Enjeux de la climatisation au niveau genevois et tour d’horizon de possibles alternatives

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Enjeux de la climatisation au niveau genevois et tour d'horizon de possibles alternatives

HOLLMULLER, Pierre, HUNZIKER, Stefan Michael, LACHAL, Bernard Marie & SIG

Abstract

A Genève comme ailleurs dans le monde, la demande d'électricité due à la climatisation est en forte augmentation. La finalité de cette recherche est d'en préciser les enjeux énergétiques et économiques, ainsi que de pouvoir proposer des alternatives robustes, tout en connaissant les impacts de ces solutions sur le confort des utilisateurs. L'objectif de ce rapport est de faire un état des lieux des enjeux de la climatisation et de ses alternatives au niveau du Canton de Genève. La première partie concerne la détermination de la demande de climatisation du Canton de Genève. En un premier temps (chapitre 1), celle-ci est évaluée via une approche bottom-up, à partir des requêtes de climatisation déposées au Service cantonal de l'énergie sur la période 1980 – 2009. En un second temps (chapitre 2), les résultats sont confrontés à une approche top-down, basée sur la corrélation estivale entre la courbe de charge électrique au niveau du Canton et la température de l'air. Le chapitre 3 fait brièvement le point sur un projet d'étude technico-économique du coût complet de la climatisation, qui n'a [...]

HOLLMULLER, Pierre, HUNZIKER, Stefan Michael, LACHAL, Bernard Marie & SIG. Enjeux de la climatisation au niveau genevois et tour d'horizon de possibles alternatives.

Genève : SIG, 2011

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http://archive-ouverte.unige.ch/unige:23581

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Réalisé dans le cadre du Partenariat SIG – UNIGE Contrat spécifique « StratTherm »

Responsable UNIGE : B. Lachal Responsable SIG : M. Monnard

Groupe Energie

Institut Forel / Institut des Science de l’Environnement Site Battelle - Bat D ‐ 7 route de Drize ‐ CH 1227 Carouge

www.unige.ch/energie

Enjeux de la climatisation au niveau genevois et tour d’horizon de possibles alternatives

Pierre HOLLMULLER Stefan HUNZIKER

Bernard LACHAL

Juin 2011

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Version corrigée, Octobre 2012

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Table des matières

Introduction ... 3

1 – Requêtes d’autorisation pour la climatisation ... 4

1.1 – Introduction ... 4

1.2 – Base de données ... 4

1.3 – Analyse de l’ensemble du parc ... 5

1.4 – Analyse par typologies et reconstitution des données manquantes ... 9

1.5 – Cartographie ... 14

2 – Analyse de la courbe de charge estivale ... 15

2.2 – Base de données ... 15

2.3 – Dynamique estivale ... 15

2.4 – Signature énergétique et puissance nominale de climatisation ... 17

3 – Coût complet de la climatisation ... 20

3.2 – Projet d’étude technico-économique élargie ... 20

3.3 – Conclusion ... 21

4 – Bâtiments, confort d’été et rafraîchissement passif ... 23

4.2 – Confort d’été... 23

4.3 – Normes ... 24

4.4 – Contrainte météorologique estivale ... 26

4.5 – Réponse thermique des bâtiments ... 27

4.6 – La climatisation et ses impacts ... 27

4.7 - Les systèmes passifs et leur intégration dans le bâtiment ... 28

5 – Techniques de rafraîchissement passif intégrées à la ventilation ... 30

5.2 – Concepts de rafraîchissement passif intégré à la ventilation ... 30

5.3 – Bâtiment ... 33

5.4 – Exemple de fonctionnement sur une semaine type ... 34

5.5 – Etude de sensibilité et potentiel ... 36

6 – Couplage direct à des sondes géothermiques ... 39

6.2 – Concept du système ... 39

6.3 – Spécificité des champs de sonde géothermiques en mode chauffage et rafraîchissement ... 40

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2

6.4 – Clefs de dimensionnement ... 41

6.5 – Analyse de sensibilité ... 43

6.6 – Simulation dynamique ... 44

7 – Couplage à un réseau de distribution d’eau du lac ... 45

7.2 – Description du projet GLN ... 45

7.3 – Spécificités d’un réseau de distribution en boucle ouverte ... 46

7.4 – Stratégie de régulation ... 47

7.5 – Méthode d’audit ... 48

Bibliographie ... 50

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Introduction

A Genève comme ailleurs dans le monde, la demande d’électricité due à la climatisation est en forte augmentation. La finalité de cette recherche est d’en préciser les enjeux énergétiques et économiques, ainsi que de pouvoir proposer des alternatives robustes, tout en connaissant les impacts de ces solutions sur le confort des utilisateurs.

L’objectif de ce rapport est de faire un état des lieux des enjeux de la climatisation et de ses alternatives au niveau du Canton de Genève.

