Garantie de performance énergétique De l audit au Commissionnement : Quelles spécificités pour les projets de GPE?

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1 De l audit au Commissionnement : Quelles spécificités pour les projets de GPE? Myriam HUMBERT CETE de l Ouest 1

2 La méthode d audit Objectif : construire un modèle thermique du bâtiment comme aide à la décision pour le choix des travaux Bâti et systèmes Recueil Occupation Site et climat Saisie Enjeu de la GPE : Fiabilisation de la prévision de consommation d énergie après travaux Modèle Chauffage ECS Éclairage Auxiliaires Comparaison Recalage Consommations recueillies

3 Enjeu de la caractérisation de l état initial ü Difficulté de connaître les matériaux mis en œuvre : DOE, s il existent, pas toujours exacts ü Impossibilité de quantifier la qualité de la mise en œuvre initiale et de sa dégradation ü le temps imparti pour le recueil des données élimine ou simplifie tout relevé fastidieux : relevé des métrés, relevé de la puissance d éclairage installée, enquête d occupation, ü Complexité de certaines mesures : débits de ventilation naturelle ü Difficulté de réaliser des mesures sur le long terme : données météo, débits de ventilation hygroréglable, ü Simplifications pratiquées : température de consigne à 19 C par défaut ou assimilée à la température mesurée, prise en compte d un rendement moyen pour le système de chauffage, pas de mesure d étanchéité à l air,

4 Enjeu de la caractérisation de l état initial Exemple : École primaire (22) de 1966, extension de 1982, chauffée à électricité avec une consommation de chauffage annuelle calculée de kwh (projet CEBO) Erreur sur le calcul de consommation de chauffage due à l'incertitude sur les données d'entrée : de 0,1 à 20% selon le mode de recueil de la donnée (relevé visuel, mesure, etc.) A comparer à l écart observé entre deux modèles Th-CE exo et Pléaides-comfie sur la consommation de chauffage : 5%

5 Enjeu de la caractérisation de l état initial ü Impact du re-calage sur la consommation après travaux : École primaire Logement collectif Audit de base Audit instrumenté Audit de base Audit instrumenté Gain énergétique prévisionnel après travaux (*) 66% 9% 28% 4% (*) Résultats des calculs d'économies d'énergie (Th-CE-exo) après réhabilitation pour une école primaire et un logement collectif - programme CEBO

6 Enjeux de la caractérisation de l état initial Les incertitudes pesant sur les caractéristiques initiales du bâtiment ont donc un impact défavorable : Bâti et systèmes Recueil Occupation Site et climat Saisie Modèle Chauffage ECS Éclairage Auxiliaires sur les caractéristiques inchangées avant/ après travaux sur le calage du modèle thermique et la prévision après travaux Comparaison Consommations recueillies Incertitude importante sur la consommation garantie

7 La méthode d audit : spécificités pour les projets GPE Objectif : construire un modèle thermique du bâtiment comme aide à la décision pour le choix des travaux Bâti et systèmes Recueil Occupation Site et climat Saisie Modèle Chauffage ECS Éclairage Auxiliaires Comparaison Consommations recueillies Recalage Prise en compte du niveau d incertitude des caractéristiques initiales et après travaux sur la consommation prévisionnelle

8 La méthode d audit : spécificités pour les projets GPE Approche exploratoire développée actuellement sur les études de cas: Caractérisation de l état initial: analyse de sensibilité pour repérer les caractéristiques les plus influentes à recueillir de manière détaillée (instrumentation) Conception : propagation d'incertitude pour déterminer l'erreur faite sur le calcul prévisionnel de la consommation d'énergie après travaux Réception : Protocole adapté sur les caractéristiques les plus influentes et le cas échéant, re-calcul 8

9 Méthode de caractérisation de l état initial proposée (1/4) Approche exploratoire développée actuellement : Identification des sources d'incertitude et de leur profil pour la caractérisation de l'état initial Analyse de sensibilité sur la consommation pour déterminer les caractéristiques, dont l'incertitude a le plus d'impact sur la consommation Si influentes : relevé détaillé (instrumentation) Proposition de méthode de recalage 9

