Analyse comparative des consommations de chaleur pour la production d’eau chaude sanitaire estimées à partir de relevés mensuels: Etude sur un échantillon de bâtiments résidentiels collectifs alimentés par un réseau de chaleur à Genève

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Analyse comparative des consommations de chaleur pour la production d'eau chaude sanitaire estimées à partir de relevés

mensuels: Etude sur un échantillon de bâtiments résidentiels collectifs alimentés par un réseau de chaleur à Genève

QUIQUEREZ, Loic & Services industriels de Genève

QUIQUEREZ, Loic & Services industriels de Genève. Analyse comparative des

consommations de chaleur pour la production d'eau chaude sanitaire estimées à partir de relevés mensuels: Etude sur un échantillon de bâtiments résidentiels

collectifs alimentés par un réseau de chaleur à Genève. Genève : Services industriels de Genève, 2017, 13 p.

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Analyse comparative des consommations de chaleur pour la production d’eau chaude sanitaire estimées à

partir de relevés mensuels

Etude sur un échantillon de bâtiments résidentiels collectifs alimentés par un réseau de chaleur à Genève

Note technique

Loïc Quiquerez

Janvier 2017

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

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

Groupe Systèmes Energétiques

Institut Forel / Institut des Science de l’Environnement Uni Carl-Vogt – 66 bd Carl-Vogt - CH 1211 Genève 4

www.unige.ch/energie

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Table des matières

Cadre de l’étude ... 3

1. Introduction ... 3

2. Méthodologie ... 5

3. Caractéristiques de l’échantillon ... 7

4. Résultats ... 9

5. Conclusions ... 12

Remerciements ... 13

Références ... 13

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Cadre de l’étude

Cette étude est effectuée dans le cadre du partenariat établi entre les Services Industriels de Genève (SIG) et l’Université de Genève (UNIGE), dont l’objectif est de renforcer la collaboration entre les deux partenaires pour le développement de la filière académique dans le domaine de l’énergie, tout en permettant aux SIG de bénéficier de prestations d’expertise, de recherche et de conseils de l’UNIGE, notamment dans les domaines de l’efficience énergétique et de la production et distribution d’énergie.

1. Introduction

La consommation de chaleur des bâtiments résidentiels répond généralement à deux besoins : le chauffage des pièces et la fourniture de l’eau chaude sanitaire (ECS). Connaître la répartition des consommations énergétiques liées à ces deux usages devient aujourd’hui un enjeu important notamment pour identifier les potentiels liés à la rénovation énergétique des bâtiments. La difficulté réside dans le fait qu’il n’y a très souvent pas de compteur de chaleur permettant de séparer la consommation de chaleur nécessaire au chauffage de celle qui alimente les bouilleurs pour la préparation de l’ECS. A cela vient s’ajouter le fait que dans la plupart des bâtiments alimentés par des chaudières à gaz ou à mazout, le seul compteur énergétique est généralement situé en amont des chaudières (m³ de gaz ou litres de mazout). La consommation de chaleur pour l’ECS est dès lors très souvent estimée à partir d’indicateurs tels que la consommation par habitant (kWh/hab/an) ou la consommation par m² de surface de référence énergétique (kWh/m²/an).

Pour déterminer la demande d’ECS (énergie utile) dans les bâtiments résidentiels collectifs, la norme SIA indique une valeur de 20.8 kWh/m²/an [1]. Cette valeur n’inclut pas les pertes de stockage et de distribution qui ont lieu en amont du soutirage (figure 1). Dans la directive relative au calcul des indices de dépense de chaleur dans le canton de Genève, une valeur de 35.6 kWh/m²/an est donnée pour estimer la consommation d’énergie finale nécessaire à la production d’ECS [2]. Cette valeur, calculée à partir de la demande utile indiquée par la norme SIA, intègre cette fois non seulement les pertes de stockage et de distribution d’ECS (rendement de 65%), mais également des pertes de production (rendement de 90% entre l’énergie finale et la chaleur produite en sortie du transformateur). Cette directive considère donc que la chaleur requise pour alimenter les bouilleurs est de 32 kWh/m²/an.

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Figure 1: 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). Voir texte

Dans le canton de Genève, une analyse comparative des besoins réels d’ECS de 13 complexes de bâtiments résidentiels collectifs a été effectuée à partir des résultats de plusieurs suivis énergétiques réalisés par le groupe Systèmes Energétiques de l’Université de Genève [3]. En moyenne, on observe dans cette étude une demande utile d’ECS de 27.5 kWh/m²/an ou 1'077 kWh/hab/an. Dans les extrêmes, on trouve des maxima de 33.3 kWh/m²/an ou 1’176 kWh/hab/an, et des minima de 23.1 kWh/m²/an ou 843 kWh/hab/an. A noter que ces valeurs n’intègrent pas les pertes de stockage, mais qu’elles incluent probablement une partie des pertes de distribution.

