par an1.

Cette formule est une bonne base mme pour les cas ola puissance appele varie lgrement. Si l'on peut estimerla puissance moyenne Pmoy et le nombre d'heuresd'utilisation Nmoy,on peut approximer cette quation par :

1La puissance appele au dmarrage peut tre beaucoup plus importanteque la puissance en marche continue. Cet effet doit tre pris en compte

pour la conception des rseaux lectriques, mais il est ngligeable pour la

calcul de C, sauf pour les ascenseurs (voir plus loin).

C P N moy moy. [kWh] (3.3)

Pour la plupart des matriels il existe plusieurs niveaux defonctionnement. Par exemple, les copieuses consommentplus pendant les copies que lors de l'attente. De mme,les ordinateurs de bureau ont un mode veille . Dans cecas, on peut gnraliser l'quation (3.3) en prenantplusieurs paliers de puissance Pi et les heurescorrespondantes :

C Pi Nii=

. [kWh] (3.4)

Par exemple, soit une copieuse qui fonctionne 1000 h 0,5 kW en mode d'attente et 800 h 1,0 kW en moded'impression. Sa consommation annuelle est

C = 1000 h . 0,5 kW + 800 h . 1,0 kW = 1300 kWh

Si on sattache la dpense, il faut introduire la variationhoro-saisonnire de la tarification de EDF (rf.[3.7]). Il fautdonc calculer la dpense annuelle en distinguant dansl'quation (3.4) toutes lesplages tarifairesayant un prix devente diffrent :

D Pi pk Ni kki

= . . , [F] (3.5)

o :- pk= prix de vente du kWh pendant la plage tarifaire k

[F/kWh]- Ni,k = nombre d'heures de fonctionnement la puissan-

ce Pi pendant la plage tarifaire k [h].

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EDF offre trois catgories de tarifs, le choix entre ces troistarifs tant dtermin par la puissance souscrite (voir lechapitre 5 pour plus de dtails sur les tarifs) :

le tarif Bleu pour des puissances en dessous de 36kVA,

le tarif Jaune pour des puissances entre 36 kVA et 250kVA,

le tarif Vert pour des puissances en dessus de 250 kW.

Pour chaque tarif, il existe un choix d'options : assez limitpour le tarif Bleu, plus dtaill pour le tarif Jaune, et trsdtaill pour le tarif Vert. Le choix optimal entre ces tarifsdpend de la courbe de charge, de la puissance souscrite,de la dure d'utilisation de la puissance.

Un lment clef de la tarification est la diffrence du prixdu kWh entre les heures pleines et les heures creuses.Les priodes creuses comprennent 8 heures par jour,rparties gnralement de 22:00 6:00 mais cetterpartition peut varier d'une rgion l'autre. La distinctiondes heures pleines et creuses est optionnelle pour le tarifBleu, et systmatique pour les autres tarifs.

Tous les tarifs offrent une option EJP (effacement jours depointe), qui peut tre intressante pour des clients qui sontprts couper ou rduire leur consommation pendantcertaines priodes: 18 heures/jour pendant 22 jours enhiver, rpartition variable et alatoire (avec pravis) d'unan l'autre.

Au chapitre 5, les tableaux 5.37 et 5.41 indiquent lenombre d'heures par mois, en squence d'occupation,correspondant chaque plage tarifaire et ce pourdiffrents types de locaux. Les totaux annuels de cestableaux peuvent tre utiliss pour faire une estimationannuelle rapide des consommations lectriques

spcifiques.

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3.3. CONSOMMATIONELECTRIQUEDE LA BUREAUTIQUE ETDE L'INFORMATIQUE

3.3.1. EVOLUTION DE LA BUREAUTIQUEET DE SON UTILISATION

Toutes les tudes sur le sujet montrent que l'nergieutilise pour les quipements lectroniques de bureaudevient une composante majeure de la consommationnergtique totale. La chaleur produite augmente dumme coup les charges de climatisation ou le risqued'inconfort en t.

Le secteur de l'informatique est en volution rapide. Lestendances actuelles sont les suivantes :

En secteur bureaux , le taux dquipement desentreprises est trs important. En 1995, prs de 60 %des employs avaient un micro-ordinateur ou unterminal (sources ADEME et rf.[3.9]). On dnombraiten moyenne une imprimante pour 6 employs, unphotocopieur et un modem pour 12 20 personnes.

