Limiter les pertes énergétiques dans les bâtiments d’habitat collectif
Cette article résume la première phase de documentation d’un projet de conception d’un objet communiquant. Une première partie présentera les différents enjeux menant à notre problématique ainsi que l’existant dans ce domaine. La seconde partie traitera de la réflexion que nous avons eue pour arriver à cette problématique, de notre stratégie de documentation sur le terrain, et des différentes parties prenantes à contacter.
Article rédigé par : Anass BENFATHALLAH, Jean GUILLAUME, Emile LALO, et Eric TOBITT
Les enjeux écologiques et environnementaux sont de plus en plus au coeur des débats. Il a été établi lors des différentes conférences sur le changement climatique type COP21, ou Sommet pour le Climat de l’ONU, que des mesures doivent être prises dans l’optique de réduire la consommation énergétique générale.
Nous avons identifié, en particulier en résidence étudiante, plusieurs pistes de diminution de notre impact environnemental, notamment via une consommation énergétique plus réfléchie. Nous avons constaté, en nous entretenant avec plusieurs élèves, que de nombreux résidants laisse le chauffage allumé toute la journée quitte à ouvrir la fenêtre en cas de trop forte chaleur au sein du logement, entraînant donc une consommation énergétique inutile. Les résidences étudiantes, devant couvrir ces frais de surconsommation, ont donc un réel besoin de consommation plus réfléchie. Ce besoin s’étend plus généralement à tout propriétaire de logement désirant réduire sa facture énergétique. C’est pour cela que nous avons décidé de travailler sur des fenêtres connectées permettant de réduire l’impact environnemental. Vivant sur un campus étudiant, et par souci de praticité, notre étude portera dans un premier temps sur l’utilisation de fenêtres connectées en résidence étudiante puis s’étendra progressivement aux autres types de logement.
Pb : Comment la conception d’une fenêtre connectée pourrait limiter la consommation énergétique de l’utilisateur ?
A – Présentation de la problématique et État de l’art
Introduction et présentation des enjeux
La consommation énergétique d’un logement est un enjeu d’une part environnemental mais également économique. En effet chaque logement peut être soumis à un DPE (Diagnostic de Performance Énergétique), se voyant ainsi attribuer une lettre entre A et E rendant compte de la consommation énergétique du logement. Cette lettre influe directement sur le prix de vente ou de location du logement. Selon Dominique François [1], plus de 53% des logements en France métropolitaine ont un DPE de D ou E. Le secteur résidentiel étant le premier secteur consommateur d’énergie avec les transports, un réel besoin de réduction de consommation énergétique en découle. D’après l’article [2], publié sur le site d’Engie, les fenêtres accentuent les effets du soleil et c’est par elles que se font les 2/3 des apports de chaleur dans une habitation en hiver permettant donc des économies conséquentes en chauffage. Plusieurs solutions liées à la fabrication de ces fenêtres permettent de répondre au besoin de réduction de la consommation énergétique notamment l’ajout de capteurs et d’émetteurs permettant d’adapter l’ouverture de la fenêtre en fonction de la température enregistrée dans la pièce. Nous allons dans cette étude nous concentrer sur les fenêtres connectées, leur conception et les différents services qu’elles proposent.
Définition d’une fenêtre connectée
Le Dr. Jean Meyer définit, dans son article [3], les fenêtres comme tout type de surface vitrée, allant de la fenêtre oscillo-battant dans une cave jusqu’à la baie vitrée d’un salon ou encore la verrière d’une cuisine. Même si leur résistance thermique a fortement progressé avec notamment l’arrivée du double vitrage il y a quelques décennies, les fenêtres restent malgré tout un lieu de rupture thermique dans l’habitat. Elles résistent toujours difficilement aux grands froids et accentuent la chaleur en été.
La plateforme Mercator [4] définit les objets connectés comme “des objets qui captent, stockent, traitent et transmettent des données, qui peuvent recevoir et donner des instructions et qui ont pour cela la capacité de se connecter à un réseau d’information. […] On peut distinguer les objets mettables (wearable), mobiles, domestiques ou de loisir, d’infrastructure ou de productivité.”
On peut donc définir la fenêtre connectée comme une fenêtre munie de capteurs permettant une connexion à une plateforme de type téléphone, tablette, ou ordinateur afin que l’utilisateur puisse contrôler, ou programmer à distance son utilisation
Etat de l’art des capteurs utilisés
Dans cette seconde partie vont être présentés les différents produits et services de fenêtres connectées actuellement proposées sur le marché.
Stanislav Vechet et al. décrivent dans leur papier [5] une méthode de détection de la consommation d’énergie à partir de données sensorielles. Les maisons intelligentes sont un bon exemple de cette technologie en instaurant de nombreux capteurs comme des capteurs de température, d’humidité, de lumière ambiante qui sont utilisés pour contrôler l’environnement intérieur avec une qualité donnée.
