Ouvrir la voie à la cartographie et à l'analyse de l'énergie des bâtiments

Cet article a été rédigé par Eddie Oldfield, responsable principal des projets et des services consultatifs, QUEST; Jessica Webster, analyste de la planification énergétique, Ressources naturelles Canada; et Ryan Ahola, scientifique environnemental, Ressources naturelles Canada -

Présentation – Le défi

La cartographie et l’analyse de l’énergie des bâtiments sont essentielles pour cibler géographiquement les politiques et programmes énergétiques afin d’accélérer la transition vers un environnement bâti et une économie à faibles émissions de carbone. Les efforts visant à cartographier la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre des bâtiments sont entrepris par les municipalités canadiennes à des fins de planification de l’énergie et des émissions, avec le soutien de cabinets de conseil, d’universités et parfois d’organismes à but non lucratif. Les projets de cartographie énergétique sont menés de manière indépendante à différents moments, à différentes échelles et en utilisant différentes méthodes et hypothèses. Pourtant, fondamentalement, les données sont les mêmes : ce qu’il faut, c’est comprendre le parc immobilier et ses attributs liés à l’énergie, notamment le nombre de bâtiments et d’unités, leurs surfaces respectives, ainsi que la consommation énergétique historique mesurée et la consommation énergétique prédite modélisée en fonction de différents types de logements ou de bâtiments (appelés archétypes). Malgré ce point commun et les efforts de tous, il y a peu de coordination entre les initiatives et aucune pratique ou norme optimale n’est largement utilisée. Il en résulte une duplication des efforts, des économies d’énergie perdues et des opportunités perdues de décarbonisation, d’atténuation du changement climatique et de résilience climatique.

Étude de développement du concept de cartographie et d'analyse énergétiques des bâtiments (BEMA-CDS) a relevé le défi posé par cette situation en :

• Caractériser l’état de développement de la cartographie et de l’analyse énergétiques du parc immobilier au sens large ; et
• Informer les pratiques et les normes d'architecture informatique pour permettre la cartographie et l'analyse notamment de la consommation et de l'efficacité énergétiques résidentielles.

Lancement de l'étude + ce qui a été réalisé

Lancée en décembre 2019 avec le soutien de Ressources naturelles Canada (RNCan), l’étude s’est appuyée sur un certain nombre de sources d’information, notamment des recherches et des consultations publiques antérieures, des lois pertinentes et des initiatives connexes en cours. Elle a ensuite élaboré et publié, en février 2020, une demande d’information (DDR) sollicitant des réponses d’un large public d’intervenants et d’organisations. Des questions ont été posées dans huit catégories de sujets concernant le domaine de la cartographie et de l’analyse énergétiques des bâtiments.

Il ciblait trois scénarios principaux pour le développement et l’application de l’analyse et de la cartographie énergétiques des bâtiments :

1. Planification communautaire de l'énergie et des émissions
2. Examen du potentiel de conservation des services publics et planification du programme de gestion de la demande
3. Énergie des bâtiments fédéraux, provinciaux et territoriaux – Politiques, programmes, normes, codes du bâtiment

Une série de webinaires a été organisée à la mi-2020 avec les répondants à la RFI et les membres du groupe de travail du domaine de l'énergie et des services publics de l'OGC pour examiner et mettre en atelier les réponses fournies, pour parvenir à une compréhension plus précise de la pratique actuelle et apporter des contributions à l'architecture notionnelle.

Qui peut bénéficier de cette étude ?

