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Des dizaines de pourcents d’économies : le potentiel des Digital Twins et l’intérêt de l’hydraulique dans les grandes installations HVAC

Des dizaines de pourcents d’économies : le potentiel des Digital Twins et l’intérêt de l’hydraulique dans les grandes installations HVAC

Comment les Digital Twins peuvent-ils contribuer à ‘verdir’ les grandes installations HVAC (chauffage, ventilation et climatisation) en vue de la neutralité climatique ?

Alors que la situation climatique se dégrade et que le besoin de mesures fermes et décisives se fait de plus en plus pressant, les initiatives durables se multiplient sous l’impulsion du Pacte vert et de son cadre législatif. En toute logique, ces initiatives visent d’abord quelques quick wins nécessitant peu d’investissements ou pas de changements radicaux, comme des formes plus durables d’éclairage ou baisser le chauffage d’un degré. Mais au-delà de ces simples gestes du quotidien, qu’en est-il des décisions qui touchent à des sujets plus complexes et coûteux, potentiellement lourdes de conséquences, notamment le chauffage et le refroidissement de grands édifices comme les écoles, les hôpitaux, les bâtiments publics et les immeubles de bureaux ?

Dans ce domaine, les innovations technologiques et les solutions intégrées prolifèrent : systèmes de cogénération, pompes à chaleur, réseaux de chaleur… Ces multiples solutions sont autant d’arbres qui risquent de nous cacher la forêt. À cela s’ajoute qu’il n’est pas toujours facile d’évaluer l’impact réel de certaines mesures, alors que le défi, lui, reste le même : réduire autant que possible les émissions de CO₂ tout en maîtrisant les coûts.

Qui dit complexe, dit sensible

De plus, la complexité accrue des options et solutions ne simplifie pas la conception hydraulique, l’intégration et le réglage des systèmes HVAC. Ces étapes sont pourtant indispensables au bon fonctionnement de ces installations, surtout les plus grandes.

« À mesure que les systèmes de chauffage et de refroidissement se complexifient, par l’association de plusieurs sources de chaleur, une conception hydraulique et une stratégie de réglage adéquates gagnent en importance. Même au niveau des technologies éprouvées, comme la cogénération, nous remarquons que la conception hydraulique et la stratégie de réglage des installations entraînent souvent une sous-performance, générant des pertes d’efficacité qui se chiffrent à des dizaines de pourcents. C’est ce qu’on appelle le ‘performance gap’, l’écart de performance », souligne le docteur-ingénieur Roel Vandenbulcke, fondateur et CEO de Hysopt. « Pour réduire la température de fonctionnement, par exemple, il ne suffit pas de remplacer des chauffe-eau au gaz par des pompes à chaleur. Non, ce point doit être envisagé dès la phase de planification et de conception. »

Des décisions éclairées grâce aux simulations et à la physique fondamentale

C’est dans cette phase de conception que les Digital Twins peuvent faire la différence. Les jumeaux digitaux  sont des répliques virtuelles d’un système physique – ici, un système HVAC ou un réseau de chaleur complet (où plusieurs immeubles/campus dépendent d’une même source de chaleur) – dans un modèle digital. Bien que le concept du Digital Twin ne soit pas nouveau, la technologie prend à peine son essor grâce à l’accélération de la digitalisation et à l’émergence de l’Internet of Things (IoT).

Dans le cas des installations HVAC, le Digital Twin s’appuie sur les lois fondamentales de la physique pour comprendre les futures performances d’un système en phase de conception. Ainsi, le jumeau digital simule les comportements du système dans un scénario ‘réel’. Cette démarche, riche en avantages, permet notamment d’anticiper les performances de solutions multiples et complexes – tant sur le plan de la consommation que des émissions –, sur plusieurs bâtiments, chacun ayant sa demande de chaleur, son taux d’occupation et sa technologie de distribution spécifiques.

« En résumé : en disposant d’un modèle digital de leur système HVAC, les propriétaires et les facility managers y voient plus clair dans le fonctionnement de leur installation. Ce modèle leur permet aussi de comparer l’impact de différents projets ou ajustements en toute objectivité. Ainsi, un Digital Twin aide les organisations à prendre les bonnes décisions techniques et financières, en faisant des choix éclairés à partir de plusieurs scénarios chiffrés, ce qui limite les risques », poursuit Roel Vandenbulcke, fondateur et CEO de Hysopt.

Chiffrer les performances à l’aide de KPI

Les concepteurs de systèmes HVAC cherchent à réduire autant que possible la consommation d’énergie, les émissions de CO2 et les frais d’investissement, tout en optimisant le confort thermique. Grâce à ses simulations dynamiques des performances des systèmes, le Digital Twin permet de comparer objectivement plusieurs projets conceptuels à l’aide d’une série de KPI, comme la consommation d’énergie annuelle, les coûts énergétiques, les émissions de carbone, le niveau de confort et l’investissement en capital.

Une analyse de sensibilité, réalisée automatiquement par le logiciel du Digital Twin, permet en outre d’affiner et d’optimiser le ‘meilleur’ projet de conception en fonction de la priorité retenue par les propriétaires et/ou gestionnaires du bâtiment : coûts en capital, émissions de carbone ou coûts énergétiques. Ainsi, le jumeau digital fait d’une pierre deux coups : il dote les concepteurs d’un dispositif technique propice à l’innovation et offre à leurs clients une transparence totale sur ce qui les attend, avant de prendre une décision d’investissement.

Combler l’écart de performance

En utilisant des algorithmes d’optimisation itératifs pour la sélection des composants hydrauliques (pompes, vannes, conduites de bonnes dimensions, échangeurs thermiques, etc.), les Digital Twins des systèmes HVAC jouent un autre rôle majeur : ils contribuent à combler le performance gap, l’écart entre les performances prévues en conception et les performances réelles de l’installation physique.

Comment ? En reléguant aux oubliettes les approximations ‘au pifomètre’, les fameuses ‘règles d’or’ et même les marges de sécurité inutiles, typiques d’un mode de conception traditionnel. Autre avantage : cette démarche fait baisser de 10 % le capital investi dans une installation neuve. Elle garantit aussi la bonne sélection et le dimensionnement adéquat des composants. Enfin, le modèle digital renseigne les installateurs et les techniciens sur la configuration des composants durant l’installation et la mise en service. Cela réduit le nombre d’heures sur site, évite bien des erreurs et assure la parfaite correspondance entre le projet as-built et le système as-designed optimisé.

Plaisir à vie

Et ce n’est pas tout. Le Digital Twin prouve son utilité même après la mise en service, en évoluant avec l’installation. Tout au long du cycle de vie, il continuera d’informer les concepteurs et les accompagnera dans la prise de décisions éclairées et responsables sur les mises à niveau, les ajustements et les extensions nécessaires. Cerise sur le gâteau : la plus-value apportée par le jumeau digital peut être considérée comme financièrement neutre. En effet, grâce aux économies réalisées chaque année en matière d’énergie et/ou d’investissements en capital, les coûts seront vite rentabilisés, surtout au vu des prix récents de l’énergie.

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