La bureautique est un march o la concurrence esttrs forte. Le label Energy Star promu depuis 1992a banalis les systmes de mise en veille des appareils(crans, units centrales, imprimantes). Les dures devie des quipements sont estimes quelquesannes. Le taux de renouvellement est de l'ordre decinq ans. Le taux dquipement augmente encore et les

nouveaux systmes choisis rpondent des besoinsplus importants et plus exigeants. Cependant, duredutilisation identique, la consommation dnergie sestabiliserait grce aux meilleures performances desappareils (cf. 3.3.2). Lusage des crans plats con-sommant 8 fois moins dnergie que les cranscathodiques risque de se dvelopper trs prochaine-ment et trs rapidement.

Les dures dutilisation des quipements augmentent(rf.[3.12]). Mais le temps dutilisation ne doit pas treconfondu avec le temps de marche. Durant ce dernier,un quipement est soit utilis, soit en tat de veille ouen tat dattente (photocopieur) : voir 3.3.2.

Sur l'utilisation des ordinateurs pendant la journe, il existeplusieurs tudes permettant de tirer des conclusions assezfiables. Norford et al. (rf.[3.10]) ont tudi l'utilisation de labureautique dans trois btiments de bureaux aux USA, etRoturier et al. (rf.[3.11]) prsentent des observations surplusieurs btiments du tertiaire en France : deux grandsbtiments de bureaux (Tour Descartes, et Ministre desFinances) et 50 btiments du tertiaire dans la rgion deBordeaux.

Les observations sont suffisamment homognes poursuggrer qu'actuellement la plupart des ordinateurs sontallums pendant les heures normales de travail, maisarrts la nuit et les week-ends. Bien sr, allum ne veut

pas dire utilis.

L'augmentation de la consommation due l'effetrseau est probable. Il s'agit de la tendance laisserallum un appareil particulier pour ne pas empcher le bonfonctionnement de tout autre matriel qui y est reli par lemme rseau. Des imprimantes sont partages entreplusieurs ordinateurs et ne sont en consquence jamaisteintes. Par ailleurs, le fax intgr dans un ordinateuroblige laisser ce dernier en marche en permanence pourne pas empcher la rception des messages.

Le tableau 3.1 (rf.[3.8]) indique lusage des ordinateursselon le type de travail.

3.3.2. PUISSANCE AFFICHEE ETABSORBEE

La figure 3.2 montre la puissance relle (en axevertical) et la puissance affiche (en axe horizontal)pour une gamme reprsentative de matriels(rf.[3.10]). Pour le matriel de bureautique il y a uncart trs important, d'un facteur de 2 4, entre lapuissance affiche et la puissance relle. La

puissance relle des ordinateurs personnels estgnralement dans la fourchette de 50 200 W. Enpremire approximation, on pourra considrer que lapuissance absorbe est gale au tiers de lapuissance affiche

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Tableau 3.1 - Usage des ordinateurs (rf.[3.8])

Figure 3.2 - Puissance affiche et puissance mesurede plusieurs types de matriel de bureautique (fin des annes 80) (rf.[3.10])

peak = maximum average = moyenne

La variation de la puissance en fonction de l'utilisation a t pendant longtemps ngligeable pour les ordinateurs.

Cependant, des conomiseurs dnergie sur le disque dur et le ventilateur sont devenus courants sur les nouvelles machines.Ils permettent de substantielles rductions dappels de puissance : 15 25 W par unit centrale alors que celle-ci absorbe de40 80 W en mode actif (rf.[3.9], [3.13], [3.14]).

La consommation des copieuses et des imprimantes peut varier fortement (pour les imprimantes de la figure 3.2 il y a uneaugmentation par un facteur d'environ deux pendant l'impression par rapport la consommation moyenne).

En croisant diffrentes sources (rf.[3.5], [3.9], [3.13], [3.14], [3.15]), on peut tablir des valeurs typiques depuissances absorbes par appareil et des pourcentages de temps dutilisation par mode dutilisation. Le tableau 3.2rassemble ces donnes.

Usage des ordinateurs Utilis en continu Utilisation intermittente Non utilis

Directeur 45 % 45 % 10 %Dactylo 100 % 0 % 0 %Employ 52 % 33 % 15 %Ingnieurs 57 % 32 % 11 %

Dessinateurs 40 % 47 % 13 %Expert 23 % 51 % 26 %Vendeurs 75 % 12 % 13 %Comptables 78 % 7 % 15 %quipe dassurance 75 % 25 % 0 %

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Units centrales de PC teint Veille Actifstandard 0 5 W 100 W 110 W Energy Star 0 3 W 15 25 W 40 80 Wdure de fonctionnement (1) 70 % 5 % 25 %

crans de PC Energy Star teint conomiseurdnergie

conomiseurdcran (veille

classique)

