La nouvelle étape du bâtiment vert sera le bâtiment intelligent, équipé de systèmes de pilotage intelligents pour optimiser en temps réel sa consommation d’énergie. Les premiers signes visibles de cette
(r)évolution apparaissent aujourd’hui, favorisés par la baisse du coût des technologies d’automatisation du bâtiment, les réglementations européennes qui imposent leur utilisation et le développement des Smart Grid. Surtout, on voit émerger de nouvelles solutions “d’intelligence énergétique” basées sur la convergence Internet et les technologies logicielles issues du monde de l’IT.

Prenez un bâtiment: si vous lui appliquez une enveloppe performante, sa consommation d’énergie peut baisser de moitié. Si vous l’équipez d’installations techniques performantes, vous pouvez également réduire sa consommation de moitié. Si en outre, vous le dotez de systèmes de contrôle-commande et de pilotage intelligents, la consommation peut encore diminuer de moitié. En cumulant ces trois niveaux d’actions, un bâtiment peut ainsi réduire ses coûts d’énergie de près de 90%. Ce troisième pilier est le moteur qui tire la croissance du marché du bâtiment intelligent: la qualité du bâti, avec une bonne isolation et des vitrages performants, associée à des équipements techniques modernes ne peuvent suffire à faire qu’un bâtiment soit faible consommateur. C’est une base de départ, mais il faut aussi gérer la manière dont il est occupé et exploité.

Eliminer les consommations inutiles

Or le constat est sans appel: selon une étude d’IBM, 50% de l’énergie et de l’eau qui entrent actuellement dans un bâtiment sont gâchés. C’est que les immeubles standards consomment beaucoup d’énergie non nécessaire, pour l’éclairage, le chauffage, la climatisation, la ventilation, etc. Tout cela, sans aucune attention portée au nombre d’occupants d’une pièce ou aux conditions ambiantes. Quant aux bâtiments à faible consommation d’énergie nouvellement construits, ils ne sont pas mieux lotis: ils perdraient de 10 à 20% de leur efficacité énergétique après une année d’exploitation. Le bâtiment intelligent est donc avant tout la question d’un usage intelligent des installations techniques qui l’équipent. L’objectif est d’agir à tous les niveaux et d’apporter l’énergie là où il faut, quand il faut et juste ce qu’il faut pour atteindre la meilleure performance dans le respect du confort et des besoins des usagers et tenant compte des équipements en place. Il s’agit ainsi, d’adapter le fonctionnement du bâtiment à la présence ou l’absence des occupants en assurant une intermittence du chauffage, de l’éclairage, de la ventilation tout en exploitant au mieux les apports gratuits (lumière naturelle, apports solaires de l’hiver) et en favorisant l’appel aux énergies renouvelables quand elles sont disponibles. Mais aussi d’optimiser le fonctionnement des installations techniques, en privilégiant leur gestion intégrée. Et last but not least, de piloter le bâtiment en anticipant ses besoins, en fonction des conditions météorologiques et du prix des énergies.

Pas de bâtiment performant sans “automatismes”

Réaliser ces objectifs ne peut se faire sans la technologie et les outils de pilotage. En premier lieu, il s’agit d’équiper le bâtiment d’automatismes et de systèmes de contrôle-commande qui vont permettre à la fois de réduire les consommations d’énergie et de maintenir ou d’améliorer le confort des occupants. Le système de gestion du bâtiment va pouvoir piloter les différents automatismes du bâtiment (protections solaires, ouvertures des baies, eau chaude sanitaire, éclairage, ventilation, chauffage, refroidissement, etc.) et adapter son fonctionnement en fonction de la présence ou l’absence des occupants, mais aussi optimiser sa performance tenant compte des conditions climatiques intérieur et extérieur. C’est la première base de l’édifice. Et les potentiels sont énormes! Un exemple? La gestion de la ventilation. Une étude montre qu’une salle de réunion est en moyenne occupée à 50% du temps et à 50% de sa capacité d’accueil. Ainsi, entre un système de ventilation qui est capable d’adapter les débits à la présence et au nombre d’occupants et un système de ventilation qui tournerait simplement en débit constant pendant la période d’occupation, les gains peuvent aller de 1 à 4 sur les besoins de chauffage, éventuellement de refroidissement et la consommation des auxiliaires pour l’espace concerné.

