Mesurer les économies d’énergie par rapport à une référence

Une économie d'énergie est la différence entre deux nombres, dont un seul est mesuré. Après une rénovation, on peut mesurer la consommation du site. Ce qu'il aurait consommé sans les travaux constitue la référence ajustée : la prévision d'un modèle ajusté sur les données d'avant travaux, auquel on applique les conditions de la période de suivi. L'économie ne vaut que ce que valent ce modèle et les données relevées au périmètre de mesure.

Variation brute et économie ajustée

Une usine agroalimentaire a remplacé son éclairage et ses commandes. Sa consommation électrique et sa production durant la dernière année de référence et la première année de suivi étaient les suivantes :

Le modèle a été ajusté sur 24 relevés mensuels antérieurs aux travaux :

E = 40 000 kWh + 60 kWh/t × P

E est la consommation électrique mensuelle et P la production mensuelle en tonnes. L'ordonnée à l'origine représente la charge fixe : pertes permanentes du froid, fuites d'air comprimé, éclairage et ventilation qui fonctionnent quel que soit le volume produit. Sur douze mois, elle atteint 480 000 kWh. Les degrés-jours de chauffage ont été essayés comme seconde variable puis écartés. Leur statistique t valait 1,1, sous les 2,0 demandés par l'IPMVP, car le site se chauffe au gaz, hors du périmètre électrique.

La variation brute vaut environ 1,5 fois l'économie réelle, puisque la production a elle aussi baissé. Un ajustement proportionnel (1 200 000 kWh × 0,92) suppose que la charge fixe baisse avec la production. Ce n'est pas le cas : cette méthode sous-estime l'économie de 38 400 kWh, soit 31 %. Deux méthodes apparemment défendables produisent des résultats séparés de 46 %. Le plan doit donc désigner le modèle avant que quiconque connaisse le résultat.

Ce résultat représente de l'énergie évitée : la référence est projetée sur les conditions de la période de suivi. Une économie normalisée projette les deux périodes sur des conditions fixes, par exemple une année météorologique typique ou un volume de production prévu. Utilisez-la pour comparer des années entre elles ou à une cible et indiquez la méthode retenue.

Ajustement du modèle et incertitude des économies

Trois statistiques aident à juger si une régression peut ajuster la référence. Chaque variable demande une statistique t supérieure à 2,0. Le R² du modèle devrait atteindre au moins 0,75, valeur IPMVP citée par le guide du DOE. Le CV(RMSE), erreur standard rapportée à la moyenne, mesure la dispersion résiduelle. Le modèle de l'usine a un R² de 0,80 et un CV(RMSE) de 4,5 %.

La directive ASHRAE Guideline 14 demande ensuite l'incertitude de l'économie déclarée. Pour un modèle mensuel dont les résidus ne sont pas corrélés, son annexe B donne l'incertitude fractionnaire des économies (FSU) :

FSU ≈ 1,26 × t × CV(RMSE) × √((1 + 2/n) ÷ m) ÷ F

Ici, n est le nombre de points de référence, m celui des points de suivi, F l'économie exprimée en part de la référence ajustée et t la valeur de Student associée au niveau de confiance. Pour l'usine, n = 24, m = 12 et F = 0,107. À 90 % de confiance et 22 degrés de liberté, t = 1,72 :

La directive 14 demande que l'incertitude soit inférieure à 50 % de l'économie annuelle déclarée à 68 % de confiance : ce modèle passe. Les deux lignes décrivent le même modèle et les mêmes données. Un chiffre d'incertitude sans niveau de confiance n'est pas comparable.

Les limites CV(RMSE) souvent attribuées à la directive 14, 15 % avec NMBE de 5 % pour des données mensuelles et 30 % avec 10 % pour des données horaires, sont des critères d'étalonnage d'une simulation (option D). Elles ne servent pas à qualifier une référence par régression. Pour cette dernière, le critère est l'incertitude des économies ci-dessus.

F étant au dénominateur, les petites économies échouent d'abord. Avec le même modèle, une économie de 5 % donne une FSU de 58 % à 90 % de confiance. Si le modèle a un CV(RMSE) de 15 %, la FSU atteint 195 % pour cette économie de 5 % : le résultat ne se distingue pas de zéro. La limite du DOE pour l'analyse d'un site entier, décrite plus bas, découle de ce calcul.

La directive 14 limite aussi le domaine d'application du modèle. N'utilisez celui-ci que lorsque chaque variable indépendante se situe entre 90 % de son minimum et 110 % de son maximum dans les données de référence. Tous les mois de suivi de l'usine restent dans cette plage ; un mois avec deux semaines d'arrêt n'y serait pas. Présentez-le séparément comme hors domaine du modèle.

Les quatre options IPMVP

L'International Performance Measurement and Verification Protocol (IPMVP), publié par Efficiency Valuation Organization, définit quatre options. Les directives de mesure et vérification du DOE reprennent les mêmes :

Une valeur stipulée déplace le risque. Si le plan fixe 4 000 heures de fonctionnement mais que le site n'en réalise que 3 200, l'économie déclarée est supérieure de 25 % à la réalité et la partie ayant accepté la stipulation supporte l'écart. Le guide du DOE avertit que la stipulation peut transférer le risque au client. Ne stipulez que des valeurs documentables et mesurez le paramètre qui détermine l'économie.

Le guide du DOE réserve l'option C aux projets dont l'économie attendue dépasse environ 10 à 15 % de la consommation mesurée chaque mois. Il demande au moins 12 mois de données de référence, de préférence 24 ou plus, et au moins 9 mois de suivi, de préférence 12. Les 10,7 % de l'usine se situent au bas de cette fourchette ; son faible CV(RMSE) rend le résultat exploitable.

