Immeubles commerciaux adaptables à la demande

Par Guy Newsham et Mary Ann Piette

Numéro 81, février 2014

Télécharger ce document en format PDF (1247 KB)

Afin de limiter la production d’électricité requise pour satisfaire la demande en périodes de pointe et de préserver la stabilité du réseau, les services publics adoptent des politiques et des mécanismes pour réduire la consommation électrique de pointe. Cette Solution constructive présente une stratégie appelée « gestion de la demande », où les clients reçoivent directement des services publics une invitation à réduire temporairement leur consommation d’électricité durant des épisodes de très forte demande.

La demande d’énergie électrique varie considérablement selon le moment de la journée, le jour de la semaine (voir la figure 1) et en fonction des saisons. Les services publics doivent pouvoir satisfaire cette demande instantanément et en tout temps. Surtout, ils doivent répondre aux pics de la demande durant les journées de très forte consommation, même si de tels niveaux de consommation ne surviennent que quelques heures par année. Lorsqu’ils ne peuvent satisfaire ces pics de demande, il en résulte une panne ou une baisse de tension sur le réseau qui peut avoir des conséquences néfastes pour l’économie et pour la société en général.

Figure 1 : Demande horaire totale d’électricité en Ontario durant une semaine en juillet 2011. Vous trouverez ci-après une longue description.

Figure 1. Demande horaire totale d’électricité en Ontario durant une semaine en juillet 2011. Les jours de semaine, la demande était la plus faible durant la nuit (vers 5 h du matin) et la plus élevée dans l’après-midi (vers 16 h). Quelle que soit l’heure de la journée, la demande était généralement plus élevée vers le milieu de la semaine de travail, et plus faible en fin de semaine. Durant cette semaine particulière, on a enregistré la plus forte consommation à 16 h le jeudi 21 juillet (25 450 MW) et la plus faible à 6 h du matin le dimanche 24 juillet (14 177 MW).

Traditionnellement, les services publics satisfont aux demandes de pointe en utilisant des génératrices (souvent appelées « génératrices de pointe ») conçues uniquement pour être utilisées en pareils cas, et en achetant de l’énergie électrique de fournisseurs d’électricité voisins. Ces deux approches peuvent toutefois s’avérer inefficaces et coûteuses. Une autre solution consiste à mettre en place des politiques et des mécanismes dans le but de réduire la demande d’électricité durant les périodes de pointe. Un exemple de telles politiques est l’introduction de prix qui varient en fonction de l’heure d’utilisation : le prix facturé durant les pics de demande est plus élevé pour encourager les clients à utiliser moins d’électricité durant ces périodes. Ces structures tarifaires s’appliquent généralement à des saisons complètes et, par conséquent, elles ne sont pas toujours efficaces pour gérer la demande les jours où la consommation est très élevée.

Une autre stratégie, appelée gestion de la demande (GD), consiste à transmettre aux clients une invitation directe à réduire temporairement leur consommation durant les journées et les heures où la demande est particulièrement forte. Cette approche est utilisée depuis de nombreuses années pour les gros clients industriels mais, plus récemment, les services publics ont cherché à l’appliquer également aux immeubles commerciaux. Dans ce type d’immeubles, les principales charges électriques en période de pointe proviennent des systèmes de CVCA (chauffage, ventilation et conditionnement d’air) et de l’éclairage. Ces systèmes sont donc les principales cibles visées par les stratégies de GD.

Demande de pointe en été versus en hiver

Le gros de la recherche sur les stratégies de GD et sur leur mise en application a porté sur les périodes de pointe estivales, qui surviennent en fin d’après-midi, moment où les besoins en climatisation sont les plus grands. Cela s’explique par le fait que c’est surtout depuis les pannes survenues en Californie en 2001 que l’on s’intéresse à la GD en périodes de pointe. La plupart des progrès récents en automatisation de la GD sont issues de la Californie et, en particulier, du Lawrence Berkeley National Laboratory. Au Canada, seul l’Ontario connaît un pic de la demande en été et est donc confronté à des problèmes similaires à ceux de la Californie. Toutes les autres régions du Canada connaissent un pic de la demande durant la saison hivernale.

Les travaux du CNRC ont surtout porté sur les conditions propres à l’Ontario, où les pics de demande estivale sont en forte croissance par rapport aux charges électriques de base. Les pics de demande en été en Ontario surviennent généralement l’après-midi, alors que la demande pour la climatisation est la plus forte. En hiver, les pics de demande se produisent soit tôt le matin, soit dans la soirée, lorsque les charges d’éclairage s’ajoutent à une consommation plus élevée d’électricité pour le chauffage. La majorité de l’information présentée dans ces pages fait référence au contexte d’une demande de pointe estivales, mais un grand nombre des principes que nous décrivons ci-après peuvent aussi bien s’appliquer aux périodes de pointe hivernales.