Actif

14" 15" 0 3 W 20 W 55 W 60 W17" 21" 0 5 W 15 W 85 W 95 Wdure de fonctionnement (1) 70 % 5 % 13 % 12 %

Imprimantes teint Veille Actiflaser 0 10 W 25 30 W 180 280 Wjet dencre 0 6 W 10 20 W 55 Wdure de fonctionnement (1) 70 % 25 % 5 %

Photocopieurs teint Veille Attente Copiespetits ou moyens

(moins de 60 copies/mn)

0 5 W 80 100 W 150 W 1700 W

grands (plus de 60 copies/mn) 0 5 W 175 W 350 W 1800 Wdure de fonctionnement (1) 60 % 30 % 5 % 5 %

Tlcopieurs teint Attente Actiflaser 0 5 W 40 W 150 300 Wjet dencre 0 5 W 15 W 40 Wdure de fonctionnement (2) 45 % 50 % 5 %

(1) sur 24 h dun jour ouvr de bureaux (~ 245 jours/an)(2) sur 24 h dun jour de lanne hors congs (~ 330 jours/an)

Tableau 3.2 - Puissances absorbes des quipements de bureautiqueet rpartition des modes de fonctionnement

Une donne intressante est la puissance installe par m. La croissance rapide du parc informatique amne considrerdeux variables spares : la puissance typique par m, dans un bureau quip d'un PC, et le taux doccurrence d'un tel PC. Lasurface d'un bureau est de l'ordre de 10 m, et un PC avec quelque matriel supplmentaire consomme typiquement environ200 W. Roturier et al. (rf.[3.11]) observaient ds 1990 un taux d'occurrence d'environ 50 %. Les tendances suggrent qu'ons'achemine vers un PC par salari. En 1998, on constatait environ 2 PC pour 3 personnes (rf.[3.13]).

C'est pourquoi la puissance installe de la bureautique approche la puissance de l'clairage, traditionnellement dans lafourchette de 10 30 W/m dans les bureaux. Mais si les consommations d'clairage risquent de diminuer grce aux nouvellestechnologies (ballasts haute frquence, rflecteurs amliors, et clairage naturel avec dtecteur d'occupation), le secteur del'informatique continue son expansion.

3.3.3. ESTIMATION

DES CONSOMMATIONSEn appliquant les principes gnraux ( 3.2), en particulierlquation 3.4, avec les donnes-types du tableau 3.2, ilest possible dvaluer la consommation des matriels debureautique.

Il faudra pralablement dfinir sur quelles dures seffec-tuera cette valuation.Exemple : pour estimer la consommation annuelle delensemble des matriels de bureautique, ces durespeuvent tre :- pour les tlcopieurs : 330 jours x 24 h = 7 920 h- pour les autres matriels : 245 jours x 24 h = 5 880 h.

Il suffit ensuite de pondrer ces dures par les puissancesabsorbes typiques et les pourcentages de mode defonctionnement.

Exemples :- pour un PC avec cran 17 Energy Star , en prenant

des valeurs moyennes dans le tableau 3.2 :5880 h x 10-3kW x ( 0,7 x (1,5 + 2,5) + 0,05 x (20 + 15) +(0,25 x 60) + (0,13 x 85) + (0,12 x 95))= 5880 h x 10-3kW x 42 = 247 kWh.

- pour un tlcopieur jet dencre :7920 h x 10-3kW x (( 0,45 x 2,5) + (0,50 x 15) + (0,05 x40)) = 7920 h x 10-3kW x 10,6 = 84 kWh.

Ce mode de calcul doit aussi tenir compte du fait quecertains matriels prsents ne sont pas systmatiquementutiliss, en particulier les ordinateurs (voir 3.3.1). Il yaura lieu deffectuer une pondration selon la probabilitdutilisation.

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Ces estimations supposent que le parc bureautique estconnu.

Dans le cas contraire, on peut le cerner en se basant surle nombre demploys et en appliquant les taux dquipe-ment suivants :- unit centrale + cran : de 0,7 1 unit par personne

- imprimante : de 0,5 1 unit par personne- photocopieur et fax : 1 appareil pour 20 personnes.

