Les défis énergétiques et opérationnels des bâtiments face à la pandémie COVID-19 (suite)

Rédigé par les membres du comité technique du DÉI

Le présent article est le 2e d’une série portant sur les défis que rencontrent les gestionnaires de bâtiments face à la pandémie de COVID-19. Le premier article publié le 22 octobre 2020 présentait les constats des six premiers mois de la pandémie en lien avec l’occupation des bâtiments, la consommation d’énergie et les changements opérationnels qui ont été nécessaires afin d’adapter les bâtiments à cette situation sans précédent. L’article présentait également les recommandations de l’American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditionning (ASHRAE) visant à mitiger les risques de transmission du coronavirus par une opération adéquate des systèmes de ventilation. Une année après le début de la pandémie, on constate plus que jamais que certains employeurs envisagent de permettre davantage le télétravail dans le futur. En effet, plusieurs envisagent de répartir plus ou moins également le temps des employés entre le travail au bureau et le télétravail. Cette nouvelle normalité aura évidemment un impact sur la répartition de la consommation d’énergie entre les différents usages traditionnels: éclairage, chauffage, refroidissement, ventilation, charge aux prises, etc.

Dans ce contexte, il est fortement recommandé aux gestionnaires immobiliers de revoir la priorisation des projets de modernisation et d’efficacité énergétique touchant les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation de l’air (CVCA) et leurs contrôles, en tenant compte qu’en plus de la nouvelle réalité décrite précédemment, une emphase accrue devra être portée sur la qualité de l’air intérieur et la mitigation des risques de transmission. C’est l’objet de ce 2e article.

Projets de modernisation et d’efficacité énergétique à prioriser dans un contexte COVID et post-COVID

De façon générale, les projets de modernisation et d’efficacité énergétique suivants devraient être priorisés à court et moyen terme:

Remise au point des systèmes mécaniques et mise en service en continu;
Amélioration de l’efficacité du conditionnement de l’air neuf;
Amélioration de la gestion de débits d’air neuf;
Amélioration de la modulation de la capacité des systèmes;
Amélioration du contrôle de l’éclairage.

Ce qui suit présente donc, pour chaque type de projets visant à assurer une qualité de l’air saine aux occupants tout en gérant la consommation d’énergie, une description des mesures et les enjeux à considérer avant de mettre en œuvre une des initiatives.

Remise au point des systèmes mécaniques et mise en service en continu

Remise au point des systèmes mécaniques (RCx)

La première stratégie à envisager est une remise au point des systèmes mécaniques (Recommissioning en anglais), plus communément référé à RCx. Cette démarche permet d’améliorer le confort des occupants tout en réduisant les coûts d’énergie. Le RCx est un processus qui consiste à optimiser l’opération des systèmes électromécaniques existants en fonction des besoins réels actuels des espaces. Il est donc plus pertinent que jamais lorsque les conditions d’occupation ont changé de façon importante. Le RCx permet d’identifier des mesures à faible coût menant à des économies d’énergie et des réductions des émissions de GES typiques de l’ordre de 5 à 15%, avec une période de retour sur l’investissement (PRI) généralement inférieure à 3 ans. Le processus vise également à améliorer le confort et la qualité de l’air, de même qu’à adresser des problématiques opérationnelles au niveau des systèmes de CVCA. En cette période de pandémie, le RCx peut également être une opportunité d’intégrer ou d’améliorer les stratégies liées à la mitigation des risques de propagation du virus. Un outil décisionnel a été développé par RNCan afin d’évaluer le potentiel d’un bâtiment à procéder à un RCx. (https://www.rncan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/canmetenergy/files/RCx%20%20Screening%20Form%20FR.pdf)

Enjeu/particularité à considérer : Le RCx est fortement encouragé et actuellement subventionné par le MERN et Énergir lorsque réalisé par un agent accrédité. Cette accréditation, en plus de conférer un gage de qualité du professionnel, permet d’améliorer la rentabilité d’une telle démarche. Il est donc préférable de réaliser la démarche de RCx avec un agent accrédité.