10 Méthode de caractérisation de l état Dans le rendu d audit initial proposée (2/4) Pour chaque caractéristique initiale utilisée : sources (DOE, relevé visuel, mesure) justifiant la valeur retenue et sa marge d erreur (par défaut marge d erreur norme) Identifier les observations (dysfonctionnement, régulation, comportement, etc. ) non modélisables dans le modèle utilisé Analyse de sensibilité sur les caractéristiques initiales modélisables et leur marge d erreur Critère ou méthode de calibration utilisée Documentation à fournir : fichiers données entrée du calcul et fichier météo 10

11 Méthode de caractérisation de l état initial proposée (3/4) Dans le choix de l équipe d audit Référence et tests de validation du modèle de calcul thermique utilisé Référence de la formation de l opérateur 11

12 Méthode de caractérisation de l état A terme dans l idéal initial proposée (4/4) identification des caractéristiques influentes à recueillir selon le type de bâtiments (usages/systèmes) et/ou automatisation des analyses de sensibilité dans les outils de calculs 12

13 Conception de l opération et définition de l objectif de performance Bruno PEUPORTIER, Josselin BARBAUD et Eric VORGER ARMINES Centre Efficacité Energétique des Systèmes 1

14 Objectifs Identifier les voies de progrès et les travaux à réaliser Evaluer le niveau de performance atteignable Définir l objectif de performance intégrant des sources d incertitude 2

15 Programme de travail Recensement des améliorations : Thermique et éclairage, enveloppe et équipements Evaluation des performances avant et après travaux Liste des paramètres incertains Identification des paramètres les plus influents Propagation d incertitudes Expression de la performance garantie 3

16 Etude de cas Logements, modélisation du bâtiment Immeuble de 16 logements à Feyzin (69), bâtiment E Zones thermiques (RdC, étages courants, dernier niveau / orientations) Géométrie, caractéristiques techniques 4

17 Environnement et climat Climat : données zone H1c de la RT, Mâcon Masques peu importants pour le bâtiment étudié (celui au sud de la parcelle) 5

18 Logements, scénarios d occupation 43 occupants 25% des habitants présents en semaine de 7h à 18h (50% entre 12h et 14h), 100% la nuit et le weekend, apports de la sociologie Température de chauffage : moyenne 20.2 C Consommations annuelles d électricité hors chauffage : 2337 à 3698 kwh par logement, moyenne 3050 kwh (x 3/4) -> 3.55W/m² Ventilation 0,67 vol/h, infiltrations 0,55 vol/h 6 (durée débit max, fenêtres)

19 Températures dans les logements Entre 15,6 et 23,4 C, moyenne 20,2 C sur les deux mois les plus froids 7

20 Intervalles d incertitude, STD Paramètres Désignations Niveau Bas (-1) Niveau 0 (avant travaux) Niveau Haut (+1) Unité Taux de renouvellement d air Ren Vol.h -1 Ponts thermiques (total) Pth W.K -1 ±20% Epaisseur du Polystyrène expansé Façades e PSE façade cm Epaisseur Polyuréthane (Toiture) e polyuréthane Cm Coefficients de déperdition globale des fenêtres/porte fenêtres U w fenêtres 1, W.m -2.K -1 Facteur solaire fenêtres Fs fenêtres 0, ,6 Facteur solaire porte fenêtre Fs fenêtres 0, ,4 Puissance dissipée P dissp W.m -2 Température de consigne Tint C Pourcentage d isolant en plancher bas X plancher bas 0 Inconnu 100 % 8

21 Premiers résultats de simulation Correction liée au climat : année type Mâcon utilisé pour la simulation (2307 DJ), 2440 pour l année de mesure à Lyon -> augmentation constante de la température Différence de 7% entre calculs et mesures Principales incertitudes : débit d air, surface de plancher isolée, autres paramètres? 9