La première partie concerne la détermination de la demande de climatisation du Canton de Genève. En un premier temps (chapitre 1), celle-ci est évaluée via une approche bottom-up, à partir des requêtes de climatisation déposées au Service cantonal de l’énergie sur la période 1980 – 2009. En un second temps (chapitre 2), les résultats sont confrontés à une approche top-down, basée sur la corrélation estivale entre la courbe de charge électrique au niveau du Canton et la température de l’air.

Le chapitre 3 fait brièvement le point sur un projet d’étude technico-économique du coût complet de la climatisation, qui n’a pas pu être menée à bout, ce dont nous analysons les raisons.

La dernière partie passe en revue le potentiel et les contraintes de diverses techniques de rafraîchissement passif utilisables sous climat genevois. Le chapitre 4 passe brièvement en revue les spécificités du confort d’été, son lien avec les contraintes météorologiques et la conception des bâtiments, ainsi que le type de réponse possible en terme de climatisation active et de rafraîchissement passif. Le chapitre 5 concerne un ensemble de techniques de rafraîchissement passif intégrées à la ventilation (ventilation nocturne, puits canadien, déphaseur thermique, humidification adiabatique). Le chapitre 6 concerne l'utilisation directe des sondes géothermiques pour le refroidissement de bâtiments (sans machine de refroidissement intermédiaire entre le bâtiment et les sondes). Le chapitre 7 concerne le rafraîchissement par utilisation directe d’eau du lac, distribuée aux bâtiments via un réseau hydro-thermique.

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1 – Requêtes d’autorisation pour la climatisation

1.1 – Introduction

Ce chapitre concerne la constitution puis l’analyse d’une base de données concernant les installations de climatisation implantées sur le Canton de Genève.

1.2 – Base de données

La base de données a été constituée à partir des fiches de synthèse des requêtes d’autorisation de climatisation, déposées au Service cantonal de l’énergie (SCANE), pour la période couvrant les trente dernières années (1980 – 2009), soit depuis l’introduction de la procédure d’autorisation. Ces requêtes couvrent les demandes de froid pour le confort ainsi que pour les datacenters, à l’exclusion des climatiseurs mobiles.

Globalement, la base de données représente 911 requêtes retenues (sur environ 940, dont une trentaine sans indication de la puissance thermique). Les données suivantes ont été relevées, avec leur taux relatif de disponibilité :

 Année de la requête : 100% des cas

 Puissance thermique : 100 % des cas

 Puissance électrique : 75% des cas

 Surface climatisée : 73% des cas

 Energie électrique annuelle : 31% des cas (uniquement période 1988 – 2002)

 Typologie d’usage : >99% des cas

 Adresse identifiée : 99% des cas.

La base de données a été établie à partir des fiches de synthèse des requêtes d’autorisation (fiches rédigées par la Commission de climatisation, puis formulaire E5 depuis le milieu des années 2000). A ce propos il est à noter que :

 Les appareils de climatisation portable, qui ne sont pas soumis à autorisation, ne sont pas compris dans cette base de données.

 Les installations fixes n’ayant pas fait l’objet d’une requête d’autorisation ne sont pas contenues dans cette base. Certaines sources affirment que le nombre de ces installations clandestines dépasse 50% (en principe plutôt des installations de petite taille).

 Même pour les installations saisies, les données disponibles ne représentent pas forcément fidèlement la réalité : i) des modifications ont pu avoir lieu entre la requête et l’installation ; ii) certaines des installations, surtout les plus anciennes, ont pu être mises hors service ; iii) les dossiers de requête, parfois très détaillé, sur lesquels se basent les fiches de synthèse n’ont pas été consultés.

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1.3 – Analyse de l’ensemble du parc

Nombre d’installations et puissance thermique

L’évolution du nombre de requêtes et de la puissance thermique associée (Fig. 1.1) indique un parc en constante croissance, avec un total cumulé (2009) de 911 requêtes et 272 MWth. On note :

 Le pic de puissance en 2000, correspondant à deux gros datacenters (35.2 MWth).

 Une augmentation du nombre de demande en 2004, éventuellement dû à l’été caniculaire 2003, mais probablement aussi à la simplification de la procédure d’autorisation (moins d’installations clandestines ?)

Fig. 1.1 : Evolution du nombre de requêtes et de la puissance thermique associée.

Année SCANE SPC Différence

2005 94 66 -28

2006 97 79 -18

2007 96 61 -35

2008 60 105 45

2009 59 116 57

Total 406 427 21

Fig. 1.2 : Evolution du nombre de requêtes, comparaison avec les données SPC.

Depuis le milieu des années 2000, toutes les installations de refroidissement, climatisation et de pompes à chaleur contenant plus de 3kg de fluides frigorigènes stables dans l’air sont par ailleurs soumises à une procédure d’autorisation au niveau fédéral. A Genève, l’application de cette procédure est prise en charge par l’Inspecteur des produits chimiques, relié au Service du pharmacien cantonal (SPC). Selon une communication du SPC, la répartition du nombre de requêtes entre les différents usages est la suivante (période 2005 – 2009) :

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Nb requêtes MW

kW

Nb requêtes Puissance thermique

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 Climatisation : 67%

 Froid commercial : 30%

 Froid industriel : 3%

En ce qui concerne la climatisation, le nombre agrégé des requêtes (Fig. $2) se recoupe assez bien avec la base de données du SCANE (5% d’écart). Les variations annuelles pourraient provenir d’affectation de dates différentes (date de dépôt de requête versus date de décision).