Mise en service continu (CxC)

Parmi les impacts anticipés de la pandémie au cours des prochaines années, il est prévu que des changements au niveau des espaces locatifs soient encore plus fréquents. Face à cette nouvelle réalité, en complément du RCx, la mise en service en continu ((CxC) s’avérera un outil essentiel afin de maintenir une bonne performance énergétique des bâtiments tout en assurant une saine qualité de l’air. Le CxC consiste à procéder à un ensemble de vérification, de suivi et d’essais fonctionnels de manière périodique et cyclique afin d’optimiser l’opération des systèmes électromécaniques en fonction des besoins évolutifs des espaces. En outre, des logiciels de détection de fautes et diagnostics peuvent être utilisés pour assurer un suivi systématique des systèmes électromécaniques. Ces logiciels utilisent des règles prédéfinies par l’utilisateur pour observer des déviations dans le contrôle des systèmes qui pourraient entrainer des conséquences sur la qualité de l’air ou la consommation d’énergie. Les données et rapports fournis par un tel logiciel peuvent faciliter le processus de CxC.

Enjeu/particularité à considérer : Le CxC est généralement un travail de collaboration entre l’agent accrédité en remise au point des systèmes mécaniques, le personnel de gestion et d’opération du bâtiment et l’entrepreneur en régulation automatique. Il est donc judicieux de le mettre en œuvre au sein une démarche globale d’optimisation ou de le prévoir dans un plan directeur d’amélioration.

Améliorer l’efficacité du conditionnement de l’air neuf

Plusieurs des recommandations de l’ASHRAE concernant la mitigation des risques de transmission de la COVID-19 touchent l’augmentation des taux d’air frais et des points de consigne minimum d’humidité relative (voir article du DÉI du 22 octobre 2020). Dans le contexte du climat québécois, mettre en œuvre ces recommandations peut mener à une augmentation significative des coûts énergétiques des systèmes de ventilation et certains enjeux avec l’enveloppe du bâtiment. Les mesures qui suivent permettent de limiter ces impacts.

Ajout d’équipement de récupération de chaleur/énergie

Cette mesure consiste à installer un échangeur de chaleur permettant de transférer une partie de l’énergie de l’air évacué vers l’air frais afin de le préchauffer. L’air frais étant aux conditions environnementales extérieures, il a généralement besoin d’être chauffé, humidifié, refroidi ou déshumidifié. Typiquement, il s’agit d’une mesure très rentable, car le traitement de l’air frais est un poste de consommation énergétique important dans la plupart des bâtiments commerciaux. Les récupérateurs les plus fréquemment utilisés sur le marché sont : le noyau enthalpique, la roue thermique, la boucle de glycol avec ou sans thermopompe, les caloducs (heat pipe), et le récupérateur à cassettes. Lors de l’achat d’un nouveau système d’air frais, le récupérateur de chaleur peut être intégré en usine par le manufacturier. S’il est question d’un système d’air frais existant dont le remplacement n’est pas prévu, le récupérateur peut alors être installé séparément du système.

Enjeu/particularité à considérer : certains récupérateurs ont le défaut de contribuer à la contamination croisée entre l’air évacué et l’air frais. Le niveau de la qualité de l’air requis influence donc le choix du type de récupérateur d’énergie. Par exemple, une boucle de glycol n’aura pas de contamination croisée tandis qu’une roue thermique présentera un certain taux de contamination croisée. De plus, le type de contaminants présents dans l’air évacué influence le choix de matériau du récupérateur. Il est donc important d’analyser l’application visée pour faire une sélection éclairée du récupérateur. Enfin, la localisation des évacuateurs par rapport au système d’air frais influence le choix du récupérateur. Par exemple, pour récupérer la chaleur de plusieurs évacuateurs décentralisés, il faut évaluer s’il est plus rentable d’utiliser une boucle de glycol afin de récupérer les évacuateurs existants ou plutôt de reconfigurer les conduits d’évacuation pour les centraliser à proximité du système d’air frais.

