Audit Performance énergétique et / ou confort du Campus aux maternelles Françoise THELLIER 1*, Jean-Pierre BEDRUNE 1, Xavier ASTOUL 2 1 Laboratoire PHASE (Physique de l Homme Appliquée à Son Environnement), Tél : 05.61.55.64.79 2 Service Technique Immobilier Sciences, Tél : 05.61.55.66.00 Université Paul Sabatier 118, route de Narbonne 31062 TOULOUSE cedex 9 - FRANCE * ( thellier@cict.fr) Résumé - Depuis 2001 chaque année des projets sont réalisés par les étudiants du Master 2 professionnel «Génie de l habitat» de l Université Paul Sabatier encadrés par des membres du laboratoire PHASE et de l équipe pédagogique de la formation : thermiciens, acousticiens, éclairagistes, ergonomes,.le thème général de ces projets est, d une part un audit des consommations d énergie, d eau ou d électricité, et d autre part la prise en compte des usagers du bâtiment. Les bâtiments étudiés ces dernières années vont de l école maternelle à l université en passant par le primaire et le collège. Mots-clés : Economie d énergie, confort des habitants, Pédagogie 1. INTRODUCTION Le parcours «Génie de l'habitat» de l Université Paul Sabatier a pour objectif de former des cadres spécialistes de l aménagement et des techniques à mettre en place dans tout espace appelé à être un lieu de vie ou de travail permanent ou occasionnel : habitat, locaux industriels, véhicules, etc. L'accent est mis sur la prise en charge globale, dès la conception, des enveloppes (inertie, isolation, protections solaires), des équipements (chauffage ventilation et climatisation, éclairage et acoustique, etc.) et sur l'optimisation des performances énergétiques sans oublier la notion de confort de l'occupant. Au niveau du Master 2 Pro, troisième et dernière année du parcours, cette formation met l accent sur sa finalité professionnelle. Des projets menés par groupe d une dizaine d étudiants et encadrés par des membres du laboratoire PHASE et de l équipe pédagogique de la formation (thermiciens, acousticiens, éclairagistes, ergonomes, ) visent à développer à la fois l'initiative personnelle et le travail en équipe. Depuis 2001, le thème général de ces projets est, d une part un audit des consommations d énergie, d eau ou d électricité, et d autre part la prise en compte des usagers du bâtiment. C est dans ce contexte que nous avons pu définir et perfectionner une démarche d audit de performance énergétique et de confort. Les projets menés les années précédentes ont conduit à s intéresser aux bâtiments et aux occupants de l université, d un collège, d une piscine et de deux écoles primaires et maternelles. 2. INITIATION DE LA DEMARCHE Le principe de l audit de bâtiments publics étant déjà instauré depuis quelques années comme sujet de projet, le programme MDE Campus auquel nous avons participé en 2003 a permis de formaliser une méthode pour mener à bien ces audits avec les étudiants. Cette méthode, bien que propre à la filière «Génie de l'habitat» par le fait qu elle mène en parallèle l analyse des performances énergétiques et celle du confort des occupants, est en cohérence totale avec la démarche Ecocampus que nous allons présenter. 1
2.1 Ecocampus L objectif de la démarche Ecocampus est d introduire le développement durable dans les pratiques quotidiennes de la communauté universitaire ; et notamment de contribuer à la prise en compte des aspects environnementaux dans les activités d'enseignement et de recherche, les investissements et la gestion des établissements. La cellule Ecocampus, basée à Bordeaux, a mis en place le programme MDE Campus en partenariat avec EDF, L Ademe et les universités pilotes dans le but de développer la maîtrise de l énergie et la préservation de l environnement sur les sites universitaires. Le plan d action proposé fut le suivant : Réaliser des opérations exemplaires mettant en œuvre des techniques performantes. Définir une base de données regroupant les informations environnementales des sites. Développer des échanges d informations et communiquer sur les résultats des expériences menées. La démarche ECOCAMPUS est basée selon trois principes: la cohérence entre le discours académique sur le développement durable et la gestion quotidienne ; une gestion saine et une utilisation rationnelle des moyens mis à la disposition des établissements ; une parfaite exemplarité vis-à-vis des étudiants, les futurs cadres des décennies à venir. Elle a pour but de mettre en évidence différents critères qui sont : une priorité : les flux quantifiables (énergies, eau, déchets) ; les économies financières : un objectif et un moyen ; l'implication des étudiants dans le cadre de leur cursus ; le développement de thématiques nouvelles, support d'une activité de recherche ; l'association d'équipes de recherche à des projets transdisciplinaires. 