L’ensemble des établissements d’enseignement sont engagés par l’arrêté de sobriété énergétique à une réduction de 10% des consommations énergétiques à horizon 2024.
Le décret tertiaire applicable à l’ensemble des bâtiments de ce type comporte une obligation réglementaire de diminution de 40% de consommations énergétiques en 2030, 50% en 2040 et 60% en 2050.
De plus, le campus Arts et Métiers de Metz s’est engagé dans une démarche Développement Durable et Responsabilité Sociétale (DD&RS) qui inclut une amélioration de la gestion énergétique ainsi que la mise en place d’un système global d’information patrimonial.
La collecte détaillée des consommations énergétiques permet une amélioration du suivi des performances des process installés, du confort des utilisateurs et de la facturation au plus juste des prestations fournies aux entités hébergées sur le campus. Le partage des données pour la pédagogie est également un atout dans le déploiement des Evolutive Learning Factory (ELF).
L’ensemble de ces exigences et des bénéfices induits rendent la mise en place d’un système de comptage des consommations électrique indispensable.
Dans un premier temps, nous allons mesurer pendant un an la consommation électrique totale dans chaque bâtiment. Au bout d’un an, nous mesurerons la consommation électrique de chaque appareil dans le bâtiment où la consommation est la plus susceptible de baisser.
Mesures de consommation électrique totale dans chaque bâtiment
Les mesures sont faites à l’arrivée du courant de chaque tableau général basse tension (TGBT). Les TGBT sont alimentés en 380 V triphasé. Chaque phase supporte jusqu’à 400 A, 630 A ou 2500 A, suivant le TGBT. Suivant l’intensité, il y a 2 ou 4 câbles par phase, avec une section de 150 mm², 185 mm² ou 400 mm² :
Câbles à l’arrivée d’un TGBT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Un électricien habilité à travailler sur les TGBT a vérifié l’ordre des phases (L1, L2, L3). Il a clipsé une boucle de Rogowski autour des câbles de chaque phase pour mesurer l’intensité des courants. Faciles et rapides à installer, elles limitent les risques d’accident et évitent de couper l’alimentation. Une boucle est assez grande pour entourer tous les câbles d’une phase :
Boucles de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Il faut veiller au sens de pose d’une boucle de Rogoswki pour mesurer une intensité positive. La flèche doit être orientée vers l’entrée des câbles dans le TGBT :
Sens de pose d’une boucle de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
À partir des mesures d’intensité sur chaque phase, nous calculons la puissance active P (W) = U (V) x I (A) x cos φ et la puissance apparente S (VA) = U (V) x I (A) qui conditionne la puissance souscrite chez le fournisseur d’électricité, puis l’énergie active (Wh) facturée et l’énergie apparente (VAh). Deux systèmes sont expérimentés pour mesurer et transmettre ces valeurs à une plateforme IoT sur Internet. Le premier système utilise un énergimètre et une transmission radio vers une passerelle DASH7 → Ethernet. Le second système utilise une carte microcontrôleur avec une prise Ethernet.
1) Système de mesure avec énergimètre et transmission radio vers une passerelle DASH7 → Ethernet
Ce système est développé par LiQuiBit, spécialiste de la transmission radio DASH7 :
Système de mesure LiQuiBit © LiQuiBit
Les 3 boucles de Rogowski sont branchées sur un énergimètre Accuenergy AcuRev 1312-RCT-X0 :
Énergimètre AcuRev © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La sortie Modbus de l’énergimètre est branché à une carte avec une interface Modbus et une puce radio DASH7. Cette carte envoie les données par radio à la passerelle DASH7 → Ethernet :
Carte avec interface Modbus et puce radio DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Coffret électrique avec énergimètre et passerelle Modbus → DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La passerelle DASH7 → Ethernet envoie les données à la plateforme IoT, avec le protocole de communication MQTT :
Passerelle DASH7 → Ethernet, avec transmission en MQTT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Pour améliorer la réception radio, l’antenne de la passerelle DASH7 → Ethernet a été remplacée par un kit antenne 868 MHz de McGill Microwave Systems. Avec la passerelle, elle a été placée en hauteur et au milieu du bâtiment :
Antenne 868 MHz © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Graphique sur la plateforme IoT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La documentation de la carte avec interface Modbus et puce radio DASH7 et de la passerelle DASH7 → Ethernet, ainsi que le code source des logiciels sont disponibles sous licences libres sur le site web de LiQuiBit.
2) Système de mesure avec microcontrôleur et transmission Ethernet
Nous aurions pu utiliser un énergimètre triphasé intégrant une prise Ethernet et un client MQTT, comme par exemple l’énergimètre Spoony de DotVision Energy ou l’énergimètre de PHOENIX CONTACT. Nous avons préféré faire développer une carte microcontrôleur par la société AE2I. Elle sera opérationnelle mi 2023. Tous les plans, logiciels et notices techniques seront diffusés sur cette page sous licence Open Source.
Mesures de consommation électrique de chaque appareil dans un bâtiment
Les mesures seront faites sur une centaine d’appareils en même temps et les capteurs seront susceptibles d’être déplacés. Nous choisirons donc des systèmes de mesure portables : pince ampèremétrique, capteur de courant, boucle de Rogowski… avec une émission radio des données vers la passerelle DASH7 → Ethernet. Cette passerelle centralisera et transmettra les données vers la plateforme IoT.
Tous les plans, logiciels et notices techniques seront diffusés sur cette page sous licence Open Source. Les données stockées sur la plateforme IoT seront disponibles sous licence Open Data, ce qui permettra de les visualiser, de les exporter et de les exploiter librement.
Un plan de prévention a été établi avant l’intervention de chaque entreprise. Merci au service informatique et au service patrimoine qui ont mis à disposition un réseau informatique dédié à l’IoT (VLAN), qui ont installé les câbles réseau, les alimentations électriques et l’antenne 868 MHz.
Auteurs : Clément LE HUBY, David VANTYGHEM <david.vantyghem@ensam.eu>. Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International.
Image en vignette : Multimètre avec pince ampèremétrique © Pano38 / Wikimedia Commons, licence CC BY-SA 4.0.
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