Calcul détaillé des consommations
1. Caractérisation des bureaux
Les contours des bâtiments de bureaux ont été dessinés manuellement sur QGis (voir Figure 1). Sur ce même logiciel, les formes géométriques ont été caractérisées par différents attributs. Via Google Street View®, les pourcentages de surfaces vitrées et les nombres d’étages de bureaux ont été répertoriés. Enfin, les hauteurs des bâtiments ont été estimées à partir des informations contenues dans la base de données BDTOPO® (IGN, 2014-2015).
Le fichier de forme ainsi obtenue est exploité afin de déterminer les surfaces de déperditions thermiques et les surfaces utiles. Les surfaces utiles sont elles-mêmes utilisées pour estimer les effectifs de personnes présentes dans les bureaux. Pour cela, un ratio de 25 m² par salarié est considéré (ARENE, 2009).
Figure 1 : Identification des bâtiments de bureaux
2. Propriétés thermiques des parois de bâtiments
Les propriétés thermiques des braiments se basent sur des coefficients de déperdition tels que ceux proposés dans la méthode 3CL-DPE (Méthode 3CL-DPE v1.3). Cette méthode a été développée pour le résidentiel, elle s’appuie sur l’évolution de réglementations thermiques et des technologies disponibles. Certaines valeurs de référence contenues dans cette méthode sont reprises ici.
Les bâtiments sont supposés être réalisés en façades rideau. Les façades rideau sont des façades légères non porteuses, ajoutées sous forme de panneaux préfabriqués.
Les façades rideau sont composées de panneaux vitrés. La plupart du temps, une partie des panneaux est opaque, cette partie peut-être isolée de l’intérieur. Autant pour la partie opaque que pour la partie transparente, les réglementations thermiques s’appliquent de la même manière que pour les logements. Cependant, un niveau technologique et un taux de rénovation plus élevé que pour les logements, ainsi que des contraintes liées à la sécurité, impliquent l’utilisation de vitrages spécifiques. Afin de prendre en compte ces spécificités, un coefficient U de façade rideau non isolé de 2 W/(K.m²) est retenu.
Les planchers non isolés sont supposés donner sur un local sanitaire et les toitures sont pour la totalité en terrasse. Les coefficients U des murs, planchers et toitures isolés sont issus de la méthode 3CL en fonction de l’année de construction des bâtiments. L'année de construction des bâtiments de bureaux du quartier est estimée autour des années 2000. Afin de prendre en compte l’avance technologique des bâtiments de bureaux par rapport au résidentiel, l’ensemble des bâtiments est supposé avoir été construit après les années 2000 (dernière tranche dans la méthode 3CL).
Les proportions de murs, toitures et planchers isolés sont estimés selon les données de l’étude ARENE (ARENE, 2009).
3. Infiltrations d'air et ventilation
L'infiltration d'air est calculée en utilisant le modèle proposé par l'ASHARE (Ashrae Handbook , 2013).
Afin de représenter la perméabilité des façades rideau, le n50 est fixé à 2 vol.h-1. De plus, les établissements sont supposés être assimilables à des bâtiments de 10 étages. L’exposition au vent est supposée être de niveau 4. Selon ces hypothèses, un débit moyen de 0.16 vol.h-1 est attribué aux établissements de bureaux.
En ce qui concerne la ventilation, le code du travail (article R.4222-6), impose des débits d’air neuf minimum : 25 m3/h/personne dans les bureaux et 30 m3/h/personne dans les locaux de réunion. Le modèle Smart-E tertiaire prend en compte un débit moyen de 27 m3/h/personne. En reprenant les hypothèses d’une occupation maximale correspondant à une personne tous les 25 m², d’un taux d’occupation de 80% et d’une hauteur sous plafond de 2.5 m, le débit moyen d’hygiène est calculé comme un taux de renouvellement du volume d’air de 0.35 Vol/h.
Dans le cas ou le système de ventilation n’est pas connu, la méthode simplifiée disponible dans la norme (AFNOR, 2004) suggère de prendre comme débit d’air moyen total, le maximum entre le débit d’infiltration moyen et le débit d’hygiène.
La ventilation mécanique est supposée fonctionner en système tout ou rien, selon les périodes d’occupation (taux d'occupation > 5%) et d’inoccupation (taux d'occupation < 5%).
3. Occupation
L’occupation des établissements est calculée à partir de « L’enquête Emploi du temps » réalisée par l’Insee entre septembre 2009 et septembre 2010 (INSEE, 2010). Parmi les questionnaires distribués, se trouve un semainier de travail à destination des personnes considérées comme actives. Dans ce questionnaire sont renseignées les plages horaires travaillées au cours d’une semaine. 4 726 semainiers ont été collectés.
Sur une semaine, les personnes indiquent les moments travaillés par pas de 15 minutes, hors temps de repas, pauses et temps de trajets du domicile au lieu de travail. Il s’agit à la fois des heures effectuées sur le lieu de travail habituel et celles effectuées au domicile, sans que ces lieux ne puissent être distingués. Les personnes précisent si la semaine renseignée est une semaine normale de travail (73,4% des semainiers), une semaine de congés (8,9%), une semaine chômée (0,6%), ou un autre type de semaine (ex : travail et congés) (17,1%).