De combien peut-on réduire les charges de pointe?

Les systèmes de CVCA et d’éclairage dans les bâtiments sont généralement conçus et exploités de manière à offrir des conditions de confort optimales aux occupants. Dans sa forme la plus simple, la GD nécessite de diminuer les services. Cette diminution des services peut être temporaire et ne durer que quelques heures, mais les conditions pourraient s’écarter de la zone de confort habituelle pendant ces quelques heures.

Avec des systèmes plus évolués, il est possible d’éviter la diminution des services de CVCA en utilisant des systèmes de stockage actifs ou passifs ou en rehaussant le niveau des services de CVCA juste avant une diminution programmée (p. ex. préventiler afin que l’air intérieur comporte de faibles concentrations de polluants, ce qui permet de réduire la ventilation durant un épisode de GD). De telles stratégies ne sont toutefois pas encore au point.

Il serait évidemment préférable que l’on puisse atteindre les objectifs de réduction de la charge lors d’un épisode de GD en limitant le plus possible les inconvénients qui en découlent pour les occupants mais, jusqu’à tout récemment, on avait très peu de données sur les facteurs humains nous permettant de savoir dans quelle mesure une diminution des services était tolérable pour les occupants. Le CNRC a donc entrepris une série d’études afin d’établir quelles sont les limites raisonnables à la diminution des services.

Le CNRC a d’abord mené des expériences contrôlées en laboratoire dans des environnements de bureau simulés. Lors de ces expériences, les participants effectuaient du travail de bureau pendant qu’ils étaient exposés à des modifications des conditions environnementales simulant une diminution de service lors d’un épisode de GD. Les chercheurs ont évalué leur niveau d’inconfort en demandant aux participants de répondre à des questionnaires et d’exécuter certaines tâches, et en procédant à des interventions de contrôle. Les résultats de ces expériences indiquent que :

  1. L’intensité de l’éclairage électrique peut être diminuée sans réel inconfort de :
    • 40+ %, en introduisant graduellement cette mesure sur une période de 10 secondes dans les zones dotées d’un éclairage naturel;
    • 20 %, en introduisant graduellement cette mesure sur une période de 10 secondes dans les zones sans éclairage naturel;
    • 40+ %, en introduisant graduellement cette mesure sur une période de 30 minutes dans les zones sans éclairage naturel.
  2. La température peut être augmentée sans réel inconvénient de :
    • 1,5 °C, en introduisant cette mesure graduellement sur une période de 2 heures et demie.

Le CNRC a ensuite étudié des stratégies de réduction de l’éclairage dans un immeuble de bureaux du gouvernement et sur le campus d'un collège de l’Ontario. Les occupants savaient que des tests auraient lieu durant certaines journées d’été, mais on ne leur avait pas dit lesquelles. Pour évaluer leur inconfort, les chercheurs ont noté s’il y avait eu une augmentation des plaintes à propos de l’éclairage auprès du gestionnaire de l’immeuble. Sur le campus, ils ont aussi observé s’il y avait eu une augmentation de l’utilisation des gradateurs manuels d’éclairage installés sur le mur de chaque chambre, signe que les occupants tentaient de compenser les mesures de réduction de l’éclairage.

Dans l’immeuble de bureaux, les chercheurs ont réalisé deux essais où ils ont réduit l’éclairage dans une proportion allant jusqu’à 35 % sur une période de 15 à 30 minutes au milieu de l’après-midi. La réduction de la consommation d’électricité réalisée a été, respectivement, de 5,2 kW (soit 23 % de l’électricité totale consommée pour l’éclairage) et de 5,3 kW (soit 24 %). Sur le campus, ils ont réalisé trois tests de GD où ils ont diminué l’intensité de l’éclairage dans une proportion allant jusqu’à 40 % sur une période allant de 1 à 30 minutes, aussi dans l’après-midi. Les économies d’électricité réalisées ont été, respectivement, de 15,2 kW (18 %), 7,7 kW (14 %) et 11,3 kW (15 %), comme l’illustre la figure 2. Les chercheurs n’ont eu aucune indication que ces mesures aient causé des inconvénients ou un inconfort pour les occupants.