Plusieurs études réalisées à partir de mesures in-situ ont permis de déterminer la consommation de chaleur pour la production d’ECS en amont des bouilleurs (pertes de stockage et de distribution incluses). Une étude sur une barre d’immeubles résidentiels des années 60 montre une consommation de 35 kWh/m²/an ou 1'377 kWh/hab/an [4]. Une autre étude sur 6 sous-stations alimentées par un réseau de chaleur de quartier indique une consommation moyenne de 41 kWh/m²/an ou 1'650 kWh/hab/an [5]. Enfin, un récent suivi énergétique de deux barres d’immeubles révèle des consommations de 33.8 et 28.0 kWh/m²/an, ou 1'351 et 1’191 kWh/hab/an (source : P. Hollmuller, Université de Genève, communications personnelles).

Dans la présente étude, l’approche adoptée consiste à estimer la consommation de chaleur pour la production d’ECS à partir de relevés mensuels de consommation de chaleur totale (ECS+chauffage) dans des bâtiments résidentiels raccordés à un réseau de chaleur. Cette approche offre l’avantage de pouvoir être entreprise relativement facilement à partir des données de facturation, sans que les bâtiments aient besoin d’être équipés de compteurs de chaleur spécifiques pour l’ECS. L’objectif principal est de comparer un nombre important de bâtiments sur la base d’indicateurs, puis d’analyser les relations entre la consommation de chaleur pour l’ECS estimée et les deux principales variables explicatives que sont la surface de référence énergétique (SRE) et le nombre d’habitants.

35.6 kWh/m²/an 32 kWh/m²/an 20.8 kWh/m²/an

(directive IDC Genève) (directive IDC Genève) (norme SIA)

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2. Méthodologie

L’analyse se base sur les relevés mensuels de consommation de chaleur de 61 sous-stations raccordées au réseau de chaleur CADSIG à Genève (données fournies par les SIG). La période analysée va de juin 2013 à juin 2014. Les compteurs de chaleur sont situés au niveau des échangeurs primaires séparant le réseau de chaleur primaire et les réseaux secondaires dans les bâtiments (figure 2). Toute la chaleur fournie aux bâtiments est ainsi comptabilisée, sans distinction entre ce qui est utilisé pour le chauffage ou la production d’ECS (figure 3). A noter qu’il n’y a, à notre connaissance, aucunes installations solaires thermiques sur ces bâtiments.

Figure 2 : Schéma typique d’une sous-station (source CGC-Energie)

Figure 3: Flux énergétiques mesurés et évalués dans cette étude Echangeur ECS

Distribution de chauffage

Réseau primaire

Réseau secondaire du bâtiment

Echangeur primaire

Flux énergétiques mesurés (compteurs de chaleur)

Flux énergétiques évalués dans cette étude

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Pour estimer la consommation de chaleur utilisée pour la production d’ECS, la méthode suivante a été utilisée :

• Dans un premier temps, la moyenne des consommations mensuelles des mois de juillet, août et septembre a été extrapolée sur les neuf autres mois de l’année (figure 4). Par hypothèse, il n’y a pas de demande de chauffage durant ces trois mois estivaux.

Figure 4 : Illustration, pour une SST du réseau CADSIG, de la façon dont est extrapolée la consommation moyenne des mois d’été (juillet, août et septembre) sur les neufs mois restants de l’année. Voir texte

• Dans un second temps, la quantité de chaleur annuelle reconstituée − somme des consommations des trois mois estivaux et des consommations extrapolées sur les neuf mois restants − a été multipliée par un facteur 1.11. Ce dernier se base sur l’analyse détaillée de six sous-stations équipées de compteurs de chaleur spécifiques sur la production d’ECS. Il correspond à la moyenne des rapports observés entre les consommations de chaleur annuelles pour l’ECS réelles mesurées et les consommations de chaleur annuelles pour l’ECS estimées par extrapolation des consommations estivales (tableau 1). La différence est liée au fait que la demande de chaleur pour la production d’ECS varie légèrement durant l’année. Elle est en effet moins importante en été, d’une part car la température de l’eau froide à chauffer est plus élevée, d’autre part car le taux d’occupation des logements est généralement plus faible en raison des départs en vacances.