Quelques ratios permettent une estimation rapide :

- Imprimantes :rf.[3.14] laser : 160 kWh/an

jet dencre : 60 kWh/an- Photocopieurs :

rf.[3.14] 550 kWh/anrf.[3.13] Puissances moyennes pendant la priode

doccupation :petit copieur : P = 250 Wgrand copieur : P = 350 W

daprs le BRESCU (cit en [3.13]) : 22 kWh/m2.an

- Units centrales :rf.[3.14] PC 486 : ~ 70 kWh/an

Pentium : ~ 100 kWh/an- crans :

rf.[3.14] 14 15 : ~ 100 kWh/an17 21 : ~ 315 kWh/an

- Tlcopieurs :rf.[3.13] laser : 308 kWh/an

jet dencre : 72 kWh/anrf.[3.14] 130 kWh/an

3.4. AUTRES USAGES

Parmi les autres usages on peut citer :

la force motrice(ascenseurs, escaliers mcaniques...),

les quipements de cuisine, les quipements d'hpital,...Les principes du calcul sont les mmes que ceux dcritsci-dessus. C'est--dire qu'il faut connatre la puissanceappele et l'utilisation du matriel.

3.4.1. ASCENSEURS

Il est difficile de trouver des renseignements gnraux surla consommation nergtique des ascenseurs. Selon uneenqute ce poste semble reprsenter environ 2 % parrapport la consommation de chauffage (rf.[3.16)]. Pourles ascenseurs en htellerie, on estime la consommation 0,2 kWh/chambre loue (rf.[3.17]) Pour les btiments desoins, on estime la consommation des moyens dlvationentre 4 et 6 kWh/m.an (rf.[3.18]).

La puissance de dmarrage (phase d'acclration) peuttre assez diffrente de la puissance moyenne (vitessenominale). L'utilisation dpend du comportement humainet de la gestion. Dans un btiment avec plusieursascenseurs l'utilisation peut tre trs diffrente entre unegestion intelligente (seul l'ascenseur le plus proche ou djen route dans le bon sens rpond un appel) et uncontrle bte (tous les ascenseurs rpondent au mmeappel).

Quant la puissance, l'ordre de grandeur peut tre autourde 30 kW au dmarrage et 10 kW en moyenne (rf.[3.16]).

En rsidences pour personnes ges, les ascenseursconsomment 2,4 kWh/m.an sils sont mcaniques ou3,9 kWh/m.an sils sont hydrauliques (rf.[3.19]). Enimmeubles de bureaux, des mesures sur quelquesbtiments indiquent des consommations variant de 4 8

kWh/m.an (rf.[3.20]). Les nouveaux matriels, plusefficaces, tendraient se situer au minimum de cettefourchette (rf.[3.13]).

Il est possible destimer des consommations annuelles parappareil ramenes au kg de charge en utilisant lesrsultats dune tude de lENTPE (rf. [3.21]) :- ascenseur ou monte-malade :

charge 375 kg : 17 20 kWh/kg.ancharge > 375 kg : 12 kWh/kg.an

- monte-malade :charge 2000 kg : 16 kWh/kg.an.

Deux ratios par appareil sont aussi utilisables :- pour les bureaux : ~ 7 500 kWh/appareil.an

- pour les htels : ~ 5 700 kWh/appareil.an

3.4.2. AUTRES EQUIPEMENTS

Pour les restaurants et les cuisines (cuisson + chambresfroides) on peut utiliser les ratios suivants:- 0,7 kWh/repas, ratio dduit de (rf.[3.22]),- 0,37 kWh/repas en liaison froide et 0,45 kWh/repas en

liaison chaude, ratios dduits de (rf.[3.23])(en ajoutant les consommations deau chaude-laverie, dechauffage, de ventilation et de divers quipements, onobtient respectivement 1,05 et 1,69 kWh/repas).

Pour les blanchisseries en hpitaux, on peut retenir les

ratios suivants : 37 70 kWh/m ou 2,5 kWh/kg linge(rf.[3.18]). On retrouve un ratio proche pour lesrsidences pour personnes ges : 1,6 2,5 kWh/kg linge(rf.[3.24]).

Pour les quipements hospitaliers, les consommations delincinrateur varient de 13 19 kWh/m.an et celles desautres quipements (surpression, nettoyage, transportspneumatiques, station dpuration, strilisation, quipe-ments mdicaux...) reprsentent 15 16 kWh/m.anrf.[3.18].

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CHAPITRE 4

LEAU CHAUDE SANITAIRE


4.2. MTHODE RAPIDE PAR RATIOS

4.3. MTHODE DESTIMATION4.3.1. ESTIMATION DES BESOINS Becs 4.3.2. ESTIMATION DES RENDEMENTS Recs

4.3.2.1. Systmes dcentraliss4.3.2.2. Systmes centraliss

4.3.3. ESTIMATION DU FACTEUR DE RECUPERATION Rcup 4.3.4. EVALUATION DU COUT DU KWH Pecs

4.4. MTHODE DTAILLE4.4.1. DETERMINATION DES BESOINS Becs

4.4.1.1. Temprature de leau chaude sanitaire4.4.1.2. Temprature moyenne deau froide4.4.1.3. Volume dECS utilis

4.4.2. DETERMINATION DU RENDEMENT MOYEN Recs 4.4.2.1. Tempratures ambiantes moyennes Tamb 4.4.2.2. Rendement de distribution Rde 4.4.2.3. Rendement de stockage Rs 4.4.2.4. Rendement de gnration Rge