Les différents capteurs utilisés sont les suivants :
- Capteurs PIR : capteur de mouvement et détecteur de présence afin de déterminer si l’utilisateur est dans la pièce.
- Capteurs IR/Laser : capteur de mesure de grandeurs type température, pression, etc.
- Capteurs DHT11 ; capteur de température proposé dans le système de F.Margaret Sharmila et al. [6]
- Capteurs d’ouverture : capteur qui permet de déterminer si la fenêtre est ouverte ou non.
Etat de l’art des fenêtres connectées : L’utilisation classique de la fenêtre connectée
Gour Karmakar et al. proposent dans leur article [7] un système pour contrôler à distance et automatiquement l’angle des fenêtres, les rideaux, les climatiseurs et les appareils de chauffage. Le système choisit notamment la période d’activation des climatiseurs en fonction des besoins de la pièce en lumière et chauffage. Cette maîtrise se fait à travers la récolte de données provenant de capteurs installés sur les fenêtres ou les rideaux et se définit en trois niveaux de température et d’intensité lumineuse: élevé, moyen ou faible. La période d’activation et les paramètres de la commande automatique peuvent être réglés à tout moment et de n’importe où en fonction des besoins des occupants de la pièce.
Ensuite, Gour Karmkar explique que le système proposé se compose de trois sous-systèmes : (i) détection, (ii) Wi-Fi, (iii) contrôleur. Le composant de détection regroupe des capteurs de température et d’intensité lumineuse et reçoit les prévisions météorologiques, par exemple les températures maximales et minimales prévues pour cette journée (récupération d’Internet par wifi).
D’autres systèmes ont été proposés, notamment par F.Margaret Sharmila et al. [6] qui considèrent que la fenêtre Smart s’intègre lors de la construction d’un bâtiment, mais aussi peut s’adapter aux structures existantes. Ils ajoutent que la fenêtre intelligente permet de limiter l’utilisation de faux éclairages et d’optimiser le chauffage, la ventilation et la climatisation donc de limiter la consommation d’énergie. Le système proposé par cette équipe fait fonctionner la fenêtre automatiquement sans l’aide d’une personne. Il utilise un capteur DHT11, qui est simplement un sonde de température, une carte arduino et un moteur pas à pas. Ce système permet de mesurer la température ambiante et de la comparer à la température souhaitée. Cela permet d’améliorer intelligemment le fonctionnement des fenêtres et de réduire la nécessité d’action de l’utilisateur.
Il semble donc que la conception d’une fenêtre doit prendre en compte plusieurs aspects. Ellen Kathrine Hensen et al. [8] mettent l’accent sur le fait que la fenêtre en tant qu’élément central du design doit être définie par une approche multidisciplinaire large. Ils illustrent une approche hybride qui peut être utilisée à la fois comme un dispositif esthétique et comme un outil technique pour améliorer la qualité de vie dans les maisons et réduire la consommation d’énergie.
En alliant design, ergonomie, et aspects techniques, une multitude de produits/services innovants peuvent être proposés afin de répondre aux différents besoins de consommation énergétique.
Etat de l’art des fenêtres connectées : Les dernières innovations
Certains constructeurs de fenêtres proposent des services au-delà de la simple fenêtre connectée permettant de réduire la consommation énergétique. Ces services innovants sont un moyen pour les constructeurs de fenêtres connectées de se démarquer les uns des autres.
L’entreprise WICONA propose la Smart Window [9] qui est une fenêtre opacifiante dotée de la technologie électrochrome qui va permettre de foncer ou d’éclaircir la fenêtre en fonction de la luminosité sans affecter sa transparence. Grâce à un double vitrage photovoltaïque, cette fenêtre ne nécessite pas d’apport extérieur en énergie. Cette fonctionnalité d’opacité permet à l’utilisateur de contrôler à distance la quantité de photons, et donc de chaleur entrant dans le logement. Il est également possible de programmer l’opacité de la fenêtre en fonction de la température du logement permettant donc de limiter l’utilisation du chauffage et permettant donc de réduire la consommation énergétique.
L’entreprise Oknoplast propose également son modèle Smart Window [10] en ajoutant à la fenêtre une interface tactile transformant cette dernière en tablette. La surface vitrée est conçue pour garantir un affichage des informations sans contre-jour permettant une parfaite visibilité des informations. Ce modèle, bien qu’étant innovant, n’apporte aucune fonctionnalité supplémentaire répondant à notre besoin de réduction de consommation énergétique.
B – Méthodologie de recherche sur le terrain
Contexte et recherche de problématique :
Le marché de l’habitat collectif constitue notre cible et point de départ pour proposer un produit qui réponde à un de leurs problèmes. Tous les membres de notre groupe résident en résidence universitaire, ainsi nous avons une certaine proximité avec les enjeux / problèmes de ce milieu et observé certains faits pouvant mener à des problématiques.