Taille des installations

La répartition des requêtes par tranches de puissance thermique est la suivante (Fig. $3).

Fig. 1.3 : Répartition des requêtes par tranches de puissance thermique, parc total (haut) et zoom sur les faibles puissances (bas).

Ainsi :

 56% des requêtes concernent des installations comprises entre 50 et 1000 kWth, couvrant 45% de la puissance totale.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1'000 2'000 3'000 4'000 5'000 6'000 7'000 8'000 9'000 10'000 11'000 12'000 13'000 14'000 15'000 16'000 17'000 18'000 19'000 20'000

Nombre de requêtes MW

kW

Nombre de requêtes Puissance thermique

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Nombre de requêtes MW

kW

Nombre de requêtes Puissance thermique

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 En complément, au niveau des extrêmes : i) seules 5% des requêtes concernent des puissances supérieures à 1000 kWth, mais elles pèsent pour 53% de la puissance thermique totale ; ii) inversement, 38% des requêtes concernent des puissances inférieures à 50 kWth, mais elles ne pèsent pas plus de 3% de la puissance totale

Puissance électrique et COP

Pour les requêtes où la puissance électrique est disponible (75% des cas), le rapport entre puissances thermique et électrique donne le COP nominal annoncé. Il s’agit en principe du COP du seul groupe de froid (sans les auxiliaires), aux conditions de fonctionnement nominales. La répartition en est donnée sur la figure suivante.

Fig. 1.4 : Répartition des requêtes par tranches de COP nominaux.

Ainsi, pour ce sous-ensemble de la base de données :

 Les COP annoncés se centrent très clairement aux alentour de 3 (25% de cas inférieur à 2.5, 23% de cas supérieurs à 3.5).

 Une trentaine de requêtes (4% des cas, mais 14% de la puissance), quasiment toutes postérieures à 2000, concerne des COP compris entre 5 et 7. Cela pourrait provenir d’une technologie plus efficace (ce qu’il resterait à vérifier au niveau des dossiers de requête complet), mais pourrait également venir d’une saisie ou interprétation saisie incorrecte au niveau du formulaire E5 (contrairement à la puissance thermique, dont la valeur totale est donnée en début de formulaire, la puissance électrique n’apparait que de façon désagrégée pour chaque type de locaux climatisé ; cependant, s’agissant souvent d’une seule et même machine de froid, c’est parfois la puissance totale qui y figure, de façon répétée)

Energie électrique et durée nominale de fonctionnement

Pour les requêtes où la consommation électrique annuelle prévue est disponible (31% des cas, uniquement période 1988 - 2002), le rapport avec la puissance électrique indique la durée nominale de fonctionnement prévue. La répartition en est donnée sur la figure suivante.

0 10 20 30 40 50 60

0 50 100 150 200 250 300

< 1.0 < 1.5 < 2.0 < 2.5 < 3.0 < 3.5 < 4.0 < 4.5 < 5.0 < 5.5 < 6.0 < 6.5 < 7.0 < 7.5 < 8.0 < 8.5 < 9.0 < 9.5 < 10.0 >= 10.0

MW th Nb requêtes

COP

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Fig. 1.5 : Répartition des requêtes par durée nominale de fonctionnement.

Nous retenons les points suivants :

 De façon générale, on distingue les requêtes avec plus de 5000 h de fonctionnement nominal, qui concerne des banques et des datacenter, du reste des requêtes qui s’étale largement entre 200 et 3000 h (80% des cas, 60% de la puissance thermique cumulée), ou de façon plus restrictive entre 400 et 1600h (50% des cas, 45% de la puissance).

 Cependant, ces données doivent à notre avis être prises avec une certaine précaution: elles ne concernent qu’une période bien spécifique (1988 – 2002) durant laquelle la l’estimation de la future consommation électrique annuelle a été relevée sur les fiches de synthèse, et nous ne possédons aucune indication sur la manière dont cette estimation a été faite.

Surface climatisée et puissance thermique spécifique

Pour les requêtes où la surface climatisée est disponible (73% des cas), le rapport entre la puissance thermique et la surface indique la puissance thermique spécifique (nominale) attendue, dont la répartition est donnée sur la figure suivante.

On y repère à nouveau les banques et les datacenters, avec plus de 500 W/m2, le solde des installations se situant essentiellement entre 20 et 200 W/m2 (80% des cas, 55% de la puissance cumulée), ou façon plus restreinte entre 60 et 160 W/m2 (50% des cas, 30% de la puissance).