22 Premiers résultats de simulation Différence entre calculs et mesures (107 kwh/m 2 ) 7% 32% 10

23 Besoins de chauffage (kwh/ m2) Puissance dissipée Premiers résultats de simulation Variation paramétrique Débit Fs fenêtres Uw fenêtres et porte fenêtre Epaisseur PSE façade ext Epaisseur Polyuréthane (Toiture) Niveau bas Niveau haut SimulaNon de base Mesures Ecart Besoins de chauffage (kwh/m2) Puissance dissipée Débit Fs fenêtres Uw fenêtres et porte fenêtre 9 9 Epaisseur PSE façade ext Epaisseur Polyuréthane (Toiture) Paramètres 11

24 Mesures d amélioration étudiées isolation des façades par l'extérieur, 10 cm laine de verre semi-rigide, R = 2.85 m 2.K/W épaisseur de polyuréthane en toiture : 5 -> 10 cm remplacement de l'isolant sous le plancher bas R=2.28 m 2.K/W, épaisseur 8 cm réduction des ponts thermiques remplacement du chauffage électrique par une chaudière gaz condensation à brûleur modulant, 80 kw (bâtiments C- D-E), rendement nominal 96.8% sur PCI, Taux de charge (alimente 3 bâtiments supposés à consommation identique) VMC hygro B, nouveau débit 0,28 vol/h au lieu de 0,67 réduction des infiltrations : entre 0,1 et 0,3 vol/h < 0,55 12

25 Paramètres incertains après travaux Données sur le site et le climat : albédo, rayonnement solaire, température eau froide Géométrie (dimensions) Matériaux de construction (conductivité et épaisseur des isolants, inertie, propriétés optiques), Ponts thermiques Menuiseries (U, facteurs solaires, occultations) Débits de ventilation et infiltrations Rendement de la chaudière, régulation, distribution Occupation (nb personnes, consommation électricité et ecs) Modélisation (zones, échanges convectifs, pas de temps) 13

26 Plage maximale de variation des besoins de chauffage Besoins mini : albédo et rayonnement solaire maxi, température eau froide maxi Géométrie (dimensions mini) Conductivité mini et épaisseur maxi des isolants, inertie maxi, Ponts thermiques mini Menuiseries (U min, facteurs solaires max, occultations min) Débits de ventilation et infiltrations mini Rendement de la chaudière, régulation, distribution maxi Occupation (nb personnes, consommation ecs mini) Modélisation (zones, échanges convectifs, pas de temps) 14

27 Résultats, intervalle de performance Besoins mini : 30 kwh/m 2 Besoins maxi : 150 kwh/m 2 Ecart type σ? 95% de probabilité entre +/- 2 σ moyenne = 60 kwh, σ = 10 kwh Garantie : 80 kwh moyenne = 90 kwh, σ = 10 kwh Garantie : 110 kwh moyenne = 90 kwh, σ = 20 kwh Garantie : 130 kwh kwh /m 2 15

28 Approche mise en oeuvre Distribution de probabilité sur chaque paramètre Propagation d incertitudes, ex. méthode de Monte Carlo, mais pb de temps de calcul Paramètres incertains trop nombreux Identifier les paramètres les plus influents Méthode de plans d expérience ou criblage de Morris Propagation d incertitudes sur un nb réduit de paramètres -> intervalle de performance 16

29 Criblage de Morris Variation de chaque paramètre autour de jeux de paramètres i tirés au sort -> effet élémentaire de chaque paramètre j E i j Moyenne et écart type pour chaque paramètre j : µ j et σ j µ j : degré d influence du paramètre j, σ j : interactions avec les autres paramètres Permet de sélectionner un nombre réduit de paramètres influents (µ j et σ j les plus élevés) 17

30 Implémentation logicielle 18

31 Minimiser la durée des calculs Plusieurs milliers de simulations sont nécessaires Chaînage le plus direct possible entre logiciel de statistique et simulation thermique -> choix de R plutôt qu OpenTurns (pas de «wrapper») Réduction modale, mais vérifier la précision, plusieurs études de validation en interne et en externe 19

