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3. Bilan PV et autoconsommation

3.3 Bilan PV, conclusion

Une étude détaillée de la production PV et de sa valorisation a été faite pour 8 bâtiments, dont 6 sont des regroupements d’autoconsommateurs (typologie 1). Cette typologie permet de mieux valoriser l’électricité produite localement par de la consommation propre que dans le cas de figure où la centrale solaire n’alimente que les communs d’immeubles (typologie 2).

Dans le cas de la typologie 1, le taux d’autoconsommation annuel varie entre 43 à 69%, ce qui signifie qu’au minimum près de la moitié de l’énergie produite est consommée sur place. De plus, ces taux d’autoconsommation sont proches d’un benchmark de l’OFEN pour 5 des 6 exemples étudiés. Cette production locale d’électricité permet de couvrir environ le tiers des besoins de ces bâtiments.

Les deux exemples étudiés représentants la typologie 2 ont des taux d’autoconsommation particulièrement faible, de l’ordre de 2%. Ceci vient du fait que les communs d’immeuble alimentés sont ceux des allées du bâtiment ayant la consommation la plus basse. Il aurait été plus judicieux de brancher la centrale solaire sur l’allée qui hébergeait la sous-station du CAD, qui englobe les services gourmands en électricité tels que la ventilation, la PAC sur air vicié et les pompes de circulation pour le chauffage et l’ECS. Une étude plus étendue sur d’autres bâtiments ayant la typologie 2 serait intéressante, afin d’explorer le potentiel d’autoconsommation dans le cas de figure où l’allée hébergeant la SST est branchée à la centrale solaire.

Dans la perspective de futurs quartiers qui viseraient un optimum environnemental et économique global, une mutualisation de la production PV pourrait par exemple être réalisée à plus grande échelle. Une étude prospective de cette alternative, qui simulerait l’écoquartier des Vergers avec les consommations actuelles et des installations photovoltaïques de plus grande taille, serait un complément intéressant à l’analyse présentée ici.

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Conclusions générales

Ce rapport a permis de présenter les résultats obtenus à mi-mandat relatifs aux performances énergétiques des bâtiments du quartier des Vergers. L’analyse a porté à la fois sur l’aspect thermique de la performance, lié à la consommation de chaleur pour le chauffage et l’ECS, et sur l’aspect électrique, associé à la production des panneaux PV en toiture.

Sur le plan thermique, un grand nombre de données ont été récoltées de diverses sources : des mesures des sous-stations du CAD, de relevés manuels des sous-compteurs des chaufferies et des performances théoriques des bâtiments. Les données détaillées des sous-stations ne permettant pas toujours de connaître précisément la part utilisée pour le chauffage ou pour l’ECS, une méthode de séparation a été élaborée. Les résultats obtenus ont également été consolidés à partir des relevés de sous-compteurs qui ont été relevés manuellement.

Une première année de mesures complète a ainsi permis d’effectuer un bilan des besoins de chaleur sur une partie représentative du quartier incluant 23 bâtiments. Cet échantillon comporte plusieurs types de récupération de chaleur permettant de réduire la quantité d’énergie soutirée au CAD : ventilation double-flux, PAC sur air vicié pour l’ECS et/ou le chauffage.

La quantité d’énergie soutirée du CAD par les bâtiments du périmètre est proche de la valeur prévue lors du dimensionnement du système, soit 9 GWh. Les performances thermiques des bâtiments sont très disparates, variant de 32 kWh/m2.an à près de 110 kWh/m2.an. Malgré ces différences, la demande de chaleur des bâtiments des Vergers reste inférieure à la moyenne genevoise (123 kWh/m2.an) et, pour la plupart, inférieure à la moyenne genevoise des bâtiments construits entre 2010 et 2020 (80 kWh/m2.an).

La majorité des bâtiments montrent un écart de performance si on compare la demande de chauffage normée avec la demande réelle. Un lien fort a été mis en évidence entre cet écart et la température de non-chauffage. Les enveloppes thermiques de ces bâtiments étant toutes très performantes, une optimisation de la courbe de chauffe et/ou de l’équilibrage hydraulique pourrait constituer une piste pour faire baisser cet écart.

Malgré les écarts de performance en chauffage, les bâtiments sont relativement peu consommateurs en ECS.

En moyenne, les besoins en ECS représentent environ 41% de la demande totale de chaleur du bâtiment. La demande de chaleur pour la préparation d’ECS (26.1 kWh/m2.an ou 1'220 kWh/hab.an) est inférieure à la moyenne d’un benchmark genevois ainsi qu’à la demande correspondante à la norme SIA. Des disparités sont cependant observées entre les bâtiments. Il semblerait qu’une corrélation existe entre la consommation et le propriétaire/régie, et donc potentiellement la conception et la régulation choisie pour les systèmes d’ECS.