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

< 200 < 400 < 600 < 800 < 1000 < 1200 < 1400 < 1600 < 1800 < 2000 < 2200 < 2400 < 2600 < 2800 < 3000 < 3200 < 3400 < 3600 < 3800 < 4000 < 4200 < 4400 < 4600 < 4800 < 5000 >= 5000

MW th Nb requêtes

h

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Fig. 1.6 : Répartition des requêtes par puissance thermique spécifique.

1.4 – Analyse par typologies et reconstitution des données manquantes

Définition des typologies

Nous avons classées les installations selon les typologies suivantes :

 Administratif

 Banques

 Commerces

 Industrie/Artisanat

 Mixte (essentiellement administratif, commerces et artisanat)

 Datacenter/Telecom

 Salles d’exposition/congrès

 Hôtel/Restaurants

 Médical

 Recherche/Enseignement

 Loisirs

 Résidentiel

 Divers

L’attribution de ces typologies a été faite en fonction du nom du requérant (avec, lorsque nécessaire, une recherche au niveau du Registre du commerce ou plus généralement sur internet), ou encore en fonction de l’indication du type de locaux à climatiser. Afin d’aboutir à une attribution univoque, un choix a parfois été nécessaire. Ce choix a été opéré de façon le plus systématique possible. Cependant, il reste parfois moins une certaine incertitude (surtout pour les requêtes les plus anciennes), ou une certaine ambigüité (par exemple : les requêtes concernant des bâtiments administratifs, avec une partie bureaux et une partie datacenter, ont été classés sou « administratif » ; les requêtes concernant spécifiquement un local informatique ont été classées sous « datacenter », même s’ils appartenaient à un bâtiment administratif).

0 10 20 30 40 50 60 70

0 20 40 60 80 100 120 140

< 20 < 40 < 60 < 80 < 100 < 120 < 140 < 160 < 180 < 200 < 220 < 240 < 260 < 280 < 300 < 320 < 340 < 360 < 380 < 400 < 420 < 440 < 460 < 480 < 500 >= 500

MW th Nb requêtes

W/m2

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Reconstitution statistiques des données statistiques manquantes

Le classement par typologie permet une reconstitution statistique des données qui manquent dans une partie des requêtes (puissance thermique, énergie électrique, surface climatisée). Pour chacune de ces données, et pour chaque typologie, la reconstitution se fait par règle de trois, via la valeur moyenne de l’indicateur intensif qui lui est associé :

 La puissance électrique totale est reconstituée à partir du COP moyen de la typologie en question, appliqué à sa puissance thermique totale.

 L’énergie électrique totale est reconstituée à partir de la durée nominale de fonctionnement moyenne de la typologie en question, appliquée à la puissance électrique totale

 La surface climatisée totale est reconstituée à partir de la puissance spécifique moyenne de la typologie en question, appliquée à la puissance thermique totale.

Etant donné la variabilité des indicateurs intensifs d’une typologie à l’autre, cette reconstitution est de meilleure qualité qu’une reconstitution faite directement au niveau de l’ensemble du parc.

Typologie Valeurs extensives Valeurs intensives Ninst : nombre d’installations

Pth : puissance thermique Pel : puissance électrique Sclim : surface climatisée

Pinst : puissance thermique par installation COP : coefficient de performance

Nh : durée nominale de fonctionnement Psurf : puissance thermique spécifique

Ninst Pth Pel Eel Sclim Pinst COP Nh Psurf

Moy EcTyp Moy EcTyp Moy EcTyp Moy EcTyp

MW MW GWh mil.m2 kW kW h h W/m2 W/m2

Administ. 285 68 22 28 681 240 540 3.2 1.1 1286 1107 100 99

Banques 90 19 7 14 134 213 401 2.9 0.8 2110 1619 143 166

Commerces 112 18 6 10 141 161 352 2.9 1.0 1695 1275 128 160

Ind./Artis. 67 23 7 11 139 339 402 3.2 1.2 1573 1482 164 139

Mixte 25 17 5 5 158 666 994 3.1 1.0 1033 536 105 106

Data/Tele. 94 69 25 130 88 738 2725 2.8 0.9 5169 2381 792 1786

Expo./Cong. 6 19 7 7 118 3100 1791 2.5 0.3 1011 450 157 82

Hôtel/Rest. 79 13 4 6 133 166 300 3.2 1.0 1479 1385 99 57

Médical 50 16 5 10 101 313 828 3.1 0.7 1937 1299 155 175

Rech./Ens. 10 3 1 1 23 322 321 3.6 1.7 1024 550 137 100

Loisirs 26 3 1 1 24 112 141 3.0 0.9 817 569 121 56

Résidentiel 33 1 0 0 15 42 63 3.1 1.7 966 667 89 96

Divers 30 2 1 1 11 60 90 3.0 1.0 1418 1139 161 216

Inconnu 4 1 9

Total 911 272 91 225 1776

Fig. 1.7 : Répartition de la climatisation par typologie

Les résultats de cette démarche sont présentés dans le tableau ci-dessus, ainsi que dans les figures qui suivent (Fig. 1.8 à 1.10). Pour les valeurs intensives, on y représente non seulement la valeur moyenne ainsi que son écart type, mais également la valeur globale associée :

 Le COP global est donné par le rapport entre la somme des puissances thermiques et la somme des puissances électriques, lorsque ces deux valeurs existent simultanément.