Humidification adiabatique

Augmenter les points de consigne d’humidité relative tout en augmentant les débits d’air frais pose un grand défi : augmentation de la capacité d’humidification, augmentation dans certains cas de la capacité électrique (force motrice et capacité de refroidissement), augmentation de la facture d’énergie, etc. Un humidificateur adiabatique pulvérise de fines gouttelettes d’eau dans l’écoulement d’air d’un système de ventilation. L’air sec absorbe les gouttelettes et c’est ainsi qu’il s’humidifie. Contrairement à l’humidificateur plus standard (générateur de vapeur), l’humidificateur adiabatique n’injecte donc pas de la vapeur, mais de l’eau. La génération de vapeur pour humidifier étant un procédé énergivore, l’humidification adiabatique peut être une solution efficace dans certains contextes.

Enjeu/particularité à considérer : En absorbant les gouttelettes d’eau de l’humidificateur adiabatique, l’air se refroidit. Lorsqu’un système de ventilation opère en climatisation, l’humidificateur adiabatique travaille dans le même sens que les besoins du système puisque l’injection de gouttelette refroidit l’air. Par contre, lorsqu’un système a de faibles besoins de climatisation ou qu’il opère en chauffage, l’injection de gouttelettes peut forcer le réchauffage de l’air. Dans ce cas, l’humidification adiabatique pourrait ne pas être rentable. Tout dépend de l’efficacité de l’appareil et de la source d’énergie utilisée pour le réchauffage de l’air. L’analyse de rentabilité peut devenir très complexe et généralement un professionnel est requis pour effectuer l’analyse. Les coûts d’humidificateur adiabatique sont élevés et le projet d’installation doit donc être étudié en détail. Enfin, des longueurs minimales de conduites sont requises afin de permettre à l’écoulement d’air d’absorber les gouttelettes (distance d’absorption). Il est donc primordial de bien faire la conception afin de respecter ses critères.

Filtration accrue

Tout système de ventilation est généralement pourvu d’un ou plusieurs filtres. L’efficacité de filtration est standardisée par l’ASHRAE selon l’échelle MERV (minimum efficiency reporting value). Avec la pandémie, l’ASHRAE propose d’augmenter les niveaux de filtration à MERV 13 au minimum lorsque possible (voir article du DÉI du 22 octobre). L’utilisation de filtres MERV 13 n’était généralement pas la norme dans les immeubles commerciaux avant la pandémie. L’augmentation du niveau de filtration augmente le travail que le ventilateur doit fournir, et donc entraine une augmentation de la consommation d’énergie pour maintenir le même débit qu’auparavant. Afin de pallier cette consommation d’énergie supplémentaire, des mesures de gestion de l’énergie ( décrites plus bas) doivent être analysées : modulation et contrôle du débit d’air frais, entrainement à fréquence variable, balancement d’air, calibration des contrôles. Autrement, la principale mesure d’efficacité énergétique concernant la filtration accrue consiste à bien entretenir les filtres. La perte de pression aux filtres sera supérieure dans un filtre sale. Ainsi il est primordial d’ajuster les calendriers d’entretien de routine pour les filtres plus fins et de vérifier que les détecteurs de pression différentielle aux filtres sont fonctionnels et envoient les alarmes adéquates pour indiquer un besoin de remplacement ou une anomalie.

Enjeu/particularité à considérer : Lors de l’augmentation du niveau de filtration d’un système, il est important d’analyser l’impact sur la perte de pression résultante. Il pourrait être requis de recalibrer le ventilateur du système, voire de le remplacer ou de remplacer son moteur. De plus, il est important de valider l’espace disponible dans la section de filtres du système, et l’espace disponible pour un nouveau moteur s’il doit être remplacé. La section des filtres pourrait être rebâtie par un entrepreneur en ventilation afin de pouvoir installer les filtres de MERV plus élevée ainsi qu’ajouter des préfiltres. Il pourrait aussi être requis d’étanchéiser les joints de la section de filtres, car l’air empruntera le chemin le plus facile, et par conséquent, pourrait ne pas être filtré. Avec l’ensemble de ces considérations, il est parfois impossible d’augmenter le niveau de filtration dans un système existant. Si un gestionnaire ne dispose pas de l’expertise à l’interne, l’aide d’un professionnel est généralement requise afin d’analyser le système dans son ensemble et les impacts.