Penser l’interaction

En second lieu, au fur et à mesure que l’on développe les automatismes, il faut assurer leur interaction optimale, le bâtiment étant un système global interagissant. Par exemple, une meilleure gestion de l’éclairage entraînera des besoins en chauffage accrus mais une diminution des besoins de refroidissement. On ne peut donc pas “isoler” les différents postes de consommation et les traiter d’une manière séparée, le système de gestion doit permettre une approche intégrée. De fait, ce sont tout particulièrement les fonctions d’automatisation combinant de façon intégrée les différents systèmes techniques du bâtiment qui débouchent sur les plus grands potentiels d’économie d’énergie. Une recherche de l’université de Brême, montre ainsi dans quelles proportions les économies d’énergie sont possibles grâce à une automatisation intégrée du chauffage et de l’éclairage. Elle a pris comme terrain d’expérimentation le nouveau centre d’informatique et de technique de média (ZIMT) qui est équipé d’un système de contrôle-commande KNX pour le pilotage du chauffage et de l’éclairage. La conception technique du bâtiment situe sa consommation spécifique dans une plage de 60 à 75 kWh/m2/an. Il s’agit donc d’un bâtiment déjà performant. Deux salles de classe identiques ont été choisies comme pièces test. L’une d’elle dispose d’une installation classique et la seconde est équipée du système de commande KNX permettant d’asservir l’éclairage et le chauffage à la présence d’occupants et aux conditions ambiantes. Suite à une série de mesures relevées sur une période de quatre ans, il est apparu que, dans la salle équipée d’un système de commande KNX, la consommation d’énergie est réduite de 50%.

Des systèmes moins coûteux et interopérables

Ces fonctions d’automatisation ne sont possibles qu’à l’aide d’une gestion moderne de la technique du bâtiment sur la base des systèmes de bus de terrain et de communication. Les grands fabricants d’automatismes proposent ainsi des systèmes de gestion technique du bâtiment (GTB) qui permettent de commander tous les équipements techniques de mesure et contrôle-commande à partir d’une seule station de travail: régulation CVC, éclairage, stores, ouvertures des ouvrants, contrôle d’accès, distribution d’énergie, etc. La structure du système est simple, mais demande un bâtiment totalement interconnecté via un réseau de communication, avec ou sans fil. Ces réseaux de communication ainsi que tous les équipements et logiciels réunis dans une installation de GTB doivent cependant parfaitement communiquer et fonctionner ensemble. Cette interopérabilité des systèmes et des équipements est la condition sine qua non à une gestion optimale du bâtiment. Pour que des automates, capteurs, actionneurs, etc. puissent s’échanger des informations, ils doivent en effet parler le même langage. Auparavant, chaque constructeur avait son propre langage. Il n’était ainsi pas simple de faire communiquer un automate Siemens avec un automate Honeywell, par exemple. Le marché a heureusement évolué ces dernières années vers une offre standardisée. Aujourd’hui, trois protocoles de communication dominent le marché: LonWorks, BACnet et KNX précédemment cité. Ces trois protocoles sont devenus des normes EN, ISO ou les deux. Ces bus techniques sont des langages que l’on transporte sur des réseaux physiques de communication qui peuvent être de différentes sortes: files en paires torsadées, courant porteur, infrarouge, radio HF, fibres optiques et réseau informatique TCP/IP sur Ethernet. Ils sont en outre aujourd’hui interopérables entre eux, via des passerelles de communication. Tous les grands fabricants proposent aujourd’hui des équipements fonctionnant sur ces bus de communication standardisés et ouverts, ce qui favorise une interopérabilité entre les produits des différents constructeurs sur un même réseau. On peut donc aujourd’hui construire un réseau de communication, relié ou non au réseau informatique de l’entreprise, permettant aux systèmes intelligents de divers manufacturiers d’échanger leurs données et de coordonner les opérations des équipements de sorte à obtenir le meilleur rendement possible au sein d’un immeuble donné. Ils permettent aux propriétaires et gestionnaires de bâtiments de mieux maîtriser les coûts associés à l’acquisition, l’ingénierie et la maintenance des solutions logicielles de supervision et d’assurer leur pérennité dans le temps. Le choix d’un protocole dépendra du type de bâtiment, de l’analyse fonctionnelle et des besoins techniques, de la volonté ou non de standardiser ses divers bâtiments sous un même protocole afin de réduire les coûts. Dans le domaine du grand tertiaire, LonWorks et BACnet se disputent la suprématie, tandis que KNX se destine plus volontiers au petit tertiaire.