Nous avons remarqué que les fenêtres (notamment dans les espaces communs) de la MaisEl restent souvent ouvertes toute la journée, ce qui occasionne des déperditions énergétiques. Ces pertes énergétiques sont coûteuses pour la résidence et nuisent à l’environnement.
Nous cherchons donc une solution pour minimiser les pertes énergétiques provenant de l’ouverture prolongée de fenêtres de résidences universitaires.
La première étape consiste en une phase de brainstorming, puis de mindmapping en groupe afin d’établir des hypothèses et préparer une interview à mener pour progresser dans l’établissement d’une problématique.
Identification des parties prenantes :
Afin de préciser la problématique initiale, nous avons relevé les acteurs de cette problématique, c’est-à-dire tous les acteurs qui sont influencés par une évolution des fenêtres de résidence.
- Les sociétés, associations ou syndicats gérant des logements collectifs, qui selon l’organisation des logements peuvent avoir à gérer de l’entretien jusqu’au financement du chauffage du bâtiment concerné, et pour qui une meilleure DPE peut autoriser des loyers plus élevés
- Les entreprises du BTP qui définissent l’architecture des futures résidences (donc le type de fenêtre à utiliser
- Les résidents pour qui une consommation énergétique excessive se traduit systématiquement par un loyer accentué et qui sont en interaction directe/physique avec la fenêtre et donc les objets communicants dessus
- Les distributeurs d’énergie pour qui une baisse conséquente de la consommation des grand bâtiments en hiver mènera à une réorganisation de la production et de la distribution
- Les organismes effectuants les DPE qui devront réévaluer les bâtiments équipés
- Les collectivités territoriales qui vont considérer la possibilité de subventionner la pose de fenêtres intelligentes.
Nous avons ensuite restreint notre étude à certaines parties-prenantes : celles susceptibles de nous acheter des fenêtres intelligentes : les entreprises du BTP qui définissent l’architecture des futures résidences; les directions de résidences existantes qui décident des investissements à réaliser; les résidents qui veulent agir pour l’environnement; les particuliers qui veulent maîtriser leur consommation énergétique car ils la paient.
La recherche terrain :
Dans le but de définir une problématique qui soit au plus proche des besoins d’un marché nous avons choisi une approche non-linéaire qui reprend cependant les étapes de “Vérification”, “Distanciation” et “Formulation” [12] mais nous avons décidé de faire un aller-retour entre la “Vérification” et la “Distanciation”, tout en adaptant régulièrement la problématique (phase de “Formulation”); nous pourrions également parler de démarche cyclique. La partie “recherche terrain” correspond à la phase de “Vérification”.
Les interviews que nous avons et allons réaliser sont des entretiens semi-directif : Nous intervenons par de courtes questions/observations et nous laissons notre interlocuteur nous parler de ce que nos questions évoquent chez lui. Nous allons utiliser un questionnement non-inductif et nous ferons en sorte que nos questions n’orientent pas les réponses [12]. Nous utiliserons donc la “reprise en écho”, “l’explicitation”, la “reformulation-résumé”, le “reflet personnalisé”, la “complémentation” et “l’interrogation spécifique”? [12] [13]
- Observations et Immersion
En tant qu’étudiants, nous avons remarqué certains non sens écologiques au sein de notre résidence. Il arrive fréquemment que les fenêtres, notamment les fenêtres des espaces communs restent régulièrement ouvertes toute la journée bien que le chauffage soit en marche.
- Interviews qualitatives
Le but des ces interviews qualitatives est de comprendre notre persona utilisateur au mieux possible et d’identifier ce qui le motiverait ou ce qui l’empêcherait de consommer notre produit afin de déterminer de nouvelles informations plus précises et techniques sur notre sujet d’étude.
Nous avons donc commencé par une interview dont le but était de savoir à quel point notre problématique fait partie de ce qui pose problème à la MaisEl. Celui qui dirige l’interview parle des fenêtres d’espaces communs souvent laissées ouvertes et guette la réaction du directeur de la MaisEl et du “responsable terrain”.
Nous prévoyons aussi d’interroger plusieurs personnes considérées comme de potentiels utilisateurs :
- Le responsable d’une autre résidence collective : nous devons évaluer à quel point les responsables de résidence ont identifié le problème que nous adressons: les pertes énergétiques par les fenêtres laissées ouvertes.
- Une personne d’une entreprise du BTP : Il sera intéressant d’avoir le point de vue d’un professionnel sur la possibilité d’installer notre système dans les résidences universitaires.
- Un technicien d’Engie : Ce profil est intéressant parce qu’il peut apporter un vision macro les solutions existantes dans ce domaine et les contraintes qu’on peut confronter.