Améliorer la gestion des débits d’air neuf

L’occupation de plus en plus variable à prévoir dans nos bâtiments, combinée au fait que la qualité de l’air intérieur est devenue un enjeu prioritaire dans la conception et l’opération des milieux de travail, augmente l’importance d’améliorer la gestion de l’air neuf au sein de nos immeubles. Afin de concilier ces deux nouvelles réalités, les stratégies d’efficacité énergétique suivantes devraient être mises de l’avant.

Modulation de l’air neuf en fonction de l’occupation

Le débit d’air frais devant être admis par un système de ventilation est basé sur la superficie des espaces desservis, leur vocation, le nombre d’occupants, ainsi que d’autres facteurs propres au système et au réseau de distribution d’air. Or, les normes et codes en vigueur permettent de moduler une portion de ses requis d’air frais selon la demande réelle d’un espace occupé. Cette demande peut être basée sur des lectures de concentration de dioxyde de carbone (CO2), et parfois plus simplement sur un horaire, un taux ou un profil d’occupation connu, ou une détection de présence. La détection de présence permet d’obtenir une résolution supplémentaire sur l’occupation du bâtiment et de gérer les débits d’air frais en fonction de l’occupation réelle du bâtiment. La modulation de l’air frais est généralement réalisée au moyen d’un volet motorisé ou d’un entraînement à fréquence variable (EFV), et peut être faite au niveau d’une pièce, d’un espace locatif ou d’un étage. C’est une mesure qui habituellement a une période de retour sur l’investissement très courte. La demande sur laquelle elle est basée doit toutefois être représentative des espaces desservis.

Enjeu/particularité à considérer : l’une des principales recommandations dans le contexte de la pandémie consiste plutôt à accroître, lorsque possible et jugé raisonnable, le taux de renouvellement d’air dans les espaces occupés. Bien qu’elle puisse être implantée dès maintenant, cette mesure ne devrait pas être appliquée dans le contexte actuel de la pandémie. D’ici là, l’ajout de sondes CO2 permettra de suivre et de confirmer le maintien d’une bonne qualité de l’air intérieur.

Ajout de stations de mesures de débit

Dans une perspective de meilleure gestion des débits d’air neuf, l’ajout de stations de mesures de débits peut s’avérer pertinent. Une station de mesure de débit permet de moduler précisément l’apport d’air frais d’un système de ventilation. Cet instrument offre une sécurité dans le cas où il y aurait détérioration du couplage de l’actuateur et des volets dans le temps. Les systèmes multizones à volume variable sont les principaux systèmes visés pour l’ajout de stations de mesures de débits. Ces stations deviennent un requis selon les codes et normes en vigueur si des stratégies de contrôle de la ventilation selon la demande sont implémentées. Elles permettent alors de mesurer le débit d’air neuf en temps réel alors que des volets de zones en aval modulent selon la demande.

Enjeu/particularité à considérer : Puisqu’il s’agit d’un équipement de mesurage, il est recommandé de calibrer les stations de débits au moment de la mise en service et à tous les 5 ans par la suite. Il est parfois difficile d’intégrer cet équipement dans un système existant n’ayant pas été prévu à cet effet sur le plan de l’espace et des longueurs droites disponibles.

Balancement d’air

Dans le cadre de l’amélioration des débits d’air neuf, le balancement ou équilibrage d’un réseau de ventilation consiste à ajuster les débits alimentés et évacués pour chaque étage, et à ajuster les ventilateurs des systèmes afin d’alimenter/évacuer les débits totaux. L’équilibrage des réseaux aérauliques est réalisé pour chaque zone au minimum à la fin des travaux d’aménagement ou réaménagement des espaces. Par contre, après quelques années d’exploitation, il est fréquent que l’usage des espaces change et que les débits ne soient pas ajustés, comme c’est actuellement le cas avec la faible occupation des tours de bureaux. De plus, les méthodes de contrôle de l’air frais ainsi que les normes associées évoluent d’année en année. Une analyse de l’occupation réelle et des débits d’air frais peut être réalisée afin de vérifier si un rebalancement des systèmes est requis, et si celui-ci peut être zoné par étage dans le contexte actuel. Cette démarche s’inscrit généralement dans un processus de remise en service, bien qu’elle puisse aussi être réalisée à part.