SST1 SS2 SST3 SST4 SST5 SST6 Conso. annuelle réelle mesurée [MWh/an] 650 72 84 157 76 324 Conso. annuelle estimée par extrapolation

de la conso. estivale [MWh/an]

576 65 78 143 73 272

Rapport cons. réelle/conso. estimée [%] 113% 110% 108% 110% 104% 119%

Tableau 1 : Consommation de chaleur annuelle pour l'ECS mesurée vs estimée par extrapolation des consommations estivales des trois mois d’été. Données mesurées issues de [5]. Voir texte

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Trois indicateurs ont été retenus pour comparer les consommations annuelles d’ECS estimées des différentes sous-stations:

• la consommation par habitant (kWh/hab/an);

• la consommation par m² SRE (kWh/m²/an);

• la fraction ECS (%). Celle-ci représente le rapport entre la consommation d’ECS estimée et la consommation de chaleur totale. A noter que cette dernière a été corrigée pour prendre en compte l’effet du climat (correction appliquée sur la part dédiée au chauffage à l’aide des facteurs proposés par l’OCEN [6]).

Les données concernant les nombres d’habitants et les surfaces de référence énergétique proviennent du système d’information du territoire genevois [7]. Comme ces informations se rattachent au niveau du bâtiment, un travail a été nécessaire pour les agréger au niveau des sous-stations. En effet, ces dernières alimentent presque systématiquement plusieurs bâtiments. Cette agrégation a été réalisée à l’aide des plans du réseau de chaleur mis à disposition par les SIG.

3. Caractéristiques de l’échantillon

En tout, 61 sous-stations du réseau CADSIG ont été analysées. Elles alimentent 434 bâtiments (EGID), essentiellement dédiés au logement résidentiel collectif. Ces bâtiments ont principalement été construits entre les années 1960 et 1980 (figure 5). En l’occurrence, il s’agit notamment des cités suburbaines de Meyrin, Lignon, Libellules et Avanchets.

Figure 5: Caractéristiques des bâtiments alimentés par les sous-stations analysées

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La consommation de chaleur totale (ECS+chauffage) de l’ensemble de l’échantillon analysé se monte à près de 120 GWh/an, ce qui représente 5.4% de la demande de chaleur totale de tout le secteur résidentiel collectif du canton [3]. Les consommations par sous-stations sont variables selon la taille et le nombre de bâtiments alimentés (figure 6).

Figure 6: Distribution des consommations de chaleur annuelles (ECS+chauffage)

L’échantillon représente près d’un millions de m² SRE (environ 5.2% de la SRE totale du secteur résidentiel collectif dans le canton [3]) et 23'000 habitants. En moyenne sur l’échantillon, la SRE par habitant est de 43 m²/hab, ce qui est inférieur à la moyenne cantonale pour les bâtiments résidentiels collectifs, qui est de 53 m²/hab [3]. La figure 7 montre la distribution des densités d’occupation sur l’échantillon de sous-stations analysées.

Figure 7: Distribution des densités d’occupation (m²SRE par habitant)

En moyenne, la consommation de chaleur annuelle des sous-stations par m² SRE est de 120 kWh/m²/an (sans correction climatique). La figure 8 présente la distribution de l’ensemble de ces consommations (chauffage+ECS).

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Figure 8: Distribution des consommations de chaleur annuelles (chauffage et ECS) par m² SRE

4. Résultats

Par habitant, la moyenne des consommations de chaleur dédiées à la production d’ECS est de 1'481 kWh/hab/an. Les valeurs du premier quartile, de la médiane et du troisième quartile sont respectivement de 1'311, 1'474 et 1’580 kWh/hab/an (tableau 2).

Par m² SRE, la moyenne des consommations est de 35.7 kWh/m²/an. Les valeurs du premier quartile, de la médiane et du troisième quartile sont respectivement de 28.9, 33.9 et 42.4 kWh/m²/an.

Enfin, la moyenne des fractions ECS est de 27%. Les valeurs du premier quartile, de la médiane et du troisième quartile sont respectivement de 24, 27 et 30%.

kWh/hab/an kWh/m²/an Fraction ECS

Min 947 21.7 16%

1^er quartile 1’311 28.9 24%

Médiane 1’474 33.9 27%

3^ème quartile 1’580 42.4 30%

Max 2’352 56.8 36%

Moyenne 1’481 35.7 27%

Ecart-type 247.6 8.0 4%

Tableau 2 : Indicateurs relatifs à la consommation de chaleur pour la production d'ECS sur un échantillon de 61 sous-stations

En divisant la somme des consommations de chaleur dédiées à la production d’ECS par la somme des nombres d’habitants respectivement des surfaces de référence énergétique, on obtient des valeurs de 1'490 kWh/hab/an et 35.1 kWh/m²/an.

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Les distributions des trois indicateurs sont indiquées dans les figures 9, 10 et 11.

