Mesurer pour rénover

15/01/2016
Publication 3EI 3EI 2016-83
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-83:14878
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Mesurer pour rénover

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Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 19 Mesurer pour rénover. Michel OURY Josselin MORLET Agrégé de génie électrique Professeur certifié Professeur honoraire de classe préparatoire Lycée Galilée Directeur scientifique de TPLine 11, Avenue du Jour Association ANTEC 95801 Cergy 135 Allée de Champlong, 38430 Moirans josselin.morlet@ac-versailles.fr michel.oury@tpline.fr 1. Rénover pour économiser l’énergie dans le bâti de la fin du XXème siècle ! Le bâti ancien est règlementairement défini comme celui construit avant 1948. Or une grande partie du résidentiel a été construit depuis, entre les années 1960 et 1990, et donc bien avant que les décideurs se soucient enfin du gaspillage énergétique conséquence d’un énorme défaut d’isolation et d’une augmentation importante de la consommation électrique. Energie moyenne consommée selon la période d’achèvement du logement en Tep Les statistiques effectuées sur ce bâti classé comme «nouveau», montrent bien que la mise en œuvre des moyens permettant d’économiser l’énergie n’apparaît qu’à partir du début des années 1990, et que l’énergie consommée, que ce soit pour le chauffage ou les appareils, pourtant de plus en plus nombreux dans tous les ménages (informatique, médias, lave-linge, ...), diminue depuis le début des années 1990. Si les habitants des appartements, en grande majorité locataires, consomment moins que ceux des pavillons, et le plus souvent une énergie de réseau pour leur chauffage, on peut en déduire que ces derniers sont les premiers à ressentir le besoin de rénover leur habitat, pour faire tout à la fois des économies d’énergie et des économies financières. Répartition du volume consommé par type d’énergie en % Mais autant une rénovation dans le bâti immobilier réduit les dépenses grâce aux économies d’échelle, autant dans les ensembles pavillonnaires, habités majoritairement par des propriétaires, il est beaucoup plus difficile de regrouper tous les habitants pour entreprendre des travaux de rénovation de leur logement. Résumé : A partir de mesures de la consommation électrique, de la température et de l’humidité, réalisées, dans deux pavillons d’un ensemble de la communauté d’agglomération de Cergy-Pontoise, en temps réel et récupérables sur internet, des élèves des spécialités AC et EE, ont pu mener à bien leurs projets de fin d’année du baccalauréat STIDD 2015. En outre ce projet, soutenu par la communauté d’agglomération de Cergy-Pontoise a permis la mise en place d’un démonstrateur pédagogique de la mesure de la consommation énergétique dans ces deux pavillons «témoins». Ainsi une collaboration entre les habitants du lotissement (105 pavillons) et leur association de rénovation REV, la communauté de commune de Cergy-Pontoise et le Conseil Consultatif de Développement Durable de l’Agglomération, l’association TPLine experte depuis 2005 dans la mise en ligne de mesures en temps réel, l’Université de Cergy-Pontoise et l’administration, les professeurs et les élèves du lycée Galilée a pu être mise en place pour l’aboutissement de ce projet, qui est toujours actif, avec des changement de pavillons, d’élèves et de projets en 2016. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 20 En moyenne en France, l’électricité représente plus du tiers de la consommation des ménages. Et dans les logements individuels de type pavillonnaire, c’est presque 60% de cette consommation énergétique qui est utilisée pour le chauffage, y compris l’eau chaude sanitaire (ECS). C’est pourquoi le travail fait par les habitants du lotissement du Valmoutier, dans le quartier des Rougeux à Jouy-leMoutier (95) est intéressant. Le lotissement du Valmoutier a été réalisé entre les années 1979 et 1981. Il s’intégrait au développement urbain des Versants de l’Hautil, nouveaux quartiers