Vers une mise en œuvre généralisée

Durant la même période, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) réfléchissaient à une façon de faciliter l’adoption de stratégies de GD dans des immeubles commerciaux sur une grande échelle. Ils ont mis au point un protocole de communications appelé OpenADR (pour Open Automated Demand Response), qui permet aux exploitants de bâtiments de concevoir des stratégies de GD qui sont déclenchées automatiquement par un prix ou par un signal similaire distribué par les services publics par le truchement de l’Internet. Différents niveaux de GD peuvent être mis en œuvre, selon le signal envoyé. Par exemple, si le prix de l’électricité est élevé – par exemple, lorsque le réseau électrique connaît une légère saturation – les valeurs de consigne pour la température seront augmentées de 1,5 °C; par contre, si le prix est extrêmement élevé – indiquant une situation d’urgence potentielle sur le réseau – les valeurs de consigne seront augmentées de 3 °C.

Le LBNL a amorcé les essais des premières versions du protocole OpenADR en 2003 et, à la fin de 2012, on estimait que plus de 250 MW d’électricité avaient été économisés en Californie grâce à cette technologie d’automatisation de la GD, qui est désormais commercialisée. Plus de 40 entreprises se sont jointes à l’OpenADR Alliance qui a lancé la version 2.0 d’OpenADRM au début de 2012. Plus de la moitié de cette réduction de la charge provient du secteur industriel, comme les usines utilisant de l’air comprimé et les industries du recyclage de l’acier et de la transformation des aliments.

Les travaux initiaux sur l’OpenADR Alliance ont été centrés sur la mise en œuvre de stratégies de GD pour les systèmes de CVCA (modification des valeurs de consigne, réduction de la ventilation) parce que les systèmes d’éclairage offrant une souplesse similaire au niveau du contrôle sont moins courants. Ces travaux ont permis d’établir que d’importantes réductions de la charge pouvaient être mises en œuvre pendant quelques heures en été sans que les occupants en souffrent.

Figure 2 : Consommation d’électricité du système d’éclairage sur le campus pour les 71 jours de semaine qu’a duré l’étude. Vous trouverez ci-après une longue description.

Figure 2 : Consommation d’électricité du système d’éclairage sur le campus pour les 71 jours de semaine qu’a duré l’étude (en excluant les jours fériés). Chaque jour, la demande d’électricité pour l’éclairage était la plus faible vers 6 h du matin (entre 10 et 25 MW, selon le jour) et la plus élevée vers 11 h (70 à 90 MW, selon le jour). Des mesures de réduction de l’éclairage ont été mises en place pour gérer cette demande lors de trois journées particulières. Le 4 juin, les chercheurs ont réduit l’éclairage à partir de 14 h 30 pendant 30 minutes et la réduction de la consommation électrique obtenue a été de 15,2 kW (18 %). Le 27 juin, l’intensité de l’éclairage a été réduite à partir de 14 h 15 pendant 15 minutes et la réduction de la consommation a été de 7,7 kW (14 %). Enfin, le 17 juillet, on a réduit l’éclairage à 13 h 45 pendant une minute et la réduction de la consommation d’électricité a été de 11,3 kW (15 %).

Figure 3 : Consommation électrique d’un gros immeuble de bureaux situé dans le nord-ouest des États-Unis. Vous trouverez ci-après une longue description.

TAE et 3/10 sont deux méthodes différentes permettant d’estimer quelle aurait été la consommation électrique ce jour en l’absence de mesures de GD. La TAE est un modèle basé sur la température de l’air extérieur et 3/10 un modèle basé sur les 3 charges les plus élevées des 10 derniers jours.
 

Figure 3 : Consommation électrique d’un gros immeuble de bureaux situé dans le nord-ouest des États-Unis. Durant une journée d’hiver type et en l’absence de mesures de GD, la consommation d’électricité était la plus faible durant la nuit (environ 2000 kW) et la plus élevée vers 7 h 30 du matin (entre 5000 et 5500 kW). Lors de l’épisode de GD, on a abaissé le thermostat du système de chauffage électrique de 22,2 à 20,0 °C pendant trois heures; la réduction de la consommation électrique a été d’environ 600 kW.

Récemment, le LBNL a élargi la portée de ses travaux pour examiner des stratégies de GD visant à réduire la demande d’électricité les matins d’hiver dans des immeubles commerciaux situés dans les climats plus froids. La demande d’électricité pour l’éclairage a été réduite de manière similaire aux scénarios utilisés en été. La figure 3 montre la variation de la charge électrique pendant un épisode de GD par un matin d’hiver. L’épisode, qui a duré trois heures, a été réalisé dans un immeuble de 111 500 m2. La stratégie de GD consistait à régler le système de chauffage électrique de manière à abaisser la température de 22,2 à 20,0°C (72 à 68 °F) sur 24 des 62 étages de l’immeuble. Cet immeuble étant muni d’un système CVCA à volume d’air variable, on a pu réduire à la fois la charge électrique et la charge de ventilation, ce qui a entraîné une réduction de la consommation électrique d’environ 600 kW; aucune plainte n’a été enregistrée de la part des occupants. (Même les immeubles équipés de systèmes de chauffage au gaz pourraient réaliser des économies appréciables en réduisant l’utilisation de la ventilation.)

