Besoin net, consommation finale et consommation primaire

Sommaire

Besoin net en énergie

Les besoins nets en énergie représentent l’énergie que les systèmes de chauffage et/ou de refroidissement doivent fournir à l’ambiance pour maintenir une température intérieure définie (température de consigne) afin de compenser les déperditions thermiques en hiver et les surchauffes en été. On peut ainsi définir le besoin énergétique net pour le chauffage et le besoin énergétique net de refroidissement.

Les besoins nets en énergie sont donc uniquement liés aux caractéristiques constructives et à la fonction du bâtiment. Ils ne dépendent pas des caractéristiques des installations techniques.

Le besoin net en énergie est calculé sur base d’une température de consigne à partir du bilan suivant :

Q_net = Q_L – η_util. Q_g

Où,

Déperditions de chaleur [MJ] : Q_L = Q_T + Q_V.
Gains de chaleur [MJ] : Q_g = Q_i + Q_s.
Taux d’utilisation des gains de chaleur [-] : η_util.

Les déperditions thermiques

Pertes par transmission Q_T

Q_T = H_T . (η_i – η_e,m) . t_m

où,

H_T : Coefficient de transfert thermique par transmission [W/K].
η_e,m : Température extérieure moyenne mensuelle [°C].
t_m : Durée du mois [Ms].
η_i : température intérieure moyenne établie par convention pour la détermination du besoin énergétique.

Pertes par ventilation Q_V

Q_V = H_V . (ηi – η_e,m) . t_m

où,

H_V,heat,seci: Coefficient de transfert thermique par ventilation [W/K].
η_e,m: Température extérieure moyenne mensuelle [°C].
t_m : Durée du mois [Ms].
η_i : [°C] température intérieure moyenne établie par convention pour la détermination du besoin énergétique.

Les gains de chaleur

Gains internes

Ce terme représente la production de chaleur liée aux occupants et aux équipements (éclairage, bureautique, ventilateur, etc.)

Gains solaires

Les gains solaires (ou encore apports solaires) dépendent :

De la taille des surfaces vitrées,
De l’orientation et de la pente des fenêtres,
De la proportion vitrage/panneau/châssis,
Du type de vitrage (facteur g),
De l’ombrage de la fenêtre (ombrage environnemental et structurel),
Des protections solaires.

Taux d’utilisation des gains chaleurs

Selon les cas et les périodes de l’année les gains de chaleur ne sont pas toujours utiles. Par exemple, il arrive que même en hiver, les gains de chaleur dus aux apports solaires surviennent lorsque la température de consigne est déjà atteinte. La disponibilité de ces gains est donc décalée par rapport au besoin réel. C’est pour tenir compte de ce phénomène qu’un rendement d’utilisation des gains et des pertes est calculé. Celui-ci dépendra de :

De la proportion pertes/gains.
De la classe de masse thermique du bâtiment (inertie du bâtiment).

Climat utilisé pour les calculs

Un climat standardisé est généralement utilisé pour le calcul.

Consommation finale en énergie

La consommation finale d’énergie va plus loin que les besoins énergétiques et englobe en plus les pertes liées au fonctionnement de ces différentes installations (rendement des installations). Elle représente donc la consommation énergétique globale pour le chauffage et le refroidississement qui sera facturée à l’utilisateur.

Q_final = Q_net / η_instal

Avec :

_instal= _sys. _gen
_instal : rendement de l’installation.
_gen : rendement de production (du générateur).
_sys: rendement du système qui dépend des caractéristiques de distribution, d’émission, de régulation et du stockage de l’énergie du système.

Plus globalement, la consommation finale d’énergie est celle qui est relevé au niveau des compteurs, tant pour l’énergie thermique qu’électrique.

Consommation d’énergie primaire

Consommation en énergie primaire

L’énergie primaire est la première forme d’énergie directement disponible dans la nature avant toute transformation: bois, charbon, gaz naturel, pétrole, vent, rayonnement solaire, énergie hydraulique, géothermique, etc. Parler en kWh d’énergie primaire permet de mettre les différentes sources d’énergie sur le même pied d’égalité, en prenant en compte toutes les transformations nécessaires avant livraison au consommateur final. On utilisera ainsi les facteurs de conversion suivants, conformément à la réglementation PEB :

combustibles fossiles : fp = 1
électricité : fp = 2,5
électricité autoproduite par cogénération à haut rendement fp = 2,5
biomasse : fp = 1

Ainsi :

1 kWh de gaz naturel équivaut à 1 kWh d’énergie primaire
1 kWh d’électricité équivaut à 2.5 kWh d’énergie primaire

La consommation en énergie primaire est ainsi définie par :

E_p= f_p. Q_final

avec Q_finalla consommation finale d’énergie.