A partir de ces données, une semaine type d’occupation des bureaux (congé et arrêts maladie exclus) est calculée.
Pour chaque mois, un facteur correctif de prise en compte des congés est calculé à partir de la table individu de l’enquête emplois du temps. Dans cette table est renseigné, pour chaque actif, le type de la journée enquêtée. Selon la répartition ainsi définie, le nombre de congés moyen pris sur une année (estimé à 40) est réparti sur chaque mois.
Comme pour les jours de congé, les jours d’arrêts maladie sont pris en compte avec un facteur de correction lié au nombre de jours d’arrêt maladie moyen pris dans le mois, répartis entre les jours ouvrées de ce même mois. Le nombre de jours d’arrêts maladie moyen pris sur une année est fixé à 11 (http://www.malakoffmederic.com/groupe/blobs/medias/s/2bdbcc541820004d/2015-09-08-CP_Etude-Absenteisme-.pdf) .
Le taux d'occupation moyen des bâtiments de bureaux est représenté en Figure 2.
Figure 2 : Courbe d'occupation moyenne des bâtiments de bureaux
4. Éclairage
Les consommations d’éclairage sont modélisées à partir de courbes de charges associées aux différents espaces des bâtiments de bureaux (Enertech, 2004). Ces courbes de charge sont supposées avoir des facteurs de dépendance linéaire à la courbe d’occupation différents: 85% pour les bureaux isolés, 50% pour les bureaux paysagés, 30% pour les couloirs, 70% pour les locaux communs.
Pour chaque type de local, les ratios de puissance installée par surface utile, servent de variables d’ajustement : ils sont calculés pour que l’énergie consommée en éclairage pendant une année d’occupation moyenne (calculée à partir des semainiers), soit égale aux valeurs observées dans l’étude de Enertech (Enertech, 2004). Les valeurs retenues sont affichées en Tableau 1.
La puissance surfacique appelée par l'éclairage ainsi calculée est présentée en Figure 3.
Tableau 1 : Puissances surfacique d’éclairage installées, calculées à partir des quantités d’énergie consommées moyennes, issues de l’étude (Enertech, 2004 )
Figure 3 : Puissance surfacique de l'éclairage
5. Appareils électriques
La puissance appelée par les appareils électriques (principalement matériel informatique) est calculée de manière à obtenir, pour une occupation moyenne (Figure 2), une consommation de 878 kWh/(m².personne) (valeur issue de l’enquête [ENE 2004]). Le facteur de puissance installée est utilisé comme variable d’ajustement. 70% de la consommation est supposée linéairement corrélée à l'occupation et 30% est supposé ne pas dépendre du taux d'occupation (serveurs, veille). La puissance moyenne appelée par les appareils électriques est présentée en Figure 4.
Figure 4 : Puissance surfacique moyenne appelée par les appareils électriques
6. Gains liés à l’ensoleillement
Les gains d’ensoleillements sont particulièrement importants pour le calcul des besoins de climatisation. Afin d’estimer ces gains, la surface apparente de chaque bâtiment est calculée selon l’angle d’incidence du soleil, en prenant en compte les masques liés aux autres bâtiments. En Figure 5 est affichée une représentation 3D de la projection du quartier d’étude selon un zénith de 45° et un azimut de 180° (sud). Pour le bon fonctionnement de l'algorithme de projection, les bâtiments sont découpés en volumes convexes.
Ainsi les gains sont estimés en multipliant les surfaces apparentes par le flux solaire direct.
Les gains provenant de l’ensoleillement diffus sont calculés en supposant cette irradiation répartie de manière isotrope sur la demi-sphère céleste.
En figure 6 est représentée une cartographie de l'ensoleillement direct et diffus reçus par les toits du quartier d'étude.
Afin de calculer les gains solaires internes et externes au bâtiment, les surfaces apparentes des toitures sont différenciées des surfaces apparentes des murs et les ratios de surface vitrée (issus d'observations) sont pris en compte . Les coefficients de réflexion sont fixés à 0.4 pour les surfaces opaques et 0.3 pour les surfaces vitrées.
Figure 5 : Projection du quartier sous un angle (Azimuth :180°, Zenith : 45°)
Figure 6 : Cartographie de ensoleillement des toits du quartier
7. Données météo
Les données météo sont issues du logiciel Meteonorm® et contiennent pour chaque département, des données horaires sur une année type. Les paramètres utilisés sont la température extérieure, le flux solaire diffus et le flux solaire direct.
8. Systèmes de climatisation
La climatisation est supposée être assurée par des groupes de production d’eau glacée. Le modèle empirique REFLIQ (Roujol, 2003) a été utilisé. Ce modèle se base sur des données constructeur et estime la puissance électrique appelée par le système pour des conditions qui peuvent être non nominales et à charge partielle. Le paramétrage est réalisé grâce aux valeurs par défaut présentées dans la thèse (Duplessis, 2008). Ainsi sont modélisés des groupes froids avec condenseur à air et compresseur de type vis. Les groupes sont supposés avoir une puissance frigorifique nominale de 509 kW, un EER nominal (Energy Efficiency Ratio) de 5 et un paramètre de charge partielle Kcp égal à 1.
L'histogramme des consommations annuelles en climatisation des bâtiments de bureaux est présenté en Figure 7.