Figure 9 : Distribution des consommations de chaleur pour l’ECS par habitant

Figure 10 : Distribution des consommations de chaleur pour l’ECS par m² SRE

Figure 11 : Distribution des fractions ECS (consommation de chaleur pour l’ECS rapportée à la consommation de chaleur totale)

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La relation entre consommation de chaleur annuelle pour l’ECS et surface de référence énergétique est représentée dans la figure 12. La figure 13 présente la relation entre consommation de chaleur annuelle pour l’ECS et nombre d’habitants.

Figure 12: Consommation de chaleur pour la production d'ECS en fonction de la surface de référence énergétique

Figure 13: Consommation de chaleur pour la production d'ECS

en fonction du nombre d'habitants

L’analyse statistique indique que ces deux relations sont caractérisées par des corrélations de forte intensité (tableau 3). La corrélation est légèrement plus élevée avec le nombre d’habitants.

Variables / Indicateurs statistiques Coefficient de corrélation (R)

Coefficient de détermination (R²)

Ecart-type normalisé (écart-type / moyenne)

Surface de référence énergétique 0.91 0.83 0.24

Nombre d’habitants 0.97 0.93 0.17

Tableau 3 : Indicateurs statistiques des relations entre la consommation d’ECS et deux variables explicatives : la SRE et le nombre d’habitants

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D’autre part, on observe une certaine corrélation (coefficient de corrélation de -0.67) entre la consommation de chaleur spécifique pour la production d’ECS (kWh/m²/an) et la densité d’occupation (m²/hab) (figure 14). Cela tend à indiquer que le nombre d’habitants est une variable explicative plus pertinente.

Figure 14: Relation entre la consommation de chaleur dédiée à la production d’ECS par m² et la densité d’occupation

5. Conclusions

La consommation de chaleur pour la production d’ECS (en amont des bouilleurs, pertes de stockage et distribution incluses) a pu être estimée à partir de relevés mensuels de consommation de chaleur totale sur un échantillon de 61 sous-stations alimentant 434 bâtiments résidentiels collectifs essentiellement construits entre les années 1960 et 1980.

En valeur médiane, la consommation de chaleur pour la production d’ECS par habitant (1'474 kWh/hab/an) ou par m² SRE (33.9 kWh/m²/an) est relativement proche des résultats issus de suivis énergétiques détaillés sur quelques barres d’immeubles résidentiels dans le canton de Genève. La part de cette consommation dans la consommation de chaleur totale des bâtiments représente 27% (valeur médiane).

La consommation d’ECS par m² en valeur médiane est également proche de la valeur utilisée dans la directive relative au calcul de l’IDC à Genève pour les bâtiments résidentiels collectifs (32 kWh/m²/an). Cette dernière est calculée en divisant la demande utile d’ECS normée de la SIA (20.8 kWh/m²/an) par un rendement de stockage et distribution de 65%.

Notons cependant que la valeur normée de la SIA diffère sensiblement de la demande utile

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moyenne issue d’un benchmark réalisé sur 13 complexes de bâtiments résidentiels collectifs dans le canton de Genève (27.5 kWh/m²/an).

Finalement, l’analyse statistique des relations entre les consommations de chaleur pour l’ECS et les deux principales variables explicatives (nombre d’habitants et surface de référence énergétique) démontre de très bonnes corrélations. La corrélation est toutefois légèrement meilleure avec le nombre d’habitants.

Remerciements

Un grand merci est adressé aux Services Industriels de Genève pour la mise à disposition des données nécessaires à la réalisation de cette analyse.

Références

[1] Norme SIA 380/1: 2009, “L’énergie dans le bâtiment”, 2009.

[2] OCEN (office cantonal de l’énergie), “Directive relative au calcul de l’indice de dépense chaleur”, Genève, 2012.

[3] J. Khoury, “Rénovation énergétique des bâtiments résidentiels collectifs: Etat des lieux, retour d’expérience et potentiels du parc genevois”, Université de Genève, 2014. [Thèse de doctorat]. Accessible depuis: https://archive-ouverte.unige.ch/unige:48085

[4] F. Mermoud, J. Khoury et B. Lachal, “Suivi énergétique du bâtiment 40-42 de l’avenue du Gros-Chêne à Onex (GE), rénové selon le standard MINERGIE”. Collection Terre&Environnement, Vol. 109, Genève, 2012. Accessible depuis: http://archive- ouverte.unige.ch/unige:23005

[5] J. Faessler, Hollmuller P., F. Mermoud et L. Quiquerez, “Réseaux thermiques multi- ressources, efficients et renouvelables: Retour d’expérience sur la rénovation de la chaufferie de quartier Laurana-Parc à Thônex”, Genève, 2016.

[6] OCEN (office cantonal de l’énergie), “Degrés-jours à Genève depuis 1992”, Genève, 2016.

[7] SITG, Système d’information du territoire à Genève. Geodata. URL: http://ge.ch/sitg/, consulté le 15 octobre 2015.