Sur le plan électrique, un bilan de la demande effectué sur 14 bâtiments a montré que les ménages ont une consommation moyenne inférieure à la moyenne des ménages genevois du secteur résidentiel collectif (1.9 MWh/an contre 2.3 MWh/an). Ceci indique notamment que les ménages sont équipés d’éclairage et d’appareils électroménagers performants.

Les communs d’immeuble consomment 1.14 MWh/an.logement, ce qui est également inférieur à la moyenne genevoise qui se situe à 1.94 MWh/an.logement. Cette valeur reste basse malgré la présence de PAC décentralisées ou de ventilation double-flux. Ceci est également un bon indicateur pour le fait que les installations comme l’éclairage des parties communes, l’ascenseur, les pompes de circulation hydrauliques et les buanderies ont une efficacité élevée. Il est à noter que cette partie du bilan est biaisée par le fait qu’une partie de l’électricité des communs est produite par une centrale photovoltaïque. La part autoconsommée serait à ajouter à l’électricité mesurée par le compteur des communs d’immeuble.

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L’analyse des installations PV de 8 bâtiments a montré que la fraction de l‘électricité autoconsommée dépend fortement de la typologie de valorisation. Pour la typologie regroupement d’autoconsommateurs la fraction varie entre 40% et 70%, alors que pour la typologie communs d’immeuble elle est très faible. Il est à préciser que pour les exemples étudiés pour cette seconde typologie, les choix de valorisation sont largement sous-optimaux, car les centrales solaires ont été branchées sur les allées du bâtiment qui consomment le moins.

Perspectives

Dans la continuité du travail réalisé, le bilan thermique de la Partie A sera consolidé sur une deuxième année complète de mesures. Pour 7 bâtiments, des données détaillées rapatriées automatiquement toutes les 5 minutes seront utilisées afin d’effectuer une analyse approfondie de la régulation au niveau de la distribution. Cette étude s’intéressera notamment aux questions relatives à la performance des PAC sur air extrait et aux niveaux de température de distribution.

Les résultats du bilan électrique présenté à la Partie B correspondent presque à l’objectif fixé. Ceux-ci seront complétés par une dernière analyse qui consistera à extrapoler à l’ensemble du quartier les mesures effectuées. Le but sera d’étudier la simultanéité de la production d’électricité photovoltaïque du quartier avec les besoins d’électricité de la PAC centralisée.

Un autre pan de ce retour d’expérience concerne l’efficacité de la production de chaleur. Pour la centrale thermique qui héberge la PAC centralisée, des données sont disponibles depuis juin 2019 et sont en cours d’analyse. Certains résultats préliminaires ont notamment déjà été présentés au groupe du suivi n°4. Le but final est d’établir un bilan énergétique sur l’ensemble de la chaîne de production, distribution et utilisation de la chaleur et de l’électricité utilisée pour la thermique. De plus, afin de réaliser un bilan environnemental complet, des données sur le pompage de l’eau des puits de Peney sont à l’étude actuellement.

Le choix d’installer des PAC décentralisées pour combler une partie des besoins, alors que le CAD est déjà alimenté par une PAC pose également des questions intéressantes : cette concurrence entre sources renouvelables fait-elle du sens ? N’y a-t-il pas surinvestissement ? Ou à l’opposé, ne devrait-on pas abaisser la température du CAD et produire toute l’ECS de manière décentralisée ? La réponse à ces questions sera explorée par un modèle de simulation calibré sur les demandes réelles pour réaliser une analyse de sensibilité.

Outre les aspects techniques, il est important d’étudier l’aspect économique du projet pour se positionner sur la question : le 100% renouvelable est-il souhaitable ? Sera-t-il viable économiquement à très large échelle ?