La prise de contact des personnes listées ci-dessus sera :
- De fixer, dans la mesure du possible, par téléphone ou mail un rendez-vous physique sur leur lieu de travail.
- Sinon, ces interviews peuvent être conduites par visio ou par appel téléphonique.
- Interviews quantitatives
L’objet de ces interviews est de réaliser une approche statistique sur l’ensemble des problèmes de surconsommation d’énergie dans les résidences collectives.
Ainsi, nous prévoyons d’interroger plusieurs personnes :
-Directeurs des résidences universitaires : ces profils sont intéressants par leur connaissance des problèmes de consommation d’énergie. Ils peuvent aussi nous permettre d’accéder à des informations sur les coûts énergétiques des années passées.
-Centre d’aide des groupes énergétiques [11] ( Ex : Engie, EDF..): Ces profils sont intéressants de par leur connaissance des solutions existantes et de par leurs bases de données chiffrées sur les pertes énergétiques sans fenêtres intelligentes et les gains potentiels en énergie en installant une solution de fenêtres intelligentes.
-Une personne du cabinet d’architecture d’une entreprise BTP. Ce profil est particulièrement intéressant pour connaître le coût de l’installation des fenêtres intelligents ainsi que la fréquence à laquelle ce service est demandé par le client et proposé par le cabinet d’architecture..
Enfin, ces interviews seront conduites la plupart du temps en respectant les contraintes de disponibilité des personnes citées en amont ainsi que suivant les contraintes de déplacement.
Conclusion :
Une fois les entretiens finalisés, nous pouvons mettre en évidence toutes les informations tirés de cette recherche (qualitatives ou quantitatives) et nous essaierons de résumer tout ce qu’on eu comme problématiques possibles. Cette méthodologie nous permettra d’interviewer un très large éventail de personnes et donc d’étudier le sujet globalement.
Bibliographie
[1]Dominique François, ‘Le parc des logements en France métropolitaine, en 2012’, France, Commissariat Général au Développement Durable n°534, Juillet 2014
[2] Rédigé par Engie, ‘Maison connectée : des fenêtres intelligentes pour plus de confort, de sécurité et d’économie d’énergie’, France, 29 Janvier 2015
[3] Jean Meyer, ‘Maison intelligente : le guide de la fenêtre connectée’, Date de rédaction inconnue, France
https://moderne-house.fr/guide-fenetre-connectee/
[4] Mercator 11e édition, Définition d’objets connectés, France
https://www.mercator-publicitor.fr/lexique-marketing-definition-objets-connectes
[5] Stanislav Vechet, Jan Hrbacek, Jiri Krejsa ‘Environmental data analysis for learning behavior patterns in smart homes’, 30/01/2017, IEEE, Prague, Czech Republic
https://ieeexplore.ieee.org/document/7827849
[6] Margaret Sharmila, M.Abishek, Ullas Benny, ‘Iot Based Smart Window using Sensor Dht11’, 06/06/2019, IEEE, Coimbatore, India
https://ieeexplore.ieee.org/document/8728426
[7] Gour Karmakar, Soma Roy, Gopinath Chattopadhay et Zhigang Xiao, ‘Dynamically controlling exterior and interior window coverings through IoT for environmental friendly smart homes’, 08/05/2017, IEEE, Chruchill, VIC, Australia
https://ieeexplore.ieee.org/document/7921156
[8] Ellen Kathrine Hensen, Gitte Gylling Olesen, Michael Mullins ‘Home Smart Home : A Danish Energy-Positive Home Designed With Daylight’, 16/08/2013, IEEE, Danemark
https://ieeexplore.ieee.org/document/6579694
[9] WICONA, Présentation de la Smart Window, France
https://www.wicona.com/fr/fr/Produits/Fenetres-portes-fenetres/smart-window/
[10] Oknoplast, Présentation de la Smart Window, 22/08/2018, France
https://oknoplast.fr/communiques_presse/smart-window-fenetre-connectee-oknoplast/
[11] Crée par Engie, France, 31 Janvier 2014
https://particuliers.engie.fr/aide-contact.html
[12] Annabelle BOUTET-DIEYE, APPROCHE SOCIO-ANTHROPOLOGIQUE DES USAGES ET DES SERVICES STIC, https://moodle.imt-atlantique.fr/pluginfile.php/26152/mod_resource/content/1/Socio%20des%20usages_m%C3%A9thodo_2019.pdf
[13]Annabelle Boutet-Diéye, Karine Roudaut, Laurent Brisson, L’ENTRETIEN COMME TECHNIQUE DE COLLECTE DE DONNEES, https://moodle.imt-atlantique.fr/pluginfile.php/26153/mod_resource/content/1/m%C3%A9thode%20de%20lentretien_f%C3%A9vrier15.pdf