L’utilisation d’1 kWh d’électricité nécessite en réalité beaucoup plus d’énergie que l’utilisation d’1 kWh de gaz naturel, car la production d’électricité engendre beaucoup de pertes de transformation. L’électricité a donc un facteur particulièrement élevé (2,5). Ce facteur traduit le fait qu’1 kWh électrique utilisé a nécessité 2,5 kWh de combustible pour sa transformation. Autrement dit, le rendement de production de l’énergie électrique en centrale est de l’ordre de 40 %. On voit de suite, à priori, l’absurdité d’utiliser l’électricité pour produire de la chaleur puisqu’une chaudière au mazout ou au gaz possède un rendement minimum de l’ordre de 90 %.

Oui, mais…

Si nous pouvions affirmer ceci sans concession dans les années 80’, il convient aujourd’hui de nuancer ce point de vue pour au moins 3 raisons :

Le mix énergétique est de plus en plus vert : en 2023 la Belgique a produit plus de 25% de son énergie électrique de façon renouvelable et ce chiffre augmente chaque année (± 1,5% supplémentaire par an en moyenne depuis 2014 et devrait s’accélérer). Ainsi, pour mettre 1kWh électrique sur le réseau, on utilise de moins en moins d’énergie primaire.

Evolution dans le temps de la part d’énergie renouvelable dans la production brute d’électricité en Belgique. De haut en bas : Noir = Total, brun clair = éolien, jaune = solaire, vert = biomasse solide, doré = biogaz, brun foncé = déchets urbains renouvelables, brun= hydraulique hors pompage ^[1]SPW, Belgian Energy Data Overview, 2024

Le facteur fp pourrait par ailleurs suivre la tendance dans les prochaines années et passer de 2,5 à 2,2 voire 2.

Dans ce cadre, si nous faisons l’hypothèse un peu folle que 2/3 du mix énergétique sera renouvelable en 2050, alors le facteur d’énergie primaire chuterait théoriquement à ±0,8 ce qui rendrait l’utilisation de l’électricité du réseau plus intéressante pour le chauffage que les combustibles fossiles.

Des technologies comme les pompes à chaleur (PAC) sont aujourd’hui matures et leurs rendements peuvent dépasser les 250%. Ainsi, avec 1kWh d’électricité du mix énergétique, la PAC fourni généralement plus de 2,5kWh d’énergie thermique soit une efficacité globale sur énergie primaire ≥ 1 et se positionne ainsi avantageusement par rapport à l’utilisation de combustible fossiles.
Les panneaux solaires photovoltaïques sont devenus très abordables et leur rendement ne cesse d’évoluer de sorte qu’un grand nombre de nouveaux bâtiments en sont aujourd’hui équipés. Lorsqu’un bâtiment est équipé de tels panneaux en suffisance, il n’est plus absolument absurde pour ce bâtiment d’envisager de se chauffer totalement ou partiellement à l’électricité, même directe s’il arrive à autoconsommer. L’idéal restant évidemment de combiner avec une PAC performante et des moyens de stockage adaptés.
Vers une évaluation basée sur l’autonomie énergétique : l’augmentation de l’autoproduction d’électricité, grâce aux panneaux photovoltaïques, pousse aussi à repenser les méthodes d’évaluation énergétique des bâtiments. Dans un bâtiment autonome ou partiellement autonome en énergie (équipé de panneaux solaires, de batteries de stockage, etc.), la dépendance au réseau est réduite, ce qui limite l’utilisation de l’électricité produite par des énergies fossiles. À terme, des ajustements dans la réglementation pourraient prendre en compte cette autonomie partielle pour valoriser davantage les bâtiments utilisant majoritairement des sources renouvelables.

Bon à savoir :

La directive européenne 2018/884 permet aux Etats Membres d’aller plus loin et de faire varier les différents facteurs fp en fonction de la saison ou du mois pour tenir compte de la variabilité du mix énergétique au fils du temps (moins de soleil en hiver, par exemple). En agissant comme cela, la consommation durant les mois où l’énergie renouvelable est moins présente sera pénalisée (la valeur du fp pour l’électricité pourrait monter à plus de 2,5) et la consommation durant les mois où le renouvelable est plus présent serait moins impactant (valeur du fp inférieure à 2,5). Dans le même esprit, il est maintenant possible de différencier les valeurs fp par région ou zone énergétique (un système urbain isolé, par exemple).

Sources[+]