4.4.3. DETERMINATION DU FACTEUR DE RECUPERATION Rcup 4.4.3.1. Rcupration dnergie solaire4.4.3.2. Prchauffage dECS par rcupration sur le groupe frigorifique de climatisation

4.4.4. CALCUL DES PERTES RECUPERABLES POUR LE CHAUFFAGE OUDES CHARGES SUPPLEMENTAIRES POUR LA CLIMATISATION

4.4.5. CONSOMMATIONS DES AUXILIAIRES DECS CAXECS 4.4.6. REPARTITIONS TARIFAIRES POUR LES CONSOMMATIONS

ELECTRIQUES

4.4.7 DEFINITION DES ZONES CLIMATIQUES (INSOLATION ET TEMPERATURE DEAU FROIDE TEF )


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4.1. PRINCIPES GENERAUX

Les consommations pour la production deau chaudesanitaire peuvent svaluer selon :

- une mthode rapide simplifie qui dfinit des consom-mations annuelles sous forme de ratios,

- une mthode destimation, qui consiste exprimer lesconsommations annuelles partir des besoins et desrendements des installations-types,

- une mthode dtaille qui sapplique mois par mois.Cependant, et contrairement dautres postes deconsommation, la fourniture dECS peut tre considrecomme indpendante des variations climatiques saison-nires. En consquence, il est aussi propos un calculannuel (ou saisonnier pour les nergies cot variabledans lanne).

Les cots dexploitation pour la production dECS se cal-

culent partir des consommations, exprimes en kWh/an,multiplies par le cot unitaire de lnergie utilise.Dans le cas de llectricit, ce cot unitaire correspond un cot moyen annuel quil faut pralablement tablir.

A ces cots, sajoutent des cots fixes correspondant lapart dabonnement.

4.2. METHODE RAPIDE PARRATIOS

Cette mthode consiste tablir des ordres de grandeuren utilisant des ratios de consommation annuelle, parsecteur dactivit.

Ces ratios ont t tablis partir de besoins unitairessappuyant sur les rfrences cites au 4.4, de calculsutilisant des ratios de consommation dnergie par m3deau chaude (rf.[4.1]) et en confrontant ces rsultats quelques ratios existants.

En htellerie, la consommation peut sexprimer enkWh/nuite. Elle est de lordre de 5 9 pour un systmelectrique et de lordre de 6 12 pour un systme combustible.

En immeuble de bureaux, on estime que les consomma-

tions varient de 2 5 kWh/m2.an.

En btiment de soins, les consommations dECS varientfortement selon la taille de ltablissement et selon lestypes dactivit.Les ratios suivants peuvent sappliquer pour des hpitauxde taille assez importante : de 15 25 kWh/m2.an lorsque llectricit est prpon-

drante de 17 30 kWh/m2.an lorsque les combustibles sont

principalement utiliss.

En btiments denseignement, les ratios sont trsvariables selon la taille du btiment, le type et le niveau

denseignement, limportance relative des laboratoires, laprsence dun internat, le type de liaison en cuisine, lenombre de rationnaires.On peut estimer que la consommation est comprise entre2 et 10 kWh/m2.an.

Pour un btiment sans internat : de 2 6 kWh/m2.an en ECS lectrique de 3 10 kWh/m2.an en ECS par combustible.

En quipement sportif, les ratios dpendent principale-ment de la frquentation des lieux. En considrant quun

usager prend une douche par visite, les consommationsseront de lordre de 2 kWh/usager en ECS lectrique et3 kWh/usager en ECS combustible.

4.3. MTHODE DESTIMATION

La consommation dECS en [kWh/an], note Cecs,sexprime par :

Recs

ecup)RBecs.(1Cecs

= (4.1)

avec : Becs : besoins dECS [kWh/an] Recs : rendement moyen de linstallation Rcup : facteur de rcupration moyen annuel.

Le cot dexploitation sera gal Cecs.Pecs (en F/an),Pecs tant le cot unitaire moyen TTC de lnergie utilise.

4.3.1. ESTIMATION DES BESOINSANNUELS Becs

En appliquant les formulations retenues dans la mthodedtaille (4.4), il est propos des coefficients prcalculs

pour estimer rapidement Becs, en [kWh/an].