Le rapport documentant le BEMA-CDS L'ouvrage se concentre sur les problèmes liés au partage des données et à l'interopérabilité des données spatiales qui font actuellement obstacle à la réalisation plus complète des objectifs et de la valeur de l'analyse énergétique des bâtiments. Cette perspective précieuse profite à de nombreux intervenants et programmes, notamment :

• Scientifiques du bâtiment et chercheurs en énergie
  • Propose des pistes pour améliorer l'interopérabilité des données, de meilleurs modèles et une coordination accrue
  • Identifie les approches potentielles pour réduire les doublons, le temps et les coûts au sein des organisations
  • Favorise un meilleur contrôle de la qualité et des données comparables pour la planification et l'évaluation des programmes
• Analystes des politiques gouvernementales, autorités réglementaires et comités des codes et normes du bâtiment
  • Identifie de nouvelles approches pour éclairer les programmes nationaux et provinciaux d’incitation à la rénovation des logements
  • Anticipe les défis et les opportunités d'interopérabilité des données autour des codes de modification des bâtiments existants
• Planificateurs énergétiques communautaires
  • Planification énergétique municipale, y compris la conception et la mise en œuvre de programmes d’efficacité énergétique des logements
  • Une vue géospatiale offre la possibilité d'une meilleure coordination avec les services publics grâce à une image opérationnelle commune
• Gestionnaires de programmes de gestion de la demande des services publics
  • Prévoit la nécessité d'une analyse géospatiale plus poussée à mesure que davantage d'énergies renouvelables sont mises en service ; compensation des coûts d'investissement
  • Indique les méthodes « derrière le compteur » qui pourraient améliorer l’adoption des programmes de conservation et de gestion de la demande (efficacité énergétique)
• Groupe de travail sur le domaine de l'énergie et des services publics de l'OGC (DWG)
  • Soutient l’identification d’activités potentielles supplémentaires de R&D et d’élaboration de normes au-delà du calendrier de l’étude BEMA-CDS, par exemple celles qui traitent de l’évaluation des stratégies de décarbonisation.

Cette discipline émergente se situe à la convergence de nombreux domaines et domaines de connaissances professionnelles, notamment la science du bâtiment, la science géospatiale, la science des données, l’urbanisme et la planification énergétique. Par conséquent, au-delà des scénarios d’utilisation prioritaires et des parties prenantes spécifiques identifiés ci-dessus, le BEMA-CDS intéressera également toute personne travaillant à l’avancement des villes intelligentes, des jumeaux numériques urbains, de la modélisation énergétique du parc immobilier et/ou du réseau intelligent (parfois appelé réseau numérique). Un segment émergent des technologies propres connu sous le nom de technologies climatiques – les entreprises de technologies propres qui s’attaquent spécifiquement au changement climatique – sera également intéressé si leurs solutions concernent l’énergie et les bâtiments, tout comme les capital-risqueurs cherchant à investir dans des entreprises de technologies climatiques. Les banques, qui considèrent de plus en plus le risque climatique comme un risque de prêt, devraient s’intéresser aux approches géospatiales pour quantifier l’intensité carbone de leurs portefeuilles hypothécaires et soutenir l’évaluation des produits de prêt pour l’efficacité énergétique et le déploiement des technologies des énergies renouvelables.

Quelques conclusions clés

Un défi critique et un besoin identifié dans cette étude est la disponibilité des bons éléments d'information spatiale pour effectuer une analyse énergétique des bâtiments à différents niveaux de généralisation et de spécificité afin d'améliorer la vie et de faire progresser les objectifs de la communauté. Dans les efforts de cartographie énergétique des bâtiments, des méthodes répétitives et non standardisées sont utilisées pour collecter, échanger et intégrer des ensembles de données. Parmi les exemples notables de cartographie persistante entreprise à l'échelle régionale ou nationale, on peut citer CityGML travailler à Berlin, Le jumeau numérique AutoBEM de l'ORNLainsi que, Atlas de l'énergie de l'UCLAL’approche ad hoc actuelle en matière de collecte, d’intégration et de réutilisation des données est terriblement inefficace face à la crise climatique actuelle.

L'idée de favoriser la réutilisation et le partage des données spatiales en construisant l'information en tant qu'infrastructure existe depuis de nombreuses années sous le concept d'infrastructures de données spatiales (IDS). Le Canada dispose d'une IDS très développée, la Infrastructure canadienne de données géospatiales (ICDG), qui utilise un modèle distribué pour soutenir l'accès, le partage et l'utilisation de diverses informations spatiales. L'ICDG fournit une infrastructure essentielle sur laquelle les Canadiens comptent au quotidien, comme les prévisions météorologiques produites par Environnement et Changement climatique Canada. L'ICDG soutient également la recherche orientée vers l'avenir en permettant aux scientifiques d'intégrer de nombreuses formes différentes d'informations par localisation, par exemple au sein de donnéesclimatiques.ca.