Emergence de l’intelligence énergétique

Reste qu’un automatisme est un système qui fonctionne avec des capteurs, applique un algorithme, permet des analyses… En soi, ce n’est pas de l’intelligence. Le bâtiment ne devient véritablement intelligent qu’à partir du moment où sa consommation d’énergie est mesurée (capteurs) et contrôlée grâce à des systèmes de “monitoring” qui interviennent en complément des automates. Ce n’est qu’à partir de ces flux d’informations, que les besoins en énergie peuvent être optimisés. Si les équipementiers intègrent désormais systématiquement la mesure et le contrôle à l’ensemble de leurs équipements, on assiste en parallèle à l’émergence d’une “intelligence énergétique”. Sous cette dénomination est regroupé l’ensemble des solutions d’optimisation, en temps réel, des consommations d’énergie dans les bâtiments et les procédés industriels. Il s’agit avant tout de logiciels, connectés aux matériels de contrôle-commande qui permettent la collecte des données, leur analyse et le contrôle en temps réel sur les installations consommatrices et sur plusieurs sites en même temps. Ce sont surtout des PME qui se sont lancées sur ce créneau. L’une des premières est la startup française Ergelis, créée en 2004. “Dans un monde idéal”, décrit son fondateur, “une bonne gestion de l’énergie consisterait à voir quels sont les besoins des occupants d’un bâtiment (éclairage, chaud, froid, renouvellement de l’air) puis à se demander, à tout moment, quelle est la meilleure manière de satisfaire ces besoins, avec les équipements dont on dispose, en minimisant la facture. Et bien, nous avons développé un logiciel informatique innovant, spécifique à notre activité, qui se pose exactement cette question-là.” Le régulateur relais qu’elle installe et raccorde à tous les équipements HVAC permet de créer un système de gestion des installations à distance sur internet. Cette installation ne perturbe pas l’exploitation du bâtiment puisqu’il n’y a aucuns travaux. La mise en place du système dure de 3 à 6 mois durant lesquels Ergelis teste la communication entre le régulateur et les équipements. Une fois le système opérationnel, les techniciens d’Ergelis peuvent alors gérer à distance le déclenchement des équipements qu’ils optimisent en étudiant les données de température et la consommation énergétique de chacun d’entre eux. Le système est ainsi chargé d’analyser quotidiennement un certain nombre de paramètres, fixes (caractéristiques du bâtiment et des équipements) et variables (exigences des utilisateurs, prévisions météorologiques, prix de l’énergie), afin d’établir le scénario de consommation optimal au cours de la journée. Il pilote alors, à distance, les principaux équipements consommateurs et éventuellement producteurs d’énergie, en direct ou via la GTB existante, à travers les régulateurs relais connectés par modem au serveur central qui se trouve dans les locaux d’Ergelis. Résultat: une facture allégée de 10 à 20%.