Htellerie (hbergement sans restauration, avec blanchis-serie) :

Becs dpend de la catgorie de lhtel et du nombre denuites loues dans lanne Nn .

Nn = Nj.Copp.Nch.

avec :- Nj : nombre de jours douverture dans lanne- Copp : coefficient moyen doccupation (souvent entre 0,6

et 0,9)- Nch : nombre total de chambres.

En considrant un nombre moyen de clients par chambreloue gal 1,5 :

Nn.KhotBecs = (4.2)

avec Catgorie 0 * : Khot = 3,8Catgorie 1 * : Khot = 4,2Catgorie 2 * : Khot = 5,3Catgorie 3 * : Khot = 6,4Catgorie 4 * : Khot = 7,5


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Restaurants:

En cuisine traditionnelle, on peut utiliser une formule sta-tistique (rf.[4.2]) :

- Si le nombre de repas quotidiens Nrep est comprisentre 25 et 300 :

Nj.Nrep).2120Nrep.5

10000.(058,0Becs ++

= (4.3)

- Si Nrep > 300 :

Becs = 0,464.Nrep.Nj (4.4)

En restauration rapide:

Nj.Nrep.29,0Becs = (4.5)

Bureaux:

Becs = 66.Nbper (4.6)

avec :Nbper : nombre moyen de personnes occupant les lieux.

Btiments de soins:

- En hpitaux ou cliniques :

Nbhop.54,7Becs = (4.7)

avec :Nbhop : nombre de journes dhospitalisation par an dansltablissement.

- En hospices :

Nbhop.21,6Becs = (4.8)

Btiments denseignement :

Les btiments denseignement recouvrent un trs grandnombre de cas, de la petite unit dcole maternellejusqu une importante universit.Aussi, les besoins dECS concernent ici seulement lhber-gement (internat) et la restauration (cantines/self). Sontexclus les besoins spcifiques tels que les laboratoires,piscines,...

- Sil existe un internat :

intNb.542Becs = (4.9)avec :Nbint : nombre moyen dinternes dans ltablissement(hbergement + pension complte 187j/an)

- Sil existe un lieu de restauration :

Becs = 0,464.Nrep.Nj (4.10)par exemple, si une cantine fonctionne 6 jours/semaine,soit 153 j/an :

Becs = 71 kWh/an par demi-pensionnaire.

4.3.2. ESTIMATION DES RENDEMENTS Recs

On considre des rendements-types pour deux catgoriesdinstallation :

les systmes dcentraliss (chauffe-eau lectriques,chaudire ou chauffe-bain gaz production instan-tane). Ces systmes sont plutt adapts des faiblesbesoins (zones denseignement, bureaux) ;

les systmes centraliss composs dun gnrateur,dun stockage et/ou dun changeur, dune boucle dedistribution et de piquages pour les diffrents puisages.

4.3.2.1. SYSTEMES DECENTRALISES

Pour un chauffe-eau lectrique :Recs = 0,80

Pour un gnrateur gaz production instantane :

Recs = 0,50

4.3.2.2. SYSTEMES CENTRALISES

Ces systmes se diffrencient principalement par le typede gnrateur.

La liaison entre le gnrateur et le rseau de distributionpeut comporter un stockage important (accumulation), unstockage tampon (semi-accumulation), ou seulementun changeur (production instantane). Dans ces troiscas, les pertes sont sensiblement identiques. Si onsouhaite les diffrencier, il faut se rfrer au 4.4.

On considre une distribution dECS en boucle de bonnequalit : elle est suppose correctement isole et lespiquages ne dpassent pas 8 mtres de longueur.

Pour les grands chauffe-eau lectriques :Recs = 0,70

Pour les chaufferies combustible :Gaz condensation :

Recs = 0,60Gaz haut rendement et basse temprature :

Recs = 0,55Fuel basse temprature : Recs = 0,55Fuel haut rendement : Recs = 0,50

Pour les accumulateurs-gaz ou fuel :Recs = 0,60

Pour les sous-stations de rseaux de chaleur :Eau < 100C : Recs = 0,65Eau > 100C ou vapeur : Recs = 0,60

Pour les pompes chaleur :PAC air/eau : Recs = 1,7PAC eau/eau : Recs = 2,1.


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4.3.3. ESTIMATION DU FACTEUR DERECUPERATION RECUP

Sont envisags ici deux types de rcupration noncumulables :

Prchauffage dECS par capteurs solaires.