Plus récemment, le concept, les capacités et la conception de telles infrastructures se sont développés à l’ère du cloud computing. Dans ce contexte, il est logique de réfléchir à ce à quoi pourrait ressembler une « infrastructure de données spatiales énergétiques » (eSDI) capable de répondre aux divers besoins, opportunités, parties prenantes et objectifs des données énergétiques des bâtiments identifiés dans le rapport.

Défis identifiés

D’autres défis communs ont été énumérés par les répondants à la RFI – et réaffirmés plus tard par les participants à l’atelier – liés à la disponibilité des données, à la confidentialité et à la protection de la vie privée, ainsi qu’aux considérations concernant les formats propriétaires. Les méthodes et la confiance en matière de sources de données se sont révélées très diverses et mal documentées, diversement mesurées, modélisées, déduites, estimées et supposées. Le manque d’accès aux estimations de coûts des rénovations a été identifié par les répondants comme un obstacle à la valorisation des données de cartographie et de modélisation énergétiques. Du point de vue de l’infrastructure des données et de la réutilisabilité, l’absence d’un cadre de données global empêche de relier l’échelle et la résolution des données spatiales à des scénarios d’utilisation particuliers. De même, il n’existe pas de schémas acceptés pour appliquer différentes approches d’archétypage (regroupement/classification) à différents scénarios de cas d’utilisation et niveaux de capacité technique et financière organisationnelle.

Opportunités identifiées

Malgré ces défis et d’autres, de nombreuses opportunités ont été identifiées dans l’étude, notamment des technologies d’accès aux données qui tiennent compte de la confidentialité, de la protection de la vie privée et de l’anonymat. Les techniques prometteuses comprennent le traitement des enclaves, l’anonymisation par agrégation et l’injection de bruit, parfois appelée confidentialité différentielle. La classification adaptative et l’archétypage basés sur la modélisation d’échantillons sont une autre approche potentielle pour adapter les besoins d’archétypage aux cas d’utilisation en utilisant les données disponibles. Le développement de systèmes nationaux pour des données énergétiques cohérentes à plusieurs échelles spatio-temporelles est identifié comme une opportunité qui pourrait servir à une gamme de cas d’utilisation. Les données nationales sur les bâtiments pour une analyse complète des types de bâtiments, de la performance énergétique, des technologies de rénovation/mise à niveau, des coûts et des avantages sont une autre opportunité liée aux données identifiée. Pour soutenir une plus grande interopérabilité des données, des opportunités autour des politiques et des normes de partage des données peuvent être organisées pour soutenir les cas d’utilisation et les parties prenantes critiques, par exemple les rapports obligatoires et les contrats fédérés. La coopération entre la communauté et les services publics facilitée par les autorités régionales ou nationales peut permettre aux parties prenantes de mieux comprendre les opportunités, les coûts et les avantages des nouvelles technologies et des nouvelles sources d’énergie, y compris les énergies renouvelables.

Architecture notionnelle de l'IDS énergétique

L'un des principaux résultats du BEMA-CDS est ce que l'on appelle une « architecture notionnelle pour une eSDI ». Reflétant l'architecture de toutes les infrastructures de données spatiales, elle est organisée en grandes catégories, également appelées niveaux. Sur le diagramme ci-dessous, celles-ci sont visibles sur le côté gauche, en commençant par les données et en remontant vers le calcul, les services et les applications. Cette architecture suit l'évolution de l'information, des données au traitement jusqu'à l'aide à la décision. Chaque ligne à droite des quatre niveaux contient des packages génériques qui s'appliquent au domaine de l'énergie et des bâtiments. En haut de l'architecture, les applications synthétisant et présentant les informations résultantes sont présentées comme pouvant potentiellement remplir une gamme de fonctions d'audit, de programme, de politique, d'éducation et d'aide à la décision commerciale.