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 La durée nominale de fonctionnement globale est donnée par le rapport entre la somme des énergies électriques et la somme des puissances électriques, lorsque ces deux valeurs existent simultanément.

 La puissance spécifique globale est donnée par le rapport entre la somme la somme des puissances thermiques et la somme des surfaces climatisées, lorsque ces deux valeurs existent simultanément.

Cette analyse est finalement faite de façon évolutive, année après année, de façon à reconstituer le développement du parc.

Il en ressort les observations suivantes :

 Globalement, les quelques 911 installations ayant fait l’objet d’une requête d’autorisation représentent une puissance thermique nominale de 272 MWth. Par reconstitution, il correspond à cela une puissance électrique nominale de 91 MW (18% de la puissance de pointe au niveau du Canton), ainsi qu’une consommation d’électricité de 225 GWh par an (8% de la consommation totale). A noter qu’au chapitre suivant ces chiffres seront confrontés aux observations que l’on peut tirer de la courbe de charge cantonale. Enfin, la surface climatisée représente aux alentour 1.8 million de m2.

 Si les datacenters ne représentent que 10% du nombre d’installations (5% de la surface climatisée), ils font par contre un peu plus d’un quart de la puissance. Etant donné leur fonctionnement en continu, essentiellement contraint par les intenses charges interne, ils représentent finalement à peu près 60% de la consommation électrique annuelle due à la climatisation !

 Le solde, essentiellement dédiée à de la climatisation de confort, se répartit grosso-modo en trois tiers entre : i) les bâtiments de type administratif (banques non comprises) ; ii) banques, commerces et industrie ; iii) divers autres usages, dont une très faible part pour le résidentiel (1%

au niveau des puissances).

Au niveau des valeurs intensives, on notera également :

 Les très grosses installations pour les salles d’exposition et congrès (nommément Palexpo).

 Les durées de fonctionnement et puissances spécifiques élevées des datacenter, avec dans ce dernier cas un écrat-type très important, lié notamment aux petits datacenter, intégrés dans des bâtiments administraifs ou autres (cf. plus haut les remarques quant à l’attribution des typologies).

Fig. 1.8 : Evolution et répartition du nombre de requête, par typologie.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Requêtes

Inconnu Divers

Résidentiel Loisirs Rech./Ens. Médical Hôtel/Rest. Expo./Cong.

Data/Tele. Mixte Ind./Artis. Commerces Banques Administ.

911 inst.

Administ.

Banques Commerces Ind./Artis.

Mixte Data/Tele.

Expo./Cong.

Hôtel/Rest.

Médical Rech./Ens.

Loisirs Résidentiel Divers Inconnu

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Puissance thermique Taille des installations

Puissance électrique COP

Energie électrique Durée nominale de fonctionnement

Surface climatisée Puissance spécifique

Fig 1.9 : Répartition par typologie des puissances, énergies et surfaces, ainsi que des indicateurs associés.

272 MW th

Administ.

Mixte Data/Tele.

Expo./Cong.

Hôtel/Rest.

Médical Rech./Ens.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Administ. Banques Commerces Ind./Artis. Mixte Data/Tele. Expo./Cong. Hôtel/Rest. Médical Rech./Ens. Loisirs Résidentiel Divers Inconnu

MW/inst Sum

Moy EcTyp

91 MW el

Administ.

Mixte Data/Tele.

Expo./Cong.

Hôtel/Rest.

Médical Rech./Ens.

0 1 2 3 4 5

COP Sum

Moy EcTyp

225 GWh el

Administ.

Mixte Data/Tele.

Expo./Cong.

Hôtel/Rest.

Médical Rech./Ens.

0 1 2 3 4 5 6

1000 h Sum

Moy EcTyp

1776 millier m2

Administ.

Mixte Data/Tele.

Expo./Cong.

Hôtel/Rest.

Médical Rech./Ens.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

1000 W/m2 Sum

Moy EcTyp

(16)

13

Fig. 1.10 : Evolution par typologie des puissances, énergies et surfaces.

0 50 100 150 200 250 300

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

P thermique (MW) Inconnu

Divers Résidentiel Loisirs Rech./Ens.

Médical Hôtel/Rest.

Expo./Cong.

Data/Tele.

Mixte Ind./Artis.

Commerces Banques Administ.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

P électrique (MW) Inconnu

Divers Résidentiel Loisirs Rech./Ens.

Expo./Cong.

Data/Tele.

Mixte Ind./Artis.

0 50 100 150 200 250

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

E électrique (GWh) Inconnu Divers Résidentiel Loisirs Rech./Ens.

Expo./Cong.

Data/Tele.

Mixte Ind./Artis.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Surface (millier m2) Inconnu Divers Résidentiel Loisirs Rech./Ens.