En supposant un dimensionnement correct de linstallation,les valeurs de Rcup dpendent de la zonedensoleillement (cf.4.4.7, tableau 4.16) :

En zone I1 : Rcup = 0,30En zone I2 : Rcup = 0,40En zone I3 : Recup = 0,50En zone I4 : Rcup = 0,65

Prchauffage dECS par rcupration sur le groupefrigorifique de climatisation :

On suppose que le systme de climatisation fonctionnetoute lanne. La rcupration dpend de la zone

climatique (cf.4.4.7, tableau 4.16) :En zone H3 : Rcup = 0,65Autres zones : Rcup = 0,60.

4.3.4. EVALUATION DU COT DU KWH Pecs

Il suffit de se rfrer aux documentations des producteursdnergie ou bien de consulter le service tlmatique du

Ministre de lindustrie : ENERSTAT (0836011414 ou 3614ou 3623).Pour llectricit, il faut en plus rpartir la consommation Cecs selon les tranches tarifaires horo-saisonnires :voir tableaux 4.14 et 4.15.

4.4. METHODE DETAILLEE

4.4.1. DETERMINATION DES BESOINS Becs

Par zone fonctionnelle et pour une priode donne, lesbesoins deau chaude sanitaire sexpriment en [kWh] par :

Tef)-(Tecs.Qecs.1,163=Becs (4.11)avec :- Tecs : temprature de leau chaude sanitaire produite

[C]- Tef : temprature moyenne deau froide sur la priode

[C]- Qecs : volume dECS consomm sur la priode [m3]

4.4.1.1. TEMPERATURE DE LEAU CHAUDESANITAIRE

Souvent proche de 60C, Tecs peut prendre des valeursdiffrentes dans les zones dhbergement o lECS estdistribue environ 50C en htellerie, 40C dans leschambres dhpitaux et 45C en internat : dans ce cas,Qecs est souvent dfinie en quantits quivalentes deau 60 C (voir 4.4.1.3). Ainsi, on considrera toujours Tecs= 60C dans lquation (4.11).

Site janv. fvrier mar s avri l mai juin jui l let aot sept. oct . no v. dc.

Ajaccio 10 10 11 14 16 18 19 19 18 16 14 11Nice 10 10 11 14 16 18 19 19 18 16 14 11

Marseille 10 10 11 14 16 18 19 19 18 16 14 11Nmes 9 9 10 13 15 17 18 18 17 15 13 10Perpignan 10 10 11 14 16 18 19 19 18 16 14 11Toulouse 7 7 8 11 13 15 16 16 15 13 11 8Biarritz 8 8 9 12 14 16 17 17 16 14 12 9Bordeaux 7 7 8 11 13 15 16 16 15 13 11 8Embrun 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6Clermont-Fd 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Grenoble 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Lyon 6,5 6,5 7,5 10,5 12,5 14,5 15,5 15,5 14,5 12,5 10,5 7,5Besanon 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6Poitiers 6,5 6,5 7,5 10,5 12,5 14,5 15,5 15,5 14,5 12,5 10,5 7,5Angers 6,5 6,5 7,5 10,5 12,5 14,5 15,5 15,5 14,5 12,5 10,5 7,5Brest 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Rennes 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Rouen 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6Paris 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Strasbourg 6 6 7 10 12 14 15 15 14 12 10 7Nancy 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6Reims 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6Lille 5 5 6 9 11 13 14 14 13 11 9 6

Tableau 4.1 - Tempratures moyennes mensuelles de leau froidedistribue dans vingt-trois villes franaises, daprs (rf.[4.1])


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4.4.1.2. TEMPERATURE DE LEAU FROIDE

Pour un calcul mensuel ou saisonnier, on peut utiliser lesvaleurs indicatives de Tef donnes dans le tableau 4.1. Ilest cependant frquent en zone urbaine de trouver leaufroide des tempratures plus leves, notammentpendant lt.

Les donnes du tableau 4.1 peuvent tre retrouves enexprimant la temprature deau froide au mois numro m par la relation suivante (avec une erreur absoluemaximale de 0,5C) :

)6

5,1m.cos(7,4Tef)m(Tef

= (4.12)

Tef est donn dans le tableau 4.2

Pour un calcul annuel, on considre que Tef varie avecune bonne concordance selon les zones climatiques de larglementation thermique (Tableau 4.3) :

Site TefAjaccio, Nice, Marseille, Perpignan 14,7Nmes 13,7Biarritz 12,7Toulouse, Bordeaux 11,7Lyon, Poitiers, Angers 11,2Clermont-Ferrand, Grenoble, Brest,Rennes, Paris, Strasbourg

10,7

Embrun, Besanon, Rouen, Nancy,Reims, Lille

9,7

Tableau 4.2 - Temprature moyenneannuelle deau froide pour 23 sites

Zone climatique(cf. 4.4.7)

Temprature moyennedeau froide (C)

H1 10,5H2 12H3 14,5

Tableau 4.3 - Temprature moyenne annuelle deaufroide pour les zones climatiques dhiver

4.4.1.3. VOLUME DECS UTILISE

Qecs est dfini selon le nombre de jours dutilisation parpriode de la zone, not Nj , le nombre moyenjournalier dunits, not Nu et la consommationquotidienne deau chaude sanitaire par unit, note qecs .