32 Comparaison dans le cas de maisons passives Plate forme INCAS, INES (Chambéry) maisons passives Comparaison sur les besoins de chauffage et les puissances maximales, A. Brun et al. 20

33 Température opéranve en été (rez- de- chaussée) 32,0 Température jours chauds heures ,0 28,0 Température ( C) 26,0 24,0 22,0 Th- BCE 2012 Comfie TRNSYS2011 Simbad Design Builder Max 20, Heure (h) Comfie et EnergyPlus (Design Builder) sont très proches 21

34 Plan de travail Affiner les incertitudes sur les paramètres d entrée du modèle thermique Analyse de sensibilité, influence des paramètres d entrée sur la sortie du modèle Criblage par méthode de Morris Propagation d incertitude sur ~10 paramètres Expression de la performance garantie, ex. 60 kwh +/- 20 kwh à 95% de probabilité 22

35 Merci de votre attention

36 Méthodes de commissionnement adaptées à la GPE En collaboration avec: Julien Caillet Mohamed Elmtiri, Raphael Salvazet Myriam Humbert, Didier Meaux Valentine Audren Daurens, Frédéric Gal Jean Dominique Lenard "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

37 Objec)fs du commissionnement De rapprocher le propriétaire, les concepteurs, les constructeurs et les exploitants par : La clarification des attentes du propriétaire afin de faciliter le travail des concepteurs La bonne transmission de l information entre concepteurs et constructeurs La mise en place d un plan de commissionnement La bonne réception des installations grâce notamment aux tests de performances Des rapports réguliers sur les opérations de maintenance Contrôle qualité de la GPE dans la durée "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

38 Plan de la présenta)on 1. Plan de commissionnent: définition et méthode de développement 2. Contenu technique type du plan de commissionnement 3. Jeux de responsabilités 4. Outils pour le commissionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

39 Plan de commissionnement Définition du contenu d un «plan de commissionnement»: Description de spécifications techniques Planning Répartition des responsabilités Ces éléments permettent principalement: Le passage de relais pour la responsabilité L identification et l initiation d actions correctives La mise en place d une documentation pérenne pour tous les acteurs et usagers "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

40 Développement d un plan de commissionnement (1/2) Sélection du niveau de commissionnement en fonction: Taille du projet Complexité du système Impact énergétique de défauts prévisibles: Ø Points de vigilance, récurrence de défauts / problèmes constatés, illustrée par des retours d expérience Ø Sensibilité des défauts par simulation Exemples de défauts constatés par les membres de la tâche Conception fréquence Ecart observé EXE travaux réception exploitation /calcul ++ Mauvaise prise en compte de la classe de variation spatiale des émetteurs X Impact sur la consommation +++ Absence ou problème de réglage sur la chaudière : température de départ d eau chaude, réglage de la courbe de chauffe X ge Absence de programmation de l intermittence ou des modes réduits, éco, etc. Absence ou mauvaise gestion des cascades chaudière Mauvais équilibrage hydraulique (conséquence : locaux défavorisés thermiquement) La précision de la régulation (CA) a un impact important, X X X "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre 2013 X X X X X 5

41 Développement d un plan de commissionnement (1/2) Mais il ne faut pas oublier le coût. "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

42 Synthèse développement d un plan de commissionnement 3 aspects à intégrer: Ø Par lot technique (quoi?) Ø En fonction de la phase du projet (quand?) Ø Par type d information (comment et par qui?) Les spécifications techniques du plan doivent intégrer ces 3 dimensions "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

43 Plan de la présenta)on 1. Plan de commissionnent: définition et méthode de développement 2. Contenu technique type du plan de commissionnement 3. Jeux de responsabilités 4. Outils pour le commissionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