Expo./Cong.

Data/Tele.

Mixte Ind./Artis.

(17)

14

1.5 – Cartographie

Finalement, l’identification des adresses avec celles de la base de données du système d'information du territoire genevois (SITG) permet dorénavant une localisation spatiale des installations de climatisation ayant fait l’objet d’une requête d’autorisation en bonne et due forme.

Fig. 1.11 : Localisation des installations de climatisation genevoise.

(18)

15

2 – Analyse de la courbe de charge estivale

2.1 – Introduction

En complément au chapitre précédent, ce chapitre analyse la corrélation entre la courbe de charge électrique au niveau du Canton et la température de l’air, en période estivale, afin d’en extraire la composante liée à la climatisation de confort.

2.2 – Base de données

Les données horaires utilisées pour cette analyse couvrent la période 2003 – 2010. Il s’agit de :

 Courbe de charge du Canton de Genève.

Ces données sont mises à disposition par SIG. Elles concernent des points d'injection au réseau genevois et des grandes productions locales (Verbois, Seujet et Chancy-Pougny). Elle ne contient pas les productions décentralisées, raison pour laquelle les valeurs agrégée sont différentes des valeurs officielles (Ocstat).

 Données météo, en particulier température de l’air et irradiance globale horizontale.

Ces données sont mises à disposition par Pierre Ineichen, du Groupe Energie de l’Université de Genève (www.unige.ch/energie/energieforel/activites/data-num.html). Elles concernent le site de mesure de la Jonction (situation urbaine).

2.3 – Dynamique estivale

La dynamique horaire de la courbe de charge et de la température est représentée ci-dessous pour une semaine douce et une semaine caniculaire de l’année 2003 (Fig. 2.1). On remarque en particulier :

 La dynamique journalière très marquée et répétitive de la courbe de charge, fortement corrélée à l’activité économique. On distingue à cet égard très clairement le week-end, en fin de semaine.

 L’augmentation de la puissance de pointe entre une semaine douce et une semaine caniculaire.

La dynamique des moyennes journalières sur la période estivale (Fig. 2.2) confirme très clairement la corrélation entre la consommation électrique et la température de l’air. On observe également la baisse régulière de puissance lors des week-ends, ainsi que de façon plus générale pendant les mois de juillet et août, lorsque l’activité économique est ralentie.

(19)

16

Fig. 2.1 : Evolution de la courbe de charge et de la température, valeurs horaire, semaine douce (1 – 7 septembre 2003, en haut) et caniculaire (23 – 29 juin 2003, en bas).

Fig. 2.2 : Evolution de la courbe de charge et de la température, valeurs moyennes journalières (mai – septembre 2003).

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 24 48 72 96 120 144 168

C MW

h Puissance

température

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 24 48 72 96 120 144 168

C MW

h Puissance

température

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

120 150 180 210 240 270

C MW

jour Puissance

Température

(20)

17

2.4 – Signature énergétique et puissance nominale de climatisation

La relation entre la consommation électrique (moyenne et maximum journalier) et la température (moyenne journalière) est quantifiée via la signature énergétique (Fig. 2.3). Afin de s’affranchir des variations dues à la l’activité économique, celle-ci concerne exclusivement les jours ouvrables, ainsi que les mois de mai, juin, septembre.

La signature fait clairement ressortir une corrélation de type quadratique, que deux hypothèses nous paraissent pouvoir expliquer : d’une part le COP des installations de climatisation qui baisse lorsque la température augmente, d’autre part un nombre croissant d’installations mises en marche lorsque la température augmente.

En comparant les signatures pour 2003 et 2010, on note également : i) la croissance générale de la consommation électrique (augmentation des puissances de base et de pointe) ; ii) la météo caniculaire de 2003, avec une température moyenne journalière qui atteint 30°C, versus une météo plus clémente pour 2010.

2003 2010

Fig. 2.3 : Signature énergétique : consommation électrique (moyenne et maximum journalier) en fonction de la température (moyenne journalière).

La régression quadratique nous fournit les indicateurs suivants :

 La température neutre, soit la température moyenne journalière pour laquelle la consommation électrique est minimale (aux alentour de 15°C), que nous interprétons comme la température seuil à partir de laquelle la climatisation de confort est mise en marche.

 La puissance de base (à 15°C de moyenne journalière), soit la consommation électrique hors climatisation, ainsi que la puissance de pointe (à 30°C de moyenne journalière), soit la consommation électrique lorsque la climatisation fonctionne à sa valeur maximale.

Le différentiel entre la puissance de pointe (à 30°C) et la puissance de base (à 15°C) est interprétée comme la puissance électrique de la climatisation sur le Canton (hors datacenters, qui fonctionnent en ruban). Ainsi que nous l’avons mentionné plus haut, cette analyse est faite aussi bien au niveau de la puissance journalière moyenne, qu’au niveau de la puissance journalière maximale (voir la Fig. 2.3).