Nu.Nj.qecs.001,0Qecs = [m3 60C] (4.13)

Remarque :Les donnes du terrain montrent que le volume deaumitig et la temprature dutilisation sont constants tout aulong de lanne. En toute rigueur, Qecs devrait augmenterquand Tef diminue et inversement. Ainsi, par exemple,pour un calcul mensuel, il faudrait introduire une correction

tenant compte de la variation mensuelle de Tef pourexprimer linvariance des besoins au puisage :

TefTecs

TefTu.

)m(TefTu

)m(TefTecs.Qecs)m(Qecs

=

[m3 60C] (4.14)

o :Qecs(m) est le volume corrig deau 60C du mois m,

Tef(m) et Tefsont dfinis pour lquation (4.12)Tecs = 60C

Qecs est le volume deau 60C pour la temprature

Tef(cf. quation (4.13))Tu est la temprature dusage deau mitige.

Cependant, cette correction naurait de sens que si lesvaleurs statistiques ou exprimentales de Qecs taientconnues en fonction de Tef. Or, les donnes disponiblescaractrisant les besoins en eau chaude pour les diffrentssecteurs ne sont pas dtermines avec la prcisionrequise. Aussi, la formule (4.14) ne doit tre utilise quepour affiner un calcul sur un site et un projet prcis (avecdes valeurs particulires de Tef et Tu). Son emploisystmatique ninduirait quune prcision illusoire.

Les sources disponibles ont t rapproches pour tenterdobtenir une vision synthtique. Elles sont souventexprimes sous la forme de qecs , cest--dire par jouret par unit et pour Tecs = 60C. Do lexpression choisiepour Becs (formule (4.11)).

Les units diffrent selon les secteurs et les zonesfonctionnelles :

En hbergement dhtellerie, il sagit dune chambreoccupe (loue). Pour les btiments de soins et densei-gnement (internats), il sagit dun lit.

En restauration, il sagit dun repas (les petits djeunerssont quivalents un demi-repas). En btiment de soins,

lunit peut tre ramene au lit par commodit pour lecalcul (cf. tableau 4.4).

En zones ou btiments de bureaux et de sports, lunitest lapersonne.

Les donnes du tableau 4.5 sappuient sur les sourcessuivantes :

Hbergement dhtellerie (toilette)

La formule qecs = (12,5.Ne + 25)k.c provient dunelinarisation effectue partir des donnes tires de(rf.[4.2], [4.3], [4.4], [4.5], [4.6], [4.7], [4.8]).

Restauration dhtellerie

Les donnes pour la cuisine traditionnelle, notamment, lacorrlation statistique exprimant qecs en fonction dunombre quotidien de repas, ont t dduites partir de(rf.[4.2]).Les donnes concernant la restauration rapide (self) pro-viennent de (rf.[4.3]).


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Blanchisserie dhtellerie

Cette rfrence prcise la quantit de linge utilise (0,45 0,48 kg/repas, 2,7 4,5 kg/chambre loue). Les valeursretenues pour tablir qecs sont respectivement 0,5 et 4kg, valeurs hautes dans les fourchettes pour tenir compteque ces donnes concernent des htels 1* et 2*. Elles

concordent assez bien avec des valeurs cites dans ledocument (rf.[4.11]).

Hbergement en btiments de soins

Diffrentes sources indiquent des valeurs de qecs apriori assez divergentes (de 40 150 litres/lit.jour). Deshypothses trs diffrentes expliquent en partie cettedispersion : temprature de leau (37 55C), prise encompte ou non des besoins pour la restauration, tauxdoccupation non spcifis.Les valeurs choisies, 60 litres 60C/lit.jouren hpitauxpublics et privs et 40 litres 60C/lit.jour en hospicesproviennent de (rf.[4.12]).Ces valeurs, en terme de consommation dnergie, sontquivalentes respectivement 100 et 67 litres 40C/lit.jour, 40C tant la temprature usuelle deauchaude dans les chambres.

Restauration en btiments de soins

La rfrence [4.12] indique des quantits deau qecs de 12 litres 60C/repas.Pour faciliter le cumul des diffrentes quantits deau, on

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