de la ville nouvelle de Cergy-Pontoise. Son bâti soumis aux exigences réglementaires en matière d’isolation en vigueur à cette époque, n’est plus en adéquation avec les règles prenant en compte les réalités énergétiques et économiques d’aujourd’hui. C’est pourquoi, à la fin de 2013, des copropriétaires animés par une démarche volontaire et ayant pris conscience des multiples réalités qui s’imposent dans le domaine de l’énergie, ont créé une association pour la rénovation énergétique de leur lotissement (REV). Compte tenu qu’ils dépendent de l’énergie électrique pour la quasi-totalité d’entre eux, pour leurs besoins domestiques, de par la conception du lotissement dès son origine, ils se sont donc regroupés pour optimiser leurs consommations électriques et réaliser des économies, tout en améliorant leur niveau de confort. Une enquête réalisée auprès des copropriétaires a permis de repérer ‘’des besoins communs ‘’. Sur les 105 habitants du lotissement, 75 ont répondu à cette enquête. Dans cette perspective, d’optimisation et de réduction des coûts, des actions communes ont été proposées aux propriétaires concernés. L’une d’entre elles a été de demander, fin 2014, l’expertise de TPLine pour réaliser un démonstrateur pédagogique de la mesure de la consommation énergétique dans deux pavillons «témoins», l’un, énergivore, le pavillon A (en rouge sur le comparateur en ligne), l’autre moins énergivore, le pavillon B, en bleu sur les graphes de comparaison. Lotissement de « Le Valmoutier » 105 maisons- Quartier des Rougeux à Jouy le Moutier en Val d’Oise L’amélioration de la consommation électrique de ces bâtiments ne peut se concevoir que globalement, en faisant une étude à la fois architecturale et énergétique du bâti. C’est pourquoi TPLine s’est associée au lycée Galilée de Cergy, et plus particulièrement aux professeurs et aux élèves des spécialités AC (Architecture et Construction) et EE (Énergie et Environnement) de ses baccalauréats STIDD. Viendra ensuite une étude spécifiquement pédagogique et n’ayant pas d’impact au niveau de la consommation énergétique avec la spécialité SIN (Système d’Informatique et Numérique) visant à étudier les moyens de communication entre les divers Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 21 constituants mis en œuvre pour les mesures et leur gestion. Pendant l’année scolaire 2014-2015, plusieurs groupes d’élèves des spécialités AC et EE ont donc travaillé sur ce projet, qui est devenu celui qu’ils ont présenté lors des épreuves de soutenance de projet du baccalauréat 2015. L’université de Cergy-Pontoise a également été associée au projet par l’intermédiaire d’un étudiant qui en a fait le support de son étude de fin d’année. Le préalable indispensable à toute rénovation énergétique passe par l’établissement d’un bon diagnostique. Or dans ce bâti de la fin des années 1970, l’étude du comportement thermique et énergétique ne peut se satisfaire d’une seule simulation à partir d’un modèle imparfait. Une première étude sera architecturale (orientation du pavillon, mitoyenneté ou non, nature des matériaux de construction, ...) l’autre sera énergétique et consistera à mesurer de façon précise, et si possible en temps réel, les consommations de tous les appareils du logement, tant pour le chauffage que pour l’appareillage, ainsi que les températures dans les pièces du logement et le taux d’humidité relative dans la cuisine et la salle de bain. C’est de cette seconde partie, de mesurage, que nous allons parler dans la suite de cet article. 