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

10 15 20 25 30

MW

C Pmoy Pmax

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

10 15 20 25 30

MW

C Pmoy Pmax

(21)

18

Finalement, nous observons une puissance électrique liée à la climatisation de l’ordre actuellement de 50 à 60 MW (selon que l’analyse se fasse sur les moyennes ou les maxima journaliers), avec une tendance d’accroissement de l’ordre de 2 MW par an (Fig. 2.4).

Température neutre Différentiel de puissance pointe – base (à 30 et 15°C)

Fig. 2.4 : Evolution des indicateurs globaux de climatisation : température neutre et différentiel de puissance électrique pointe – base.

Ces valeurs, obtenues par approche globale ou « top-down », peuvent être mise en relation avec les valeurs résultant de l’analyse des requêtes d’autorisation, obtenues par approche « bottom-up », soustraction faite de la contribution des datacenters (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 : Evolution de la puissance électrique liée à la climatisation de confort (hors datacenters) : comparaison des valeurs obtenues par aprroche bottom-up (requêtes d’autorisation) et top-down (analyse de la courbe de charge).

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

C Tneutre pour Pmoy

Tneutre pour Pmax

0 10 20 30 40 50 60 70

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 MW

Pmoy (15-30°C) Pmax (15-30°C) reg. lin. reg. lin.

0 10 20 30 40 50 60 70

1990 1995 2000 2005 2010

MW el

Bottom-Up Top-Down, Pmax Top-Down, Pmoy

(22)

19

On observe une très bonne cohérence entre les deux approches. Reste cependant à signaler les points suivants :

 L’approche top-down n’intègre pas la production photovoltaïque, qui dépend de l’ensoleillement et possède donc elle-même une forte corrélation avec la température. La prise en compte de cette production (actuellement de l’ordre de 9MW nominal, dont une bonne partie active déjà à une température moyenne de 15°C) aurait donc tendance à réduire encore l’écart entre les deux approches.

 L’approche bottom-up comprend quant à elle une série de zone d’ombres, dont il est actuellement difficile de quantifier l’effet sur la puissance électrique liée à la climatisation de confort. Parmi les facteurs qui auraient tendance à l’augmenter, on notera la climatisation clandestine et la climatisation mobile ; Parmi les facteurs qui auraient tendance à la diminuer, on notera les datacenters compris dans la typologie « Banques », ainsi que les installations mises hors service.

(23)

20

3 – Coût complet de la climatisation

3.1 – Introduction

Ce troisième chapitre fait le point sur un projet un projet d’étude technico-économique élargie, qui n’a pas pu être menée à bout, ce dont nous analysons les raisons.

3.2 – Projet d’étude technico-économique élargie

Dans le cadre des objectifs de cette recherche, nous avions initialement prévu de mener à bien une d’étude technico-économique sur un ensemble de bâtiments existants, munis de climatisation. Le but de cette étude était une évaluation du coût complet de la prestation de froid fournie (ct/kWh, ct/m2), en tenant compte de paramètres tels que l’amortissement de l’installation, les frais d’exploitation et de maintenance, l’achat d’énergie et les éventuels frais de mise en conformité aux normes. Dans la mesure du possible, il s’agissait également de dissocier la partie production de la partie distribution de froid.

Cette étude n’a finalement pas pu être menée à bout, pour les raisons explicitées ci-dessous.

Collecte d’information auprès de divers utilisateurs de climatisation

Cette première approche consistait à contacter divers propriétaires d’installations de climatisation disposés à fournir des données concernant:

 Les aspects énergétiques (relevés de production de froid, consommation électrique)

 Les aspects financiers (investissement, maintenance, achat d’énergie)

 Quelques aspects divers (surface climatisée, éventuelles spécifications techniques, …)

Les contacts suivants ont été pris dans ce sens (souvent directement avec le responsable technique/énergétique) :

 Deux gestionnaires de bâtiments pour lesquels nous possédions déjà relevés de consommation de froid.

 Une régie possédant un ensemble de bâtiments climatisés

 Deux chaines de supermarchés

 Deux centres commerciaux

 Une banque

 Un opérateur téléphone.

 Une société informatique

 Le service des bâtiments de l’Etat

Ces démarches se sont soldées par un très faible retour d’information (2 bâtiments avec des données sur la consommation, mais rien sur les investissements ; 1 bâtiment avec des données sur les investissements, mais rien sur les consommations). Les raisons de cette maigre collecte se résument comme suit :

(24)

21

 Dans plusieurs cas, l’installation de climatisation ne comporte pas de compteur de froid, ni souvent de compteur d’électricité dédié à climatisation. Si ces compteurs existent, ils ne sont pas lus de façon systématique.

 Depuis leur mise en œuvre, les installations ont parfois été considérablement modifiées (changement du groupe de froid, l’ajout d’un stockage, modifications du mode de distribution, remplacement des tours de refroidissement à cycle ouvert par des échangeurs de chaleur à cycle fermé, etc). Cela rend très difficile de rassembler l’information relative au coût d’investissement.