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Annexes

Annexe 1 : demandes de chaleur et indicateurs pour l’écart de performance

Annexe 2 : Mesures des températures de l’eau des Puits de Peney et d’arrivée à la centrale des Vergers

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Liste des figures

Figure 1 : Consommation d’énergie Suisse pour 2018 décomposée par secteur [3] ... 2

Figure 2 : Le chauffage à distance comme réseau multi-ressource pour la distribution de chaleur ... 3

Figure 3 : COP (à gauche) et efficacité technique (à droite) de différentes installations de PAC sur CAD en fonction de l’élévation de température entre la ressource d’énergie et la distribution du CAD (Delta T). Les valeurs des Vergers correspondent aux valeurs projet en mode chauffage [13]. ... 5

Figure 4 : Energie finale pour le chauffage des bâtiments genevois par époque de construction (axe de gauche) et IDC moyen (axe de droite) normalisés suivant les degrés-jours de référence de la directive de calcul de l’IDC [24] ... 7

Figure 5 : Energie finale pour le chauffage des bâtiments du parc immobilier genevois par agent (à gauche) et répartition de chaleur produite par PAC par époque de construction (à droite) normalisés suivant les degrés-jours de référence de la directive de calcul de l’IDC [24] ... 7

Figure 6 : Plan de l'écoquartier Les Vergers avec localisation des bâtiments par superficiaires des droits à bâtir de la commune et propriétaires privés [30] ... 9

Figure 7 : Représentation schématique du système de production et de distribution de chaleur du CAD des Vergers ... 10

Figure 8 : Illustration de la régulation de température du CAD [32] ... 11

Figure 9 : Plan du réseau FAD de la ZIMEYSA ... 12

Figure 10 : Planning du suivi énergétique ... 14

Figure 11 : Schéma typique d'une sous-station ... 15

Figure 12 : Photo d’une sous-station (par A. Roch) ... 16

Figure 13 : Schéma des principales typologies de systèmes de récupération de chaleur ... 16

Figure 14 : Répartition des typologies de récupération de chaleur du quartier par SRE (a) et par nombre de bâtiments (b) ... 17

Figure 15 : Points de mesure des données récoltées auprès de SIG ... 20

Figure 16 : Compteurs de chaleur relevés manuellement ... 22

Figure 17 : Photo des dossiers d’autorisation consultés au format papier ... 23

Figure 18 : Mesure du débit total en fonction de l’ouverture de la vanne de chauffage quand la vanne d’ECS est fermée. Sous-station X14, mesures du 1er février au 30 juin 2019 ... 25

Figure 19 : Signature énergétique journalière et paramètres de la régression, exemple du bâtiment B13 .. 26

Figure 20 : Correction de l’index du compteur de chaleur SIG Qhww,CAD pour le bâtiment X27 ... 27

Figure 21 : Schéma résumé du traitement du compteur d’énergie cumulée (𝑄ℎ𝑤𝑤, 𝐶𝐴𝐷) pour l’obtention du bilan journalier ... 27

Figure 22 : Index des compteurs de chaleur (à gauche) et énergies journalières converties en puissance moyenne (à droite) pour deux sous-stations : X28 (en haut) et X7 (en bas). Les données vont du 1er octobre 2018 au 29 mars 2020. ... 28

Figure 23 : Consommation énergétique pour l’eau chaude sanitaire dans les immeubles résidentiels collectifs selon la norme SIA 380/1 (demande utile) et la directive relative au calcul des indices de dépense chaleur dans le canton de Genève (passage de l’énergie utile à l’énergie finale) (issu de [39]) ... 30

Figure 24 : Courbe de charge journalière et consommation totale pour l’ensemble du périmètre de 23 bâtiments du 1er octobre 2018 au 30 septembre 2019... 31

Figure 25 : Puissance CAD en fonction de l’heure de la journée et de la saison. Les boîtes vont du premier au troisième quartile et sont coupés par la médiane (trait gras). Les moustaches indiquent approximativement les valeurs des 5ème et 95ème centiles. 50% des valeurs sont donc comprises dans le rectangle et 90% se trouvent entre les deux extrémités des moustaches. ... 32

Figure 26 : Bilan thermique des bâtiments pour une première année de mesures allant du 1er octobre 2018 au 30 septembre 2019 ... 33

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Figure 27 : Demande thermique totale mesurée pour le chauffage (normalisée en DJ12/18 SIA 2028, barres verticales) et demande théorique du justificatif thermique (points noirs)... 34 Figure 28 : Ecart de performance versus température de non chauffage T0 ... 35 Figure 29 : IDC calculé (normalisée en DJ16/20 IDC, barres verticales) et IDC admissible (points noirs) ... 35 Figure 30 : Courbe de charge journalière et consommation totale pour l’ensemble du périmètre des 23 bâtiments du 1er octobre 2018 au 1er juin 2020. Les lignes verticales en traitillé représentent le début et la fin des périodes hivernales choisies. ... 36 Figure 31 : Comparaison des besoins de chauffage corrigés climatiquement (DJ16/20 IDC) pour l’hiver 1 (2018-2019) et l’hiver 2 (2019-2020) ... 37 Figure 32 : Comparaison de la consommation de chaleur pour l'eau chaude sanitaire entre le benchmark [39]