2. Le matériel de mesurage utilisé. La mesure des courants électriques consommés dans chacun des pavillons utilise des sondes ampèremétriques CurrentCost reliées à des appareils de mise en forme (filtrage, CAN, ...) et d’émission des informations (date et heure de chaque mesure, référence de l’appareil, ...) par télétransmission (ondes radio dans la bande internationale de 433 MHz ne nécessitant pas d’autorisation) vers un récepteur d’affichage EnviR. Tous les détails de cet appareillage ont déjà été donnés dans un précédent article de juillet 2012 de l’excellente revue 3EI. Merci donc de vous y reporter pour de plus amples renseignements. Dans les deux pavillons nous avons également implanté des sondes de mesure de la température et parfois du taux d’humidité relative (cuisine et salle de bains). Avec toujours cette optique d’utiliser du matériel grand public, bon marché, et d’en tirer le maximum de façon à maintenir la qualité des mesurages, nous avons opté cette fois pour des capteurs de la marque Arexx. Toutes ces données, une fois collectées par les divers appareils, EnviR pour CurrentCost et la mesure du courant électrique, BS-510 pour Arexx et la mesure des températures et du taux d’humidité relative, sont envoyées au PC par mode filaire USB. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 22 2.1 Les mesures électriques. Pour l’EnviR de CurrentCost le câble USB est en fait un câble de transmission des données avec le protocole RS232 mais entrant dans le PC via un connecteur USB. Un pilote de gestion est donc nécessaire. Il est fourni par le fabricant et disponible sur son site (http://www.currentcost.com/software- downloads.html) et dépend du type de câble utilisé. C’est le pilote Prolific PL-2303. Mais la version fournie n’a été validée que jusqu’au système d’exploitation Windows 7, et CurrentCost signale que «The Current Cost Data Cable is not compatible withWindows 8.». Il fonctionne toutefois parfaitement avec Windows 8.1, mais nous ne l’avons pas testé avec le nouveau Windows 10. On peut trouver sur internet des versions de ce pilote Prolific adaptées aux versions de Windows 8.1 et suivantes, mais encore une fois nous ne les avons pas testées puisque la version pour Windows 7 fonctionne parfaitement sur nos PC équipés de Windows 8. Un logiciel, «FTP - Uploader» récupère donc les informations en provenance de l’EnviR et peut les envoyer vers un ordinateur distant selon le protocole FTP. Il faut pour cela indiquer dans un fichier de configuration, l’adresse IP du serveur, le login et le mot de passe. Le fichier de configuration est un fichier XML qui contient également la quantité d’informations (Batch Number) à regrouper avant l’envoi vers le serveur FTP. Exemple ci-joint. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 23 Chaque paquet d’informations est dans notre cas formé de 10 lignes au format XML également, et donc assez simple à relire et à utiliser, contenant outre des balises d’identification du logiciel, la date et l’heure de la transmission, la température mesurée par l’afficheur EnviR, l’heure des mesures faites sur un transmetteur (sensor n) par les pinces, et les valeurs en Watt de ces mesures sur les 1,2 ou 3 sondes reliées à ce transmetteur. Par exemple pour un transmetteur (sensor 1, identifié par son numéro 02907) reliée à trois sondes (ch1,ch2 et ch3) , nous disposerons sur le serveur des mesures faites par les trois sondes à 9h34:19 et transmises le 19 décembre 2015 à 9h30:40 : «19/12/201509:30:40 CC128v1.480025221.01< id>029071000490102000116» Sachant que les sondes sont des transformateurs d’intensité, qui mesurent donc le courant, on peut se poser une première question de savoir comment on en déduit des Watt. La réponse est toute simple et a son importance. Le fabricant est parti du principe que dans un logement, les puissances consommées sont toutes des puissances actives, donc de cosφ égal à 1. Le courant mesuré est donc multiplié par une tension arbitrairement fixée à 230 V, et la puissance affichée en W au lieu de VA. Cette valeur de 230 V peut être modifiée, de ±10V dans l’afficheur EnviR, et nous avons choisi de pouvoir également la corriger par logiciel, avec une précision meilleure, avant affichage sur le PC de la puissance consommée. Il est donc clair que, compte tenu de la tolérance de quelques % du capteur, et de l’approximation sur le cosφ les valeurs affichées ne peuvent pas être prises comme un calcul réel de la puissance consommée, mais juste d’une valeur approchée. Il est donc impossible de considérer que l’afficheur EnviR remplace le compteur ErDF ou permet de contester les valeurs relevées par un fournisseur d’énergie. Ce ne sont que des valeurs approchées à 5% environ des valeurs réelles. 