De façon similaire, certains bâtiments ont changé plusieurs fois de propriétaire, les documents détaillés relatifs aux investissements sur les systèmes techniques étant introuvable.

 Dans certains cas, s’ils ne sont pas simplement surchargés, les propriétaires ou gestionnaires des bâtiments semblent peu motivés à transmettre les informations relatives à leur consommation énergétique.

Collecte d’information centralisée, approche no1

Une approche de collecte centralisée et homogène de l’information a alors été projetée, en collaboration avec un bureau d’ingénieur spécialisé dans le suivi et l’optimisation de systèmes énergétiques du bâtiment.

Ce bureau aurait pu nous fournir des données de consommation électrique et de production de froid pour une vingtaine de bâtiments à Genève. Cette information aurait été complétée par un estimatif de coût d’investissement commandité à un bureau d’étude, puis par un estimatif de coût d’entretien commandité à une entrepris spécialisée.

Cette approche a été abandonnée pour les raisons suivantes :

 Le bureau possédant les données relatives aux aspects énergétiques nous a prévenus que les installations existantes étaient souvent surdimensionnées et/ou conçu avec une technologie ancienne. Dès lors, les relevés de consommation d’électricité et de production de froid n’allaient pas correspondre à l’installation moderne dimensionnée par l’ingénieur de climatisation.

 Si les données énergétiques étaient en principe assez complètes, que très peu de données semblaient être disponibles sur la structure et l’enveloppe du bâtiment, ainsi que sur son affectation, ce qui allait compliquer le dimensionnement de l’ingénieur de climatisation.

Collecte d’information centralisée, approche no2

La possibilité d’une collecte d’information centralisée a également été évaluée sur la base d’un rapport de recherche de l’Office fédéral de l’énergie, concernant l’analyse statistique des données de consommation énergétique de 128 bâtiments de bureaux, avec étude détaillée et proposition d’améliorations pour 19 de ces bâtiments (Aiulfi et al., 2009). Un contact avec l’un des auteurs de ce rapport nous a cependant rapidement convaincu qu’il serait difficile de remonter aux coûts d’investissement des systèmes de climatisation, essentiellement pour les raisons déjà évoquées plus haut.

3.3 – Conclusion

Peu de données semblent être (facilement) à disposition pour évaluer le coût total de la climatisation (investissement, énergie et maintenance). Cela est confirmé par un expert du développement de la climatisation au niveau européen (J. Rivière, communication personnelle), et corrobore le peu d’information trouvée à ce sujet dans la littérature.

(25)

22

Afin d’amener une réponse pertinente à cette question demeurée ouverte, une étude spécifique devrait être menée :

 en collaboration étroite avec des bureaux d’ingénieurs et gestionnaires de bâtiments.

 sur un laps de temps suffisant à la mise en place d’une méthodologie appropriée ainsi qu’à la collecte, puis à l’analyse de l’information.

 sur des bâtiments récents, pour lesquels les coûts d’investissements peuvent être clairement retracés.

(26)

23

4 – Bâtiments, confort d’été et rafraîchissement passif

4.1 – Introduction

L’objectif de ce chapitre est de passer brièvement en revue les spécificités du confort d’été, son lien avec les contraintes météorologiques et la conception des bâtiments, ainsi que le type de réponse possible en terme de climatisation active et de ressources / techniques de rafraîchissement passif.

4.2 – Confort d’été

En condition chaude, les standards usuels de confort, souvent limités à une température (23°C par exemple) et à une gamme d’humidité (40 – 60%), ne font pas l’unanimité. Ces normes sont souvent issues de tests en laboratoire et oublient des influences complexes comme le passé thermique récent, le futur thermique attendu et d’autres effets. Des travaux récents sur ces aspects convergent – en les précisant – vers des connaissances collectives et intuitives déjà anciennes (voir par exemple Brager et al, 1998 ; Busch, 1992 ; Gwyn, 1992 ; Dreyfuss, 1960).

Les acclimatations observées sont de trois ordres :

 L’ajustement des comportements (habillement, horaire et rythme de travail,…).

 L’acclimatation physiologique.

 L’acceptation psychologique.

La présence d’un système de climatisation dans un bâtiment renforce les attentes climatiques des occupants et modifie leur notion même de confort. La figure 1 montre les résultats d’une comparaison effectuée en Thaïlande (Busch, 1992). Elle porte sur le confort ressenti par 770 occupants de bâtiments tertiaire avec air conditionné et 376 occupants de bureaux avec ventilation naturelle. A une température intérieure de 28°C, la totalité des occupants sans climatisation ressentent la température comme acceptable alors qu’ils ne sont plus que 80% en environnement climatisé ; une température intérieure de 32°C est jugée unanimement comme trop chaude par les occupants de bureaux climatisés, alors qu’elle reste acceptable pour 60% des occupants de bureaux qui n’en sont pas pourvus.

Fig. 4.1: Acceptabilité thermique dans des bureaux climatisés et non-climatisés (Source : Busch, 1992).