Comme cela arrive souvent avec la GD, ce projet comportait également une stratégie visant à réduire la demande durant le « rebond », c’est-à-dire la demande additionnelle d’électricité requise pour revenir aux conditions normales d’exploitation. À la fin de l’épisode de GD, la valeur de consigne des températures était augmentée lentement toutes les 15 minutes, et seulement un quart de l’équipement était relancé à la fois, à des intervalles de cinq minutes.

La planification du retour aux conditions normales est importante. Même si ces travaux démontrent que les occupants peuvent tolérer des conditions environnementales inférieures aux normes pendant une période relativement courte ou une période de saturation du réseau électrique, plusieurs autres études confirment que des conditions conformes aux pratiques traditionnelles recommandées sont nécessaires pour assurer le confort à long terme des occupants.

Guide pour la mise en œuvre de stratégies de gestion à la demande

Il existe de nombreux types de programmes de gestion de la demande (GD) en Amérique du Nord. Les exigences de ces programmes sont la première chose qu’un propriétaire d’immeuble devrait considérer pour la mise en œuvre d’un programme de GD. Certains programmes peuvent offrir des incitatifs financiers; d’autres permettent de programmer la durée des épisodes de GD et combien de fois et quand le programme peut enclencher des épisodes de GD. D’autres encore offrent des audits des mesures de GD mises en œuvre, en plus d’incitatifs techniques et financiers, ainsi que des systèmes d’automatisation. Il est également important de comprendre les tendances historiques de la demande d’électricité de l’immeuble et les calculs de base qui peuvent être utilisés pour évaluer la performance des programmes de GD.

Lors de l’évaluation des capacités de GD d’un immeuble, il est utile de considérer les systèmes de contrôle qui sont déjà en place. Plus le système est centralisé, plus il sera facile d’élaborer une stratégie de GD. La stratégie la plus simple consiste en une réponse entièrement manuelle où l’exploitant du bâtiment allume et éteint l’éclairage ou l’équipement en fonction des événements. Une stratégie manuelle peut aussi inclure la modulation des valeurs de consigne du système de CVCA. Cette approche est facile à mettre en œuvre, mais elle nécessite que l’exploitant ait une série d’instructions claires sur la façon de répondre aux événements sur le réseau.

Le deuxième niveau de sophistication fait appel à une réponse semi-automatisée où l’exploitant doit enclencher l’exécution d’une stratégie de GD préprogrammée. Un exemple de ce type de stratégie peut requérir la programmation d’un calendrier prévoyant des valeurs de consigne de la température par zone, pour toutes les zones ou pour certaines zones seulement de l’immeuble.

Enfin, le niveau le plus sophistiqué serait une réponse entièrement automatisée, où la GD est amorcée automatiquement dès la réception d’un signal extérieur.

La GD peut être automatisée à l’aide du protocole de communications OpenADR et en recourant à des moyens de communication de base sur l’Internet. Cette technologie utilise un logiciel situé dans l’immeuble qui reçoit les signaux transmis par la compagnie d’électricité ou par l’exploitant du réseau. Le protocole OpenADR se présente sous forme de logiciel intégré et il est offert par toutes les grandes entreprises spécialisées dans la GD. La plupart des systèmes d’automatisation qui intègrent le protocole OpenADR utilisent des boîtes passerelles qui relient le système de contrôle à l’Internet. La version 1.0 d’OpenADR est utilisée depuis 2009 et la version 2.0 a été lancée en 2012.

Certaines entreprises du secteur privé se spécialisent dans le regroupement des programmes de GD. Ces entreprises, appelées « agrégateurs », enrôlent des immeubles, regroupent leurs charges et élaborent des stratégies et des procédures de GD afin de participer à des programmes de GD à grande échelle. Un grand nombre de ces entreprises installent des compteurs électriques et des portails Web qui permettent aux propriétaires de suivre la performance de leur stratégie de GD en temps réel lors des épisodes de GD. Ces agrégateurs versent un paiement aux participants après que l’immeuble a atteint un certain nombre d’épisodes de GD.