Enjeu/particularité à considérer : comme il s’agit d’une revue des besoins, la démarche peut conduire à une augmentation des débits d’air tout comme à une diminution. L’impact sur la consommation d’énergie peut donc être à la hausse ou à la baisse. Il est important que le rapport de balancement mette l’emphase sur les débits d’air neuf, et ce sur toute la plage d’opération du ventilateur si le système est à débit variable. Trop souvent, les rapports d’équilibrage font mention des débits totaux sans être très précis sur les débits spécifiques à l’air neuf.

Ajout de systèmes d’apport d’air neuf dédiés

Un système d’apport d’air neuf dédié, aussi appelé système 100% air neuf, est un système ayant pour unique fonction d’admettre et de conditionner de l’air frais à l’intérieur d’un bâtiment. Il se démarque d’un système typique en “H” du fait qu’il ne traite ni débit d’air recirculé, ni air évacué. Ses principaux avantages sont de permettre plus facilement de préconditionner l’air frais de manière efficace (ex.: intégration d’un système de récupération de chaleur), de mesurer et de contrôler le débit d’air frais admis et de réduire la force motrice associée à la ventilation (ex.: recirculation locale avec apport d’air neuf).

Enjeu/particularité à considérer: pour un bâtiment n’ayant pas été initialement conçu avec ce principe, il peut être complexe et très coûteux de consolider les différents apports d’air frais. La faisabilité technico-économique d’une telle mesure doit donc être évaluée par un professionnel en ingénierie. C’est donc plutôt une mesure à prévoir lors de la conception d’un nouveau bâtiment ou lors de rénovations majeures telles un agrandissement.

Améliorer la modulation de la capacité des systèmes

Entraînements à fréquence variable

Les moteurs munis d’un entrainement à fréquence variable (EFV) peuvent moduler leur vitesse pour répondre exactement aux besoins qui varient avec le temps. Il peut s’agir d’un moteur de ventilateur ou d’un moteur de pompe. Les applications sont donc multiples, en voici quelques exemples : unité de ventilation-climatisation, réseau hydronique de chauffage ou de refroidissement. Un EFV peut aussi être utilisé pour moduler la capacité de certains compresseurs de refroidisseurs. Voici un exemple concret : dans un système CVAC, la puissance des ventilateurs, donc le débit d’air, peut moduler selon le taux d’occupation qui pourra être évalué par l’entremise des sondes de CO2 installées à l’intérieur des bureaux. Ceci évitera que les moteurs fonctionnent à plein régime inutilement alors que la demande est faible, et augmentera l’efficacité du système. Les sondes CO2 témoignent de l’occupation en temps réel. La modulation de la capacité des systèmes ne se limite pas à l’utilisation d’EFV. En effet, la modulation avec EFV peut être utilisée de pair avec d’autres stratégies de modulation, en voici quelques exemples : modulation de la température d’alimentation d’un système de ventilation en fonction de la demande des pièces, modulation de la température d’alimentation d’un réseau hydronique en fonction de l’ouverture des valves, etc. Tout comme pour les autres mesures de contrôle, c’est une mesure qui, habituellement, a une période de retour sur l’investissement très courte.

Enjeu/particularité à considérer: le raccordement électrique doit être analysé lors de l’ajout d’entrainement à fréquence variable afin de prévenir le risque d’harmoniques. Il faut s’assurer que le moteur à moduler est compatible avec un entrainement à fréquence variable et vérifier s’il doit être remplacé, ce qui ajoute des coûts de travaux. Enfin, l’enjeu principal repose souvent sur les équipements modulants sur le réseau de distribution : boites VAV, valves 2-voies/3-voies. Il faut que la stratégie de modulation soit adéquate en fonction des équipements de contrôle du réseau de distribution, ce qui exige parfois des modifications importantes en régulation sur les réseaux existants.