44 Spécifications techniques du plan: classification par lot technique Des vérifica)ons «mono mé)er» : CVC Enveloppe Eclairage GTB Des vérifica)ons pour les interfaces mé)ers : Interface / liaison entre isola)on, gros œuvre, vitrages Interface / liaison entre équipements CVC, gros œuvre, isola)on. Interface / liaison entre le lot électricité et l isola)on Interface / liaison entre le lot plomberie et l isola)on "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

45 Jalon clefs et planning Vérification de l existence de l objectif performanciel Vérification de la définition de la situation de référence et cohérence vis-à-vis de l objectif "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

46 Jalon clefs et planning 1. Intégration des données conception dans un outil de simulation à Identification des contrôles à mener en priorité 2. Vérification des «prises de décision»: Objectif pouvant être atteint, Identification des interactions entre lots techniques, Identification des moyens de mesures à utiliser pour la phase de mise au point et de la mise en service, La capacité des moyens à faciliter l identification de défauts et le suivi de la performance contractuelle, Les risques de M&V, Examen des compétences techniques de la future équipe d exploitation sont définies "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

47 Jalon clefs et planning Des contrôles peuvent être décidés et porter sur : Un équipement particulier mis par le constructeur au banc d essai La construction de maquettes pour tester la fonctionnalité de différents éléments. Des essais de menuiseries, équipements de production ou GTB, en laboratoire Contrôle de la rédaction progressive et MAJ des documents: DOE Ouvrages Exécutés DUEM Utilisation et Exploitation Maintenance DIUO Intervention Ultérieure à l Ouvrage "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

48 Jalon clefs et planning Exemple en conception Utilisation modèle en phase APS à Impact des infos techniques chaudière Consommation gaz MWh PCS Phase APS: valeurs par défaut basse Phase APS: valeurs par défaut haute Phase EXE: données certifiées ATITA 0 Année Impact «Faible», exemple: contrôle spécifique non prioritaire Impact«Important», exemples de contrôles pouvant être prévus: à Vérifier spécifications dans le CCTP: efficacité minimale ou un modèle à Vérifier que la chaudière sélectionnée est plus performante à Contrôler l atteinte de l objectif en EXE avec les données techniques de la chaudière sélectionnée en phase APD à "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

49 Jalon clefs et planning Travaux et mise au point (actions «classiques» du commissionnement) à Etat des fournitures, concordance,.. à Test d aptitude (défaillance, mauvais réglage) à Mise au point statique (étanchéité des réseaux) à Mise au point dynamique (essais pour vérifier débits, fonctionnement GTB, compteurs énergie ) Création de PV et vérification de l atteinte de l objectif de performance en fonction des informations provenant des résultats des vérifications "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

50 Jalon clefs et planning Spécificités de la GPE, suivi de la garantie à La collecte et la vérification des données d ajustement contractuelles à Contrôler si des changements sont survenus, en particulier les facteurs statiques du contrat à Contrôler l édition des rapports contractuels à Contrôler la mise à jour de l outil contractuel à Contrôler la maintenance de l instrumentation du plan de M&V "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

51 Plan de la présenta)on 1. Plan de commissionnent: définition et méthode de développement 2. Contenu technique type du plan de commissionnement 3. Jeux de responsabilités 4. Outils pour le commissionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

52 Rôle et responsabilités des acteurs Constitution de l équipe de commissionnement: L agent de commissionnement (responsable) Le maître d ouvrage (ou son représentant) Le gestionnaire de l immeuble Des représentants des équipes de conception, réalisation, installation, exploitation & maintenance ou le pilote de la performance énergétique Un représentant des futurs occupants (si possible) Les missions de commissionnement peuvent être réparties entre les différents acteurs: Côté MOA Côté MOE "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

53 Position de l agent de commissionnement MOA PPE Chemin 1 Tâche 1.1 Agent de commisionnement MOA PPE Chemin 4 Tâche 1.1 Agent de commisionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

54 Plan de la présenta)on 1. Plan de commissionnent: définition et méthode de développement 2. Contenu technique type du plan de commissionnement 3. Jeux de responsabilités 4. Outils pour le commissionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

