Acquisition de données sur les consommations d énergie dans des élevages porcins, avicoles et laitiers RAPPORT FINAL

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1 Acquisition de données sur les consommations d énergie dans des élevages porcins, avicoles et laitiers RAPPORT FINAL 4 septembre 2009 Projet réalisé par l IFIP-institut du porc, l ITAVI, l Institut de l élevage, les Chambres d agriculture de Bretagne et des Pays de la Loire Coordination technique : Cédric GARNIER, Département des «Procédés Industriels et Agricoles» - Direction de l air, du bruit et de l efficacité énergétique ADEME Angers

2 L'ADEME en bref L'Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie (ADEME) est un établissement public sous la tutelle conjointe du ministère de l'ecologie, du Développement et de l Aménagement durables, et du ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche. Elle participe à la mise en oeuvre des politiques publiques dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et du développement durable. L'agence met ses capacités d'expertise et de conseil à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public et les aide à financer des projets dans cinq domaines (la gestion des déchets, la préservation des sols, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte contre le bruit) et à progresser dans leurs démarches de développement durable. Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art ) les copies ou reproductions strictement réservées à l usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par la caractère critique, pédagogique ou d information de l œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L à L du même Code, relatives à la reproduction par reprographie.

3 I Contexte, objectifs et enjeux de l étude En 2005, l ADEME lançait un appel d offre pour une étude concernant l utilisation rationnelle de l énergie dans les bâtiments d élevage («Utilisation rationnelle de l énergie dans les bâtiments d élevage : situation technico-économique et leviers d action actuels et futurs», dite étude URE ADEME 2006). Pilotée par l IFIPinstitut du porc et en partenariat avec