2.2 Les mesures de températures. De la même façon que CurrentCost, les températures collectées par les différents capteurs sont transmises directement sous la forme d’ondes radio modulées à un récepteur, le boîtier BS-510 d’Arexx, relié par un câble USB au PC. Mais cette fois il ne s’agit pas d’une liaison RS232, et il n’est donc pas besoin d’un pilote et d’un câble spécifique. Dans l’ordinateur Arexx fournit, comme pour CurrentCost un logiciel de décodage et de mise en forme, qui a l’avantage de pouvoir afficher directement les courbes à l’écran. On peut identifier la puissance du signal radio de chaque émetteur, choisir la couleur de chaque courbe, etc. Un outil de transmission «Messenger» permet de transmettre ce que l’on veut, vers un serveur FTP. Il est possible de définir des règles de communication, pour la température, pour l’humidité, etc. Les capteurs dont on veut transmettre les données sont indiquées, la méthode d’appel du serveur distant, GET ou POST est choisie, ainsi que la forme du message. Par exemple, dans notre cas, le message utilisé pour envoyer les températures mesurées aura la forme suivante : «jour==$D/$M/$Y&&heure==$t&&sensor==$i&&te mp==$v» Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 24 Ce message sera envoyé, par la méthode GET ou POST de notre choix, en paramètre, à un programme qui se chargera de le réceptionner et de le décoder. Par exemple dans un programme écrit en PHP, on pourra récupérer, le jour, l’heure, l’identifiant du capteur et la valeur de la température avec ces simples instructions : $jour=$_GET['jour']; // On lit la date des mesures reçues depuis un pavillon au format D/M/Y $heure=$_GET['heure']; $sensor=$_GET['sensor']; $temp=$_GET['temp']; 3.Traitement et utilisation des données. Les données sont sauvées dans des tables d’une base de données. Chaque jour, à minuit, on sauve les données restantes du jour dans un fichier de texte où elles pourront être relues si besoin est. On les compile également afin d’avoir par exemple les totaux des puissances consommées chaque jour par chaque sonde, etc. Tout ceci n’est que moulinette software utilisant PHP et MySQL sur le serveur. Vient ensuite l’exploitation des données afin d’afficher les résultats en clair sur tous les navigateurs des tablettes et autres desktops. Dans ce cas c’est un harmonieux mélange de HTML5, CSS3 et Javascript avec quelques outils JS permettant de gérer, des calendriers, des traceurs de courbes, etc., en «responsive design», qui va nous permettre de fournir les résultats attendus par deux types d’utilisateurs : les habitants du Valmoutier et les bénévoles de leur association REV qui veulent pouvoir comparer les performances énergétiques des deux pavillons, et les professeurs et leurs élèves qui vont se servir de ces courbes pour mettre en place leur projet de baccalauréat, ou de TPs en ligne. Dans le premier cas, nous leur avons fourni trois pages d’informations : deux pages permettent de suivre en temps réel le tracé de toutes les mesures, puissances consommées, températures et humidités, dans le pavillon énergivore et dans celui qui l’est moins ; et une autre page fournit un comparateur au jour le jour des consommations, chiffrées en euros et réparties par type, chauffage (incluant l’eau chaude sanitaire) et appareils domestiques (c’est à dire tout le reste). Des surfaces proportionnelles aux dépenses, sont tracées, pour chaque pavillon (bleu pour le moins énergivore et rouge pour l’autre), et une surface sectorielle permet une comparaison directe des deux pavillons, en terme de coût c’est à dire en euros. Nous avons donc pris en compte, les tarifs heures creuses, heures pleines du pavillon énergivore et les 22 jours EJP pour l’autre. Des graphes barres sont également affichés pour les coûts journaliers, en mettant côte à côte les deux pavillons. Les degrés jours unifiés, sont calculés à partir de nos relevés des températures extérieures et affichés (DJU) sous la forme d’une courbe linéaire. Il est également possible de connaître les jours dits à Effacement Jours de Pointe (EJP). Nous avons donc pu fournir, avec des moyens à faible investissement, des outils répondant à l’attente des habitants. Pour les utilisateurs de l’enseignement, toutes les données sont disponibles sous la forme de grains (factures ErDF, documents techniques sur les radiateurs, les pompes à chaleur des pavillons, ...) ainsi que les courbes précédentes évidemment. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 25 Mais des travaux pratiques en temps réel sont également en cours de mise au point et pourront être disponibles sur www.tpline.eu, en version bilingue français/anglais (dans un premier temps). Il faut également relativiser ces comparaisons en tenant compte : - des populations différentes (deux personnes retraitées dans le pavillon bleu peu énergivore et deux adultes actifs avec deux jeunes enfants dans le pavillon rouge énergivore), - du fait que pendant les jours EJP le pavillon bleu ne se chauffe plus avec ses deux pompes à chaleur mais avec un poële à bois. Il est donc nécessaire d'ajouter la part énergie produite par le bois, soit une moyenne sur 3 ans de 5840 KWh pour 3 stères à 50 €/stère chaque année. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 26 Le site destiné aux habitants, sur lequel tout un chacun peut accéder aux courbes à J-7 pour les courbes en temps réel et au comparateur ainsi qu’aux Technograins est accessible depuis www.tpline.eu, dans le dernier système en ligne, «Bilan énergétique des pavillons du Valmoutier». Les abonnés à la lettre d’information de TPLine seront mis au courant dès que les TPs en ligne seront terminés. Leur exploitation tiendra compte initialement uniquement des données énergétiques, mais très rapidement aussi de tout ce qui a été mis au point par les spécialités Architecture et Bâtiment du lycée Galilée de Cergy. 4.Exploitation pédagogique en projet STIDD. Dès la mise en ligne des relevés, au début de l’année 2015, deux groupes d’élèves du lycée Galilée de Cergy ont pu commencer à travailler sur leur projet de fin d’année (voir les fiches descriptives dans les pages précédentes). Deux spécialités ont été associées pour ce travail : la spécialité Architecture et Construction (AC) et la spécialité Énergie Environnement (EE). Les élèves de la spécialité AC ont modélisé les deux pavillons, et à partir de ces modèles ont étudié des solutions d’isolement par l’extérieur. Pour ce faire ils ont travaillé sur des documents fournis par les habitants, plans côtés d’origine et plans à main levée pour les modifications. Ces plans 2D ont nécessité une visite des lieux afin de pouvoir relever toutes les dimensions sur l’axe z, indispensables à l’obtention d’un modèle 3D. C’est également lors de ces visites que les élèves ont pu vérifier les épaisseurs, la nature des ouvertures, et des matériaux. Les plans ont été numérisés et le modèle 3D conçu avec le logiciel SketchUp. Ces documents sont disponibles dans les Technograins sur le site de tpline.eu. L’autre axe de travail a porté sur la production d’eau chaude sanitaire en remplaçant le ballon électrique par un ballon thermo dynamique, solution très efficace, mais aussi onéreuse. Les élèves de EE se sont eux penchés sur comment il était possible de réduire la consommation d’énergie d’optimiser les offres de contrat du fournisseur d’énergie. 4.1 Comment chauffer en utilisant moins d’énergie. Les mesures ont permis de faire un constat simple : la température dans les pièces ne variait que très peu, quelle que soit l’heure. Les élèves ont donc proposé un chauffage différencié fonction de l’utilisation des pièces à «vivre» et des pièces à « dormir ». Le point de départ a été la modélisation de la maison grâce au logiciel Archimist qui a permis à partir du plan d’architecture d’estimer la consommation en fonction de la température extérieure et de la température intérieure. Bien sûr, la nature des matériaux de construction a été prise en compte. Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 27 L’organisation de la maison sur deux niveaux avec les chambres au premier étage a permis de manière très simple, à l’aide de la simulation, d’estimer la consommation suivant différents scénarios. Quatre situations ont ainsi été définies: l’ensemble de la maison à une température de confort (19°C) ou à une température éco (16°C), ou alors dans une situation ou les températures étaient mixées entre les deux étages. A partir de ces scénarios quatre évaluations ont été faites grâce à la simulation. Les échanges thermiques entre les deux niveaux sont pris en compte par le logiciel ce qui était important du fait de l’escalier. Un élève a ainsi, seul, en autonomie, réalisé cette étude. A partir de ces valeurs son travail s’est poursuivi en définissant un emploi du temps type (après enquête auprès des propriétaires de la maison) de la situation de température désirée heure par heure. Cela permettant simplement à l’aide d’un tableur de définir le bilan de puissance, et de le comparer à la situation existante. La mise en œuvre d’une telle solution est assez simple à obtenir à l’aide d’un boitier de programmation par zone. L’élève a ainsi pu démontrer la faisabilité dans le cadre d’une rénovation et le retour sur investissement en moins d’un an. Dans le cadre d’une meilleure gestion du chauffage l’anticipation de la variation de la température extérieure reste une « piste » à étudier, en effet l’inertie thermique de la maison n’ayant pas été prise en compte, les relevés réalisés permettraient d’explorer cette solution. Une autre recherche a été faite sur le lissage de la consommation et la possibilité offerte de réduction du contrat d’abonnement auprès du fournisseur d’énergie. Préoccupation qui dans les années à venir sera importante avec la généralisation du compteur LINKY, qui assurera une mesure en continu de la consommation, et ne permettra plus aux abonnés de « bénéficier » d’une sous facturation pour un dépassement instantané de la puissance souscrite. Toujours grâce aux relevés en ligne sur tpline, un élève a pu faire un bilan des consommations et constater l’utilisation simultanée éventuelle des appareils. Son étude sur la mise en place d’un délesteur et de l’utilisation du tarif nuit a permis de montrer que dans ce cas ce n’était pas une réduction de consommation mais une meilleure utilisation de l’énergie qui était possible en utilisant celle-ci la nuit par exemple lorsqu’il y avait moins de demande. L’ensemble à 16°C L’ensemble à 19°C Mesurer pour rénover La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 28 Étage à 19°C - RdC à 16°C Étage à 16°C - RdC à 19°C La possibilité offerte par le suivi en temps réel et en direct de la consommation d’une maison permet de prendre conscience de l’utilisation faite de l’énergie. Mais certaines interrogations restent sans réponse comme par exemple lors du départ en vacances : «Que faut-il faire : laisser son ballon d’’eau chaude sanitaire en fonction ou le couper ?». Cette question a été posée par un des propriétaires. Un autre élève a également estimé les économies qu’il était possible de réaliser, simplement en repensant les couleurs des murs des pièces. Des couleurs aussi proches que possible du blanc permettant de disposer d’autant de luminosité avec des ampoules à plus faible émission de lumière. L’intérêt des élèves pour ce travail sur un système réel, en liaison avec des habitants, et en ayant comme objectif de mieux vivre en consommant moins ayant été très positif, l’expérience est de nouveau en cours pour le baccalauréat 2016, avec de nouveaux élèves et en partant des résultats déjà obtenus en 2015. Par ailleurs le fait de pouvoir travailler cette année sur une nouveau pavillon énergivore, disposant lui déjà d’une régulation par zone du chauffage, ainsi que du délestage, amène une expérience nouvelle, puisque les deux pavillons énergivores pourront être comparés. Habitant, Professeurs & TPLine en coordination.