3. DECLINAISON DE LA DEMARCHE 3.1 Visite du site La visite du site constitue la première prise de contact avec le bâtiment à analyser ; elle permet aux étudiants d appréhender l ensemble des points qu ils devront traiter dans leur étude. Ils constatent les dysfonctionnements les plus visibles et se sentent alors impliqués dans leur «mission». Cette visite se fait généralement en présence des personnes chargées du suivi technique et de la maintenance des bâtiments. C est l occasion à leur contact de prendre conscience que le bâtiment à évolué depuis sa construction. Certaines opérations de maintenance ont parfois généré de nouveaux problèmes, par manque de moyen ou de compétence : ici, la ventilation a été condamnée parce que trop bruyante, là, les serres solaires, qui préchauffaient l air hygiénique, ont été démontées car les vitrages donnant sur la cours jugés dangereux pour les enfants en cas de bris de glace, La prise de connaissance détaillée de tous les éléments techniques d un bâtiment nécessite plusieurs visites successives. La collecte de plans, de descriptifs, de relevés de consommations permet de rassembler les informations qui permettront, après une campagne de mesures, de réaliser l état des lieux. 3.2 Planification des tâches La gestion de projet se révèle particulièrement nécessaire pour faire travailler ensemble une dizaine d étudiants durant quatre mois. L usage d un outil informatisé de planification des taches, qui s intègre dans le cadre d un enseignement, permet de mettre en place une stratégie de management des délais, notamment en suivant les activités en cours, et en rendant compte de l état d avancement du projet. D un point de vue pédagogique, la conduite par les étudiants d un travail en groupe sur une longue période, s avère très enrichissante sur le plan organisationnel comme relationnel. 2
3.3 Enquête auprès des occupants à l aide de questionnaires Cette phase est réalisée en parallèle avec un enseignement d ergonomie ; elle constitue le cœur de l audit de confort des usagers. La difficulté réside dans le recueil d'informations auprès de catégories d usagers hétérogènes (élèves, enseignants, voire parents) n ayant pas le même ressenti du bâtiment, ni le même rapport avec celui-ci. Les audits réalisés sur les écoles maternelles et primaires ont conduit à confectionner deux questionnaires totalement différents : un pour les adultes et un pour les enfants. L entretien semi directif est généralement utilisé. Il permet de centrer le discours des personnes interrogées sur les différents thèmes (confort thermique, acoustique, visuel, olfactif et spatial) et apporte une précision plus grande dans les informations recueillies, grâce aux possibilités de relance et d interaction entre interviewés et interviewer. L exploitation de ces entretiens conduit à une analyse statistique du ressenti des usagers pour chaque thème évoqué, dans les différents locaux qu ils fréquentent. Exemple : 45% des usagers ont plutôt froid à proximité des fenêtres dans telle classe, ou 70% trouvent la salle à manger trop bruyante. Ces informations sont corrélées par la suite avec les résultats des mesures physiques et des simulations informatiques. Les dysfonctionnements constatés alimenteront in fine des préconisations d amélioration. En préalables à ces entretiens, les étudiants élaborent une présentation des objectifs et de la démarche de l étude qu ils mènent. Lorsque cette présentation est faite aux élèves, c est l occasion de la situer dans un contexte plus global en présentant les enjeux du développement durable au niveau de l école. Lors de l audit mené sur le Collège Emile Zola à Toulouse, qui a fait l objet d une labellisation «Eco Ecole», les étudiants ont même participé à une action pédagogique sur ce thème. 3.4 Campagne de mesure des variables physiques La campagne de mesures sur site est l occasion pour les étudiants de manipuler l ensemble du matériel mis à leur disposition par la formation. Elle doit, pour être efficace, être soigneusement préparée à l avance, et fait l objet d une répartition des tâches et d un minutage très précis. Durant les semaines qui précèdent, les étudiants se familiarisent avec le matériel afin de le maîtriser le jour de la campagne et d affecter un temps et un lieu précis à chaque relevé de mesure. La campagne comporte une phase d acquisition sur une semaine complète de mesures de : température intérieure et extérieure, température de rayonnement (globe noir), hygrométrie, et éclairement. L acquisition est réalisée au moyen de petits capteurs programmables, disposés dans les locaux de façon stratégique pour obtenir des résultats les plus fiables possibles sans perturber le fonctionnement des occupants. A la fin de la semaine d acquisition, toute l équipe se rend sur le site pour une journée de mesures plus précises au moyen de matériel spécialisé. Ces mesures concernent tous les thèmes de l audit : Ambiance et confort thermique : un «kit confort» permet de relever les grandeurs suivantes : température de l air, température moyenne de rayonnement, asymétrie des températures de rayonnement, pression partielle de vapeur d eau, et vitesse de l air. Ces grandeurs permettent notamment de calculer les indices de confort PMV (Vote Moyen Prévisible) et PPD (Pourcentage Prédictif d Insatisfaits). Enveloppe du bâtiment : une caméra infrarouge qui fournit des prises de vue de l intérieur ou de l extérieur du bâtiment met en évidence, par différence de couleur, les parties de l enveloppe les plus déperditives en énergie du fait d un défaut d isolation ou d infiltration d air. Cet appareil permet aux étudiants de voir les «parties cachées», et de constater les écarts importants entre une façade supposée homogène dans les calculs théoriques, et la réalité sur le terrain. Les 2 photos suivantes représentent une salle de classe en image normale et en image infrarouge figure 1. D après l échelle de température (à droite), la zone en bleu foncé, plus froide, montre un défaut d étanchéité à l air au niveau du coffre de volet roulant. 3
Figure 1 : localisation des déperditions d énergie à la caméra infrarouge éclairage naturel et artificiel : à l aide d un luxmètre on mesure d une part l éclairement moyen dans le local selon une cartographie définie à l avance, et d autre part l éclairage artificiel (volets fermés) sur les plans de travail pour vérifier le respect des normes. La luminance sur les plans de travail est aussi mesurée pour appréhender les gênes potentielles. Par ailleurs, un relevé précis de tous les appareils installés permet d évaluer les consommations d électricité du bâtiment, et de quantifier le dégagement de chaleur qu ils procurent dans l ambiance. acoustique : à l aide d une source de bruit normalisée et de sonomètres, on mesure l isolement entre locaux, le temps de réverbération et le niveau sonore des équipements techniques tels que le renouvellement d air, l éclairage. Nous avons noté dans les établissements scolaires qu un temps de réverbération important (résonnance) est souvent mesuré dans les halls et les salles à manger. Or, par habitude à cette gêne, les occupants ne relèvent que rarement ce point lors des questionnaires. Il s agit pourtant d un phénomène ayant des effets non négligeables sur le comportement des occupants, pour lequel des solutions d amélioration sont proposées. 3.5 Bilan des consommations de fluides A partir des relevées et factures d eau, d électricité, et de combustibles fournis par l exploitant du bâtiment, il est procédé à une analyse détaillée permettant d évaluer la part relative de chaque partie du bâtiment et des différents postes de consommation (chauffage, eau chaude sanitaire, éclairage, équipements informatique, ). Pour ce faire, le relevé détaillé des équipements est utilisé, ainsi que les scénarios de fonctionnement (planning d usage). L estimation des consommations afférentes à chaque poste de consommation est réalisée en multipliant la puissance installée par une durée de fonctionnement pondérée par des coefficients d usage, et de foisonnement. Cette méthode a été mise au point lors de l audit d un bâtiment de recherche de l Université Paul Sabatier ; elle permet de réaliser une cartographie précise des postes de consommation par bâtiment. Ainsi, selon le poids relatif de chacun, les répercussions de mesures d économie d énergie peuvent être évalues précisément en terme de temps de retour sur investissement. Le graphique ci après présente la répartition des consommations d électricité pour un bâtiment de recherche figure 2. 4
Répartition des consommations totales IRSAMC Eclairage 12% Informatique 21% Autres 56% Eclairage Informatique Ch. / Clim. / V. Autres Figure 2 : répartition des consommations d électricité pour un bâtiment de recherche Ch. / Clim. / V. 3.7 Modélisation thermique dynamique des bâtiments Cette étape fait suite à l état des lieux détaillé qui est réalisé à l issue des étapes précédentes. Elle est réalisée au moyen d outils informatiques de simulation thermique dynamique tels que TrnSys ou Pleïade ; elle conduit à simuler les températures et les consommations de chauffage obtenues au fil du temps dans les différentes pièces du bâtiment. Une phase de saisie, assez conséquente, est nécessaire pour prendre en compte l architecture complète du bâtiment, les caractéristiques des matériaux et des équipements qui le composent, les plannings d occupation, et les températures de consigne de chauffage, voire de climatisation. Une première simulation consiste à modéliser le bâtiment en l état, le plus fidèlement possible. Les résultats de la campagne de mesurent s avèrent alors d un intérêt tout particulier lorsqu ils sont confrontés aux premiers résultats de la simulation. Ils permettent, comme les résultats de l analyse des consommations de chauffage, d effectuer un calage du modèle. En effet, un certain nombre de corrections successives est souvent nécessaire pour obtenir à la fois des consommations de chauffage mensuelles et des profils de température intérieure proches de la réalité. Bien que fastidieuse, cette phase est très riche d enseignements sur le comportement du bâtiment et de ses occupants. Elle permet en outre de déceler des dysfonctionnements qui n auraient pas été constatés lors des questionnaires ou de la campagne de mesures. Le modèle ainsi réalisé, uns fois jugé suffisamment proche de la réalité, permettra de simuler l impact des différentes solutions proposées en matière d économie d énergie et/ou de confort thermique. 