Une mauvaise gestion de systèmes pourtant performants

La société a déjà conquis plusieurs grands clients. Son succès repose sur un constat: disposer d’un système de gestion technique du bâtiment n’assure pas forcément d’une plus grande efficacité énergétique. Ainsi, malgré des outils très performants permettant de programmer le chauffage au jour et à l’heure voulus, de modifier la température selon le profil de l’occupant ou de la zone d’activité, de varier le débit d’air, de rafraîchir,… il y a un manque d’analyse fonctionnelle des besoins des usagers et du bâtiment couplé à une mauvaise gestion de ces systèmes. De gros gisements d’économies sont encore exploitables en ne faisant fonctionner par exemple les auxiliaires que lorsqu’ils doivent fonctionner et non pas en permanence comme c’est souvent le cas. Sans compter le nombre de dysfonctionnements difficilement détectables: un ventilateur qui débite sur des clapets fermés, un puits canadien qui fonctionne la nuit au lieu de fonctionner en journée, etc. Le défaut de pilotage des installations est un problème qui occasionne à lui seul 30 à 40% de surconsommation. Une marge de progression qu’entend exploiter Ergelis. Lorsque la solution lui a été présentée fin 2009, François Berthier, Directeur des services généraux du groupe parapétrolier Technip était sceptique. L’entreprise occupe une tour de 40 étages (54.000 m2) sur le site de Paris la Défense où travaillent plus de 2.000 collaborateurs. “Nous avions déjà réalisé beaucoup d’efforts d’optimisation sur nos consommations électriques, notamment les groupes de froid”. La solution a pourtant été installée, Ergelis s’engageant sur la performance. “Quand on a fait le bilan en janvier 2011, j’étais bluffé par le résultat obtenu”, précise-t-il! Les gains se montent à 10% sur la consommation totale de la tour! Des résultats principalement obtenus sur une meilleure exploitation des centrales de traitement d’air et des ventilo-convecteurs.

Gestion intelligente via le réseau Internet

Ergelis n’est pas le seul acteur à s’être développé sur ce créneau. Plus près de nous, la société luxembourgeoise e-coloME propose depuis peu une application similaire de supervision intelligente à distance via le Web (lire notre article en page 29). Celle-ci est basée sur la technologie “Blue Building Box” mis au point par sa société sœur All In Technologies. Ici aussi, il s’agit d’un régulateur intelligent capable de raccorder les équipements techniques de divers fabricants en supportant pratiquement tous les protocoles de communication et en intégrant les facilités de communication, de régulation et de gestion des données disponibles sur le Web à l’aide des services Internet. Grâce à la mise en place de ses régulateurs, la société annonce avoir réalisé des projets d’optimisation allant jusqu’à 35% d’économies d’énergie sans remplacement des installations ou de la technologie existantes dans des bâtiments de tous genres. Comme Ergelis, e-coloME est susceptible de s’engager sur les résultats atteignables, partie intégrante de son service. Cette approche d’une solution décentralisée et accessible sur Internet, avec des services associés sera la clé de la concurrence demain. Et la tendance devrait s’accentuer. D’une part, les infrastructures du bâtiment convergent vers le protocole de communication IP, en lieu et place des bus de terrain propriétaires, tandis que de plus en plus d’équipements d’automatisation embarquent un serveur Web et communiquent leurs données de mesure sous la forme de service Web. Et, dans la foulée d’un Ergelis ou d’un e-coloME, tous les grands équipementiers de l’automatisation du bâtiment tendent aujourd’hui eux aussi à rendre accessibles leurs solutions de supervision en mode SaaS (Service as a Software). Chez Schneider, elle sera basée sur la plate-forme de Vizelia, un développeur d’outils logiciels de monitoring et de gestion énergétique que l’équipementier a racheté fin 2010. Mais chaque constructeur fourbit ses armes. Siemens a racheté l’an dernier Site Controls, une start up spécialisée dans la gestion intelligente du bâtiment tandis que Johnson Controls vient de reprendre EnergyConnect, un éditeur spécialisé dans les applications d’effacement diffusées via le web. Cette décentralisation devrait permettre au sein d’un parc hétérogène de bâtiments de gérer avec la même application les petits sites, les sites moyens (pour lesquels les solutions de gestion centralisée actuelles sont trop onéreuses) et les sites importants. Un atout de taille pour les gestionnaires multi-sites qui peuvent réduire leurs coûts d’exploitation. Dans le secteur des supermarchés par exemple, l’investissement nécessaire pour la solution Ergelis revient à 10.000 € par surface commerciale de 2.000 m2, sans changement de matériel HVAC pour 10 à 15% d’économie d’énergie et un ROI inférieur à 2 ans. Il faut compter un forfait annuel de maintenance allant de 2 à 3.000 € par point de vente. Le service proposé par e-coloME s’annonce encore moins cher.