Outre l’architecture théorique, le diagramme ci-dessous illustre le contexte actuel au Canada. Les sources de données, les normes et les applications existantes ne sont pas entièrement interopérables avec les plateformes actuelles de modélisation, d’analyse comparative et d’étiquetage énergétiques couramment utilisées. Ces plateformes utilisent et collectent des données spatialement implicites, c’est-à-dire ayant des attributs spatiaux tels que l’adresse, la ville ou la région météorologique. Cependant, la pleine puissance de l’interopérabilité des données spatiales, de la cartographie et de l’analyse des données spatiales n’est pas entièrement architecturée, opérationnelle ou disponible pour les décideurs canadiens en matière d’énergie.

L’étude et l’architecture théorique contribuent à éclairer les discussions sur la valeur potentielle et les possibilités de développement de l’architecture eSDI au Canada et à l’étranger. Par exemple, certains éléments tels que les schémas hiérarchiques, relationnels et sémantiques n’ont pas encore été développés.

Prochaines étapes

Parmi les nombreuses questions soulevées, les opportunités d’apprentissage et les prochaines étapes potentielles ci-dessous se distinguent :

• Conception d'une couche de bâtiment nationale extensible et standardisée, conduisant à la fois à une application nationale et à une meilleure comparabilité des méthodes prometteuses d'analyse énergétique des bâtiments.
• Activités sandbox telles que les pilotes d’interopérabilité, modélisant les avantages mutuels du partage d’informations et de l’interopérabilité des données.
• Prototypes pour un eSDI, démontrant la disponibilité commune de technologies telles que la modélisation énergétique basée sur le cloud, les archétypes de bâtiments pilotés par modèle et les protocoles d'enclave pour répondre aux contraintes de confidentialité des données et de propriété.
• Développement d’indices de pauvreté énergétique qui prennent en compte les facteurs socio-économiques, climatiques et géographiques à petite échelle pour évaluer les impacts et l’atténuation des coûts énergétiques des bâtiments.

Ces activités peuvent prendre la forme d'initiatives de développement de données et d'expériences d'interopérabilité, qui peuvent à leur tour contribuer à l'élaboration de normes. Dans chacune de ces activités, des thèmes transversaux peuvent être explorés et élaborés, notamment la mise en correspondance de la résolution spatio-temporelle des données d'entrée et de sortie, et les méthodes d'archétypage adaptées aux cas d'utilisation.

Conclusion

L'étude BEMA-CDS dresse l'état actuel des pratiques et identifie les défis et les opportunités en matière de cartographie et d'analyse de l'énergie des bâtiments. Elle esquisse également pour la première fois une architecture théorique pour une infrastructure de données spatiales sur l'énergie. Le déplacement des efforts et des ressources d'un état d'esprit de « faisons-le simplement pour ce projet » vers un état d'esprit de « construisons-le, entretenons-le et améliorons-le en permanence » produirait des gains d'efficacité, améliorerait la qualité et la rapidité de l'aide à la décision et accélérerait l'innovation et la création d'emplois dans le domaine - tout cela en plus des économies de coûts et d'une réduction des émissions de GES. Les jumeaux numériques urbains, tels que AutoBEM, développé et maintenu par Oak Ridge National Laboratory, Singapour virtuel, développé par la National Research Foundation, sont des exemples marquants de ce qui peut être accompli avec cet état d’esprit et la technologie actuelle.

Le Cartographie et analyse de l'énergie des bâtiments : rapport d'étude sur le développement du concept a été récemment publié et est disponible gratuitement sur la page de l'étude de développement du concept de cartographie et d'analyse énergétiques des bâtiments (BEMA-CDS).

Les auteurs répondent volontiers à toutes questions concernant l'étude ou le rapport : 

• Eddie Oldfield (directeur principal, projets et services consultatifs, QUEST) eo*******@*********da.org
• Jessica Webster (analyste de la planification énergétique, Ressources naturelles Canada) je*************@************gc.ca
• Ryan Ahola (scientifique de l'environnement, Ressources naturelles Canada) ry********@************gc.ca