55 Outils pour le commissionnement Les types d outils identifiés: Checklist à liste de points de vérification Matrice contrôle qualité à contrôle «managérial» du projet de commissionnement Fiches d autocontrôle à à spécifier dès la conception et à utiliser pendant les travaux Fiches inter-métiers à à spécifier dès la conception et à utiliser pendant les travaux Tableau de bord à exploitation "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

56 Synthèse Création d un guide incluant : Un cahier des charges pour le développement d un plan de commissionnement Description générique du planning et des jalons clefs associés La description d outils pouvant être utilisés Des exemples concrets d application pour les différents lots techniques (retour d expérience des défauts, principaux paramètres d entrée des outils de simulation, exemples de points de contrôle) "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

57 Merci pour votre ayen)on "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

58 Développement d un plan de commissionnement (1/3) Plan de commissionnement = évolutif dans le temps en fonction de l évolution du projet et des prises de décision Plusieurs niveaux de commissionnement "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

59 Jalon clefs et planning Réception Remise des documents spécifiés: DOE, DIUO, DUEM Résultats d essais PV de contrôle Mise en service Ø Mise en place de la maintenance à Remise du DUEM + formation effectué Ø Mise en service des usages à rédaction de livret de sensibilisation "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

60 Exploitation Suivi d indicateurs pour détection des anomalies: Ø Basique Ø Intermédiaire Ø Avancée Garantie de performance énergétique Jalon clefs et planning Exemple d indicateurs "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

61 Spécifications techniques: Classification en fonction de la phase Phase de concep)on Phase d exécu)on Phase de travaux Travaux Mise au point sta)que Mise au point dynamique Phase de récep)on Phase de mise en service Phase d exploita)on Phase de recommissionnement Garantie de performance énergétique "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

62 Position de l agent de commissionnement Mission d assistance au maître d ouvrage Suit et encadre la performance énergétique à toutes les étapes, de la phase concours à la maintenance Transfert possible d une partie de la responsabilité au MOA en cas de non atteinte de la Performance; le groupement pouvant se dédouaner en affirmant avoir simplement suivi ses recommandations Mission côté maître d œuvre Le groupement porte l ensemble des risques concernant la performance énergétique Mission coupée du MOA si celui-ci n est pas demandeur "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

63 Exemples de responsabilités / jeux d acteurs Maître d ouvrage: communiquer clairement ses exigences (Construction Exploitation - Usage) concernant le projet examiner et commenter les rapports soumis par l agent de commissionnement examiner les recommandations de l agent de commissionnement Maître d œuvre: intégrer les obligations liées au commissionnement dans les spécifications auprès de l ensemble des acteurs approuver et effectuer les essais fonctionnels élaborer et dispenser la formation nécessaire pour le personnel d exploitation.. "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

64 Exemples de responsabilités à affiner / jeux d acteurs Exploitants: examiner la conception par rapport aux enjeux d exploitation assister en tant qu observateur aux tests fonctionnels réaliser l ensemble des opérations de commissionnement post construction qui lui sont attribuées. "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

65 Exemple d outils pour le commissionnement Matrice contrôle qualité "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

66 Exemple d outils pour le commissionnement Tableau de bord "La garan)e de performance énergé)que - mardi 22 octobre

67 Exemples de liste de points de contrôle Application Traitement d'air Système s CTA Composants Batterie antigel Récupérateur d'énergie Batterie chaude Batterie froide Humidificateur Filtre Fonction testée Gestion de la batterie antigel Stratégie de récupération d'énergie (hiver, été, manuelle, automatique, en fonction de la température extérieure) Stratégie de régulation de la température de soufflage Gestion du change-over Stratégie de régulation de la température de soufflage Gestion du change-over Encrassement de l'humidificateur Encrassement du filtre Régulation de la vitesse Ventilateur du ventilateur Gestion de l'appoint "La garan)e de performance énergé)que Appoint - mardi électrique 22 octobre 2013 électrique Fonctionnement des Unité terminale registres 32