Des bâtiments Smart Grid Ready

Mais les économies produites par ces nouveaux applicatifs de pilotage ne sont pas seulement le fruit d’une réduction des gaspillages. On parle en effet de plus en plus de Smart Grid, de délestage, de limitation des appels de puissance, de courbes de charges, d’une meilleure intégration de la production d’électricité renouvelable et de l’intégration des véhicules électriques au réseau de l’entreprise… En gérant le profil temporel de consommation au plus près et en temps réel, mais aussi en anticipant les pointes de consommation, notamment en intégrant les prévisions météorologiques, ces solutions “intelligentes” permettent de mieux gérer tout cela afin d’ajuster de façon dynamique la demande à l’offre disponible, le tout sans nuire au confort des occupants. Il devient ainsi possible de négocier de meilleurs prix d’achat des énergies avec son fournisseur mais aussi de mettre en place des stratégies de délestage ou de gestion de la pointe électrique. Et donc de réduire sensiblement le coût des kWh achetés. Ces stratégies de délestage sont déjà intégrées dans une offre de services comme celle d’Ergelis dont le système est capable de déplacer la pointe de façon diffuse, mais aussi d’arbitrer l’approvisionnement électrique entre différents contrats de fourniture. Au delà, le “smart building” apparaît ainsi comme la première “killer apps” des Smart Grid, les futurs réseaux électriques intelligents. Ce sera particulièrement vrai dans le secteur des bâtiments non résidentiels, leur impact énergétique étant un levier important pour l’effacement électrique. Connectés aux réseaux électriques de demain, les bâtiments pourront ainsi s’adapter, voire s’effacer à la demande de l’énergéticien. Mais aussi tirer parti des tarifications dynamiques qui verront le jour sur le marché de la fourniture électrique.

Une voie royale dans le neuf comme l’existant

On le voit, le marché des bâtiments intelligents est encore émergent mais il murit à grande vitesse et va connaître dans les années à venir un essor important. D’une part, le coût des technologies d’automatisation a largement baissé (elles représentent aujourd’hui environ 4 à 5% du coût de construction d’un bâtiment) et elles peuvent aujourd’hui se développer dans les bâtiments de plus petites tailles. Le nombre de bâtiments neufs équipés de fonctions de ce type devrait augmenter de façon notable dans les prochaines années, stimulées par les réglementations européennes. Même ceux de moins de 1.000 m2 intégreront ces fonctions intelligentes qui deviennent indispensables. Quant aux bâtiments existants, l’automatisation apparaît là aussi comme une voie royale pour améliorer leur performance énergétique à court et moyen terme. Car s’il est possible aujourd’hui de rénover un bâtiment existant à des standards basse consommation, au vu des moyens financiers colossaux qui seront à mobiliser et du fait de l’impact de la rénovation sur l’occupation des bâtiments, une modernisation massive du parc immobilier n’est envisageable que sur le long terme. Une partie des bâtiments ne pourra pas être rénovée même sur le long terme pour des raisons économiques, historiques et/ou culturelles. Il nous faudra donc vivre encore plusieurs décennies avec un parc insatisfaisant du point de vue de la performance énergétique à moins de les moderniser avec des équipements d’automatisation et des systèmes de gestion technique intelligents, correctement intégrés et utilisés de façon optimale. Une estimation allemande donne une idée du potentiel atteignable. La consommation d’énergie primaire pour le chauffage des bâtiments s’élève en Allemagne à 920 TWh (térawatt/heure). Plus de la moitié (environ 60%) est absorbé par le secteur non résidentiel, parc immobilier dans lequel il est très pertinent de déployer ces technologies. En se basant sur la norme EN15232 qui permet de quantifier l’impact de l’automatisation de la régulation sur la performance énergétique des systèmes de chauffage, il serait techniquement possible de réaliser 20% d’économie, soit environ 110 TWh, et une économie d’énergie primaire, rapportée à la consommation globale, de l’ordre de 12%. Ce qui permettrait de réaliser une grande partie de l’objectif d’efficacité énergétique que fixe l’Europe d’ici 2020.