11% 3.8 Analyse et propositions d amélioration Enveloppe du bâtiment, confort thermique, chauffage, ventilation et confort olfactif, éclairage, électricité, acoustique, accessibilité aux personnes à mobilité réduite : tels sont les différents points qui font l objet d une analyse détaillée après confrontation des résultats obtenus (relevés, mesures, calculs et simulation). L ensemble des problèmes et des dysfonctionnements sont répertoriés, y compris les nécessités de mise aux normes de certains équipements. Les propositions d améliorations envisagées se répartissent en trois catégories : Amélioration des comportements qui ne nécessitent pas (ou très peu) d investissements : on peut citer quelques mesures déjà préconisées comme l extinction de tous les ordinateurs le soir au moyen de prises à interrupteur, la modification de la programmation des températures 5
de ralenti de chauffage, ou la mise ne place d une campagne de sensibilisation auprès des usagers sur les économies d eau et d énergie. Ces mesures constituent le premier bénéfice direct de l audit car elles peuvent être prises immédiatement lorsqu elles traduisent une prise de conscience que la démarche d audit a pu susciter auprès des usagers. Améliorations nécessaires ne conduisant pas à des économies d énergie : Elles concernent la sécurité, l accessibilité, le confort acoustique ou visuel, la mise aux normes des installations, le rétablissement de débits de renouvellement d air hygiénique conforme à la réglementation en vigueur, Ces mesures sont répertoriées par catégorie et apportent des solutions à l ensemble des dysfonctionnements relevés aux différentes étapes de l audit. Améliorations conduisant à des économies d énergie : Il s agit là de l ensemble des mesures qui sont proposées pour réduire la facture énergétique tout en améliorant les conditions de vie des usagers. Le modèle élaboré à la phase précédente permet d évaluer l impact de chaque amélioration en termes de confort (températures d été réduites) et/ou d économies d énergies. Ces économies sont alors comparés aux couts de travaux afin d estimer un temps de retour sur investissement en fonction du chiffrage des travaux à réaliser. Le maître d ouvrage dispose ainsi d un tableau de bord capable de l aider à planifier les travaux à réaliser, en fonction de l urgence, de la nécessité, ou des possibilités d économie d énergie ou d eau. La figure 3 présente les variations de consommations de chauffage pour les différentes améliorations proposées à l issue du diagnostic d un groupe scolaire primaire et maternelle. Figure 3 : Estimation des consommations de chauffage associées à chaque amélioration proposée 6
3. CONCLUSION La démarche mise au point au fil des ans pour mener ces audits énergétique et confort à atteint un stade de maturité. Elle a servi à mener ces audits sur des bâtiments variés, de l école maternelle à l université en passant par le primaire et le collège, mais aussi sur une piscine municipale. Au-delà d un simple diagnostic technique, elle permet de prendre en compte le ressenti des différents usagers du bâtiment, et de traduire l ensemble de leurs préoccupations dans un document finalisé. C est aussi l occasion pour les occupants de s interroger sur leurs comportements et leurs pratiques, et de bénéficier d une information dédiée sur le développement durable appliqué à leur bâtiment. La réalisation des améliorations proposée prendra souvent du temps, mais on peut se féliciter que les Services Techniques de l Université Paul Sabatier aient déjà intégré dans les programmes de travaux les préconisations issues de ces audits en matière de choix de matériel électrique économe en énergie. En dehors de ces audits, la formation intervient ponctuellement sur d autre projet : par exemple une promo de master 1 a travaillé durant un semestre en assistance à maitrise d ouvrage, pour rédiger le cahier de charges sur la qualité environnementale pour la construction d une crèche qui ouvrira bientôt au sein de l université. D un point de vue pédagogique, ces projets permettent de synthétiser l ensemble des enseignements dispensés durant les trois de la formation Génie de l Habitat. Ils offrent aux étudiants la possibilité de se sentir utiles en travaillant sur un bâtiment réel en situation de fonctionnement. La nécessité de gérer la cohésion du groupe et la communication avec le personnel de l école, les élèves et les intervenants extérieurs apporte une dimension humaine indispensable pour leurs débuts dans la vie professionnelle. Par ailleurs, tout au long de la formation l accent est mis sur «la performance énergétique et le confort» donc dans une démarche de Développement Durable avec une attention particulière sur les économies d énergie mais en ne négligeant jamais l Habitant pour lequel l Habitat est bâtit. 7