Améliorer le contrôle des conditions ambiantes :

Ajout et centralisation de sondes de pièce (température, humidité et CO2)

Le contrôle des systèmes CVAC peut tenir compte de plusieurs paramètres, entre autres la température extérieure, la température dans les différentes zones du bureau, ainsi que le taux d’humidité et la concentration du CO₂. Ce dernier est directement lié au taux d’occupation de l’espace. L’ajout et la centralisation de telles sondes fourniront au système de contrôle une information plus complète et plus précise et permettront ainsi un fonctionnement optimal des systèmes CVAC en fonction des conditions réelles, ce qui augmente le confort des occupants et la qualité de l’air intérieur.

Enjeu/particularité à considérer : le système de contrôle centralisé doit avoir des points libres dans les contrôleurs existants afin d’intégrer de nouvelles sondes. Autrement des expansions d’entrées-sorties peuvent être installées. De plus, les sondes supplémentaires seront à ajouter au calendrier de calibration des équipements de mesurage.

Calibration des sondes

Avec le temps, il se peut que les sondes soient décalibrées, d’où l’importance d’avoir un programme d’entretien préventif et de calibration pour celles-ci afin de s’assurer que les lectures effectuées soient correctes et précises. On peut se référer au manuel d’entretien des sondes pour identifier à quelle fréquence elles doivent être calibrées. À titre indicatif seulement, on observe que de manière générale les sondes de température devraient être calibrées tous les 2 ans, les sondes d’humidité et de CO2 ainsi que les sondes extérieures tous les ans. Les sondes extérieures ou les stations météo ont une incidence importante sur la consommation énergétique puisque plusieurs séquences de démarrage d’équipements de chauffage et climatisation peuvent en dépendre. Il est donc très important de les inclure dans le programme de calibration. Cette démarche s’inscrit généralement dans un processus de remise au point, bien qu’elle puisse aussi être réalisée à part.

Enjeu/particularité à considérer : le programme de calibration peut constituer un coût supplémentaire dans le budget d’entretien des bâtiments commerciaux de petite et moyenne envergure qui, de façon générale, n’adoptent pas systématiquement cette approche. Cependant, il est à noter que le succès de la plupart des mesures d’efficacité énergétique proposées dans le présent article repose sur l’utilisation de sondes en bon état permettant de dresser un portrait assez précis des besoins en temps réel.

Amélioration du contrôle de l’éclairage

Centralisation et rezonage des contrôles automatisés d’éclairage

Le contrôle et le zonage de l’éclairage sont en général une mesure simple à implanter, mais tout aussi efficace. Il convient bien de remplacer l’éclairage incandescent ou fluorescent par de la DEL (diode électroluminescente), mais il est aussi très important de bien définir et contrôler les différentes zones d’éclairage de façon à ce que si une seule partie du bureau est occupée, les autres espaces ne soient pas affectés.

Enjeu/particularité à considérer : La configuration du réseau électrique d’éclairage influence grandement la complexité de cette mesure.

Ajout de détecteurs d’occupation

L’installation des détecteurs d’occupation, par exemple, est une bonne pratique afin de s’assurer que seules les zones occupées soient éclairées. Plusieurs types de technologies de contrôle d’éclairage en fonction de l’occupation sont disponibles. Il peut s’agir simplement d’un détecteur intégré à l’interrupteur. Il devient aussi de plus en plus commun d’intégrer le contrôle de l’éclairage au système de contrôle centralisé du bâtiment afin d’établir des horaires (jour, soir, fin de semaine) et générer encore plus d’économies. Que les détecteurs d’occupation soient intégrés ou non au contrôle centralisé, les économies d’économies sont intéressantes.

Enjeu/particularité à considérer : La complexité d’implantation et les coûts d’installation varient grandement selon le choix de concept. Si les détecteurs d’occupation pour le contrôle d’éclairage sont centralisés, il peut alors être possible d’utiliser ces données pour contrôler d’autres équipements centralisés tels que les systèmes de CVCA.