Des programmes de GD sont aussi offerts par les distributeurs d’électricité. Certains offrent des incitatifs financiers aux propriétaires d’immeubles qui participent à des programmes de GD. Ces mesures peuvent inclure des versements de réservation ou de capacité pour inciter les propriétaires à rendre la charge électrique disponible pour un programme, et des versements de participation basés sur la quantité d’électricité (kW) économisée par rapport à une valeur de référence. Certains programmes sont basés sur une structure de prix dynamique qui varie en fonction de la demande de pointe ou selon les jours de pointe. Dans ce cas, le propriétaire économise simplement parce que sa consommation électrique est réduite lorsque les prix sont les plus élevés.

Guides recommandés pour la mise en œuvre de bonnes pratiques

Jusqu’ici, la nécessité de respecter des exigences fixes et absolues pour assurer un environnement intérieur confortable posait un obstacle à l’implantation des stratégies de GD, mais les attitudes sont en train de changer. Un essai pilote est en cours pour obtenir que la mise en œuvre de la GD donne droit à un crédit pour l’obtention de la certification LEED, et on a inclus récemment la possibilité de s’écarter des conditions d’éclairage recommandées dans le nouveau guide Recommended Practice for Office Lighting (RP1) de l’Illuminating Engineering Society of North America (IES) afin de faciliter l’application de la GD. Des caractéristiques existantes et de nouveaux éléments proposés aux codes du bâtiment en Californie vont aussi favoriser la mise en œuvre de la GD dans les nouveaux bâtiments, mesures qui pourraient être envisagées par d’autres sphères d'autorité dans l’avenir.

Orientations futures

Les stratégies de GD décrites dans le présent document ont été mises en œuvre sur une base occasionnelle durant de rares périodes de stress très élevé sur le réseau. On constate désormais un intérêt grandissant – avec l’avènement des « réseaux intelligents » – pour l’implantation de la GD sur une base continue. Dans un tel scénario, les modifications aux conditions intérieures ne seraient pas aussi extrêmes, mais l’électricité utilisée par les systèmes du bâtiment pourrait être modulée d’un faible pourcentage durant de courtes périodes chaque jour. Cela améliorerait l’efficacité générale du réseau et aiderait à mieux intégrer l’apport des énergies renouvelables sur le réseau, de manière à ce que la GD puisse compenser les fluctuations dans l’alimentation électrique.

Conclusions

Tout indique qu’à l’avenir, les immeubles auront une interaction beaucoup plus dynamique avec les réseaux électriques. De nombreux immeubles sont déjà dotés de systèmes qui leur permettent d’établir cette interaction manuellement, et des systèmes automatisés peuvent être intégrés aux systèmes modernes de gestion des bâtiments à relativement peu de frais. Des incitatifs peuvent aussi être offerts par les services publics pour rendre ces systèmes encore plus attrayants. Les travaux de recherche menés depuis des années en Amérique du Nord montrent que la GD peut être implantée avec succès pour les systèmes de CVCA et d’éclairage, et ils ont permis de préciser les écarts qui peuvent être tolérés par rapport aux conditions d’environnement intérieur sans nuire de façon indue au confort des occupants.

Remerciements

Les travaux de recherche du CNRC ont été parrainés par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), le Programme de recherche et de développement énergétiques (administré par Ressources naturelles Canada), Travaux publics et Services gouvernementaux Canada (TPSGC) et par le Lighting Research Office de l’Electric Power Research Institute (EPRI), avec l’appui de la J.H. McClung Lighting Research Foundation.

La recherche du LBNL a été parrainée par le Demand Response Research Center (DRRC), qui est financé par la Commission de l’énergie de la Californie et par le département de l’Énergie des États-Unis. Le travail du LBNL a été appuyé par l’Assistant Secretary for Energy Efficiency and Renewable Energy, Building Technologies Program, du U.S. Department of Energy, contrat no. DE-AC02-05CH11231. Nous sommes également reconnaissants du soutien du Public Interest Energy Research Program de la California Energy Commission, du Pacific Gas and Electric Program, et de Bonneville Power Administration.

M. Guy Newsham est chef de groupe Opérations du bâtiment intelligent, Conseil national de recherches du Canada–Construction.

Mme Mary Ann Piette est chef du Building Technology and Urban Systems Department et directrice du Demand Response Research Center au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).

Références

Personne-ressource

Solutions constructives : une collection d’articles techniques renfermant de l’information pratique issue de récents travaux de recherche en construction.

Construction CNRC
Téléphone : 613-993-2607
Télécopieur : 613-952-7673
Courriel : CONSTInformation@nrc-cnrc.gc.ca

Guy Newsham
Agent de recherche, CNRC Construction
Téléphone : 613-993-9607
Courriel : Guy.Newsham@cnrc-nrc.gc.ca