Les options A et B placent le périmètre autour d'un système : elles manquent donc les effets indirects. Un nouvel éclairage réduit les apports de chaleur intérieurs ; le besoin de chauffage augmente et celui de refroidissement diminue, sans que ces effets apparaissent sur le circuit d'éclairage. Estimez-les séparément ou utilisez l'option C, où le compteur principal les capte. Pour une seule mesure dans un grand site, mesurez le système lui-même avec A ou B.

Planifier avant toute modification

Rédigez le plan de mesure et vérification et commencez à relever la référence avant les travaux. Une fois l'ancien équipement retiré, son fonctionnement initial n'est plus mesurable. Le plan précise :

• le périmètre de mesure : système, bâtiment ou site entier ;
• la période de référence, en années complètes (12, 24 ou 36 mois), pour ne compter aucune saison deux fois ;
• les variables indépendantes, leurs unités et leur source, utilisées pour les ajustements courants du modèle ;
• les facteurs statiques, tels que surface au sol, horaires d'équipes et équipements raccordés, ainsi que la méthode d'ajustement non courant lorsqu'un facteur change (nouvelle ligne de production, nouveau locataire) ;
• chaque valeur stipulée et la partie qui en assume le risque ;
• la forme du modèle, les critères d'ajustement, le niveau de confiance de l'incertitude et la personne chargée du calcul.

ISO 50015 énonce les mêmes principes de mesure et vérification pour une organisation ; ISO 50006 traite des références énergétiques et indicateurs de performance dans un système ISO 50001. Un plan conforme à l'IPMVP s'intègre aux deux.

Données à relever avec les compteurs

Les factures mensuelles fournissent 12 à 24 points. C'est suffisant pour l'option C lorsque l'économie est importante et le modèle précis, comme dans l'usine. Les données d'intervalle sont importantes dans trois cas. L'option B les demande. Les mesures qui changent les horaires se voient la nuit et le week-end, périodes noyées dans le total mensuel. Un événement non courant se révèle sur quelques jours, pas sur la facture suivante. Pour la régression, le DOE suggère d'agréger les données d'intervalle en valeurs quotidiennes ou mensuelles. Les résidus quotidiens sont souvent autocorrélés : la formule FSU mensuelle sous-estime alors leur incertitude, et l'annexe B de la directive 14 fournit la correction.

Conservez les données brutes. Consignez chaque exclusion et estimation avec sa raison.

Présenter les économies

Le rapport indique l'économie ajustée en kWh et en pourcentage de la référence ajustée, avec la FSU et son niveau de confiance. Pour l'usine : 122 400 kWh, 10,7 %, ± 33 400 kWh à 90 % de confiance, en précisant les dates des périodes de référence et de suivi. Il comprend le modèle et ses coefficients, son R², les statistiques t et le CV(RMSE), chaque ajustement non courant avec son calcul et chaque période exclue avec sa justification.

Valorisez les kWh économisés au tarif de la période de suivi, ventilés par plage horaire. Le calculateur de coût électrique aide à cette ventilation. Présentez la réduction des frais de puissance appelée en kW sur une ligne distincte ; ne mélangez pas coût de mise en œuvre et avantages non énergétiques avec le chiffre d'économie d'énergie.

Quand un facteur statique change, appliquez la méthode d'ajustement non courant prévue au plan et consignez-la. Ne redéfinissez pas la référence sans trace pour faire apparaître une cible atteinte. Si une subvention finance le projet, la vérification des économies peut déclencher son paiement : pour les projets EXEED, SEAI retient le moindre de 30 000 € ou 10 % de la subvention jusqu'à la certification EXEED de l'actif ou à la vérification des économies. Voir le guide de subvention EXEED.

Erreurs fréquentes dans les déclarations d'économies

Les économies liées aux horaires et aux commandes s'érodent souvent en premier. Un horaire de GTB passe en commande manuelle pour un événement de fin de semaine et y reste. Un variateur est mis en contournement à 50 Hz pendant un défaut sans jamais être remis en service. Ni l'un ni l'autre ne se voit sur une facture mensuelle avant plusieurs mois. Le guide du DOE demande de répéter au moins chaque année les mesures de courte durée de l'option A. Avec les données d'intervalle, tracez la CUSUM chaque mois. La hausse de la charge nocturne est souvent le premier signe ; le guide de la charge de base nocturne explique comment l'interpréter.

Mesurer les économies avec EpiSensor

Pour les options A et B, installez des moniteurs d'électricité ZEM sur les circuits à rénover avant les travaux, afin de mesurer la référence au bon périmètre. Les capteurs de courant d'un ZEM sont étalonnés avec son compteur ; la classe 0,5S selon IEC 62053-22 s'applique donc à l'ensemble de la mesure. Cela réduit la contribution instrumentale à l'incertitude. Le ZEM transmet par maillage Zigbee ; il peut être installé plusieurs semaines avant le projet sans câble de données. Pour l'option C, un compteur d'impulsions ZPC lit la sortie à impulsions du compteur principal existant, si celui-ci en possède une. Le site obtient alors des données d'intervalle au périmètre où il n'avait auparavant que des factures mensuelles. Une Gateway exécutant Edge conserve les lectures sur site, fournissant une seconde copie des données brutes demandées par le plan.

Les événements d'effacement utilisent une autre référence, calculée à partir des jours précédant chaque événement. Voir le guide de référence pour l'effacement et le reste du parcours Performance des bâtiments et procédés.