et les bâtiments des Vergers. Les graphiques (a) à (c) représentent la consommation en kWh/m2.an et de (d) à (f) la consommation en kWh/hab.an. ... 39 Figure 33 : Représentation graphique des surfaces PV installées (axe de gauche) et de la puissance par m2 (P/S) (axe de droite, carrés noirs : puissance mesurée, carrés gris : puissance estimée). Les couleurs correspondent à la légende du Tableau 7. La ligne en traitillée horizontale correspond à la puissance par m2 moyenne (0.185 kWc/m2) utilisée pour estimer les puissances inconnues à partir des surfaces. ... 41 Figure 34 : Typologies de valorisation de l’électricité photovoltaïque ... 43 Figure 35 : Inventaire de la consommation électrique annuelle et du nombre de compteurs par secteur pour l’intégralité des bâtiments du Tableau 9 (périmètre en gris) ... 46 Figure 36 : Box-plot des consommations annuelles des ménages pour les bâtiments. La moitié des valeurs sont comprises dans la boîte et la valeur médiane est représentée par un trait horizontal. La ligne bleue représente la consommation moyenne des ménages genevois en immeubles résidentiels collectifs et la verte la moyenne des ménages des Vergers (périmètre en bleu du Tableau 9). ... 47 Figure 37 : Box-plot des consommations annuelles des communs d’immeuble pour les bâtiments. La moitié des valeurs sont comprises dans la boîte et la valeur médiane est représentée par un trait horizontal (périmètre en bleu du Tableau 9). ... 48 Figure 38 : Consommation sectorielle par bâtiment divisée par le nombre de compteurs identifiés comme des compteurs de ménages privés (périmètre en vert du Tableau 9) ... 49 Figure 39 : Consommation totale par secteur et par bâtiment incluant les activités (périmètre en vert du Tableau 9) ... 49 Figure 40 : Détails des raccordements électriques des bâtiments X25 et X26 par allée. Les compteurs grisés (allées en pignon) sont uniquement des compteurs de consommation. ... 52 Figure 41 : (a) Principaux indicateurs de performance des installations PV ayant la typologie 1 et consommation d’électricité totale des bâtiments correspondants ; (b) Taux d’autoconsommation en fonction du taux de couverture des installations PV. ... 53 Figure 42 : Dynamique journalière et bilan annuel de l’installation PV du bâtiment X9 avec représentation du taux d’autoconsommation (en haut) et de couverture (en bas) ... 54 Figure 43 : Dynamique intra-journalière du taux d’autoconsommation (en rouge) et de couverture (en vert) de l’installation PV du bâtiment X9. Les périodes illustrées sont l’été (à gauche), l’entre-saison (au centre) et l’hiver (à droite). ... 55

Liste des tableaux

Tableau 1 : Champs principaux extrait des données de l’étude sur les CAD alimentés par PAC ... 4 Tableau 2 : Principales caractéristiques des sous-stations des bâtiments de l’écoquartier des Vergers avec les catégories de puissance suivantes : 75 (type A), 140 (type B), 250 (type C) et 430 kW (type D) [31] ... 18 Tableau 3 : Liste des points de mesure des sous-stations ... 21 Tableau 4 : Bâtiments inclus dans le bilan thermique et compteurs de chaleur relevés manuellement (NA = Non applicable) ... 22

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Tableau 5 : Demandes théoriques (Qh,projet) et limites (Qh,lim SIA) pour le chauffage calculées selon la

norme SIA 380/1 ainsi que l’IDC admissible selon la LEN 2.10 ... 24

Tableau 6 : Récapitulatif des consommations de chaleur pour la production d’ECS des bâtiments des Vergers comparées aux valeurs du benchmark [39] et aux valeurs normées (SIA et IDC) ... 38

Tableau 7 : Inventaire des installations PV des Vergers. Les bâtiments marqués d’une « * » font l’objet d’une étude détaillée de la centrale solaire à la Partie B 3. ... 42

Tableau 8 : Champs de la base de données de facturation SAP des SIG utilisés pour l’analyse ... 44

Tableau 9 : Inventaire des bâtiments et des compteurs ... 45

Tableau 10 : Périmètre de l’étude des courbes de charge et inventaire des données disponibles ... 50

Tableau 11 : Description des différentes données utilisées pour l’analyse ... 51

Tableau 12 : Résultats du bilan électrique pour les allées centrales des bâtiments X25 et X26. Calculs basés sur les factures annuelles SIG(1), calculs basés sur extrait de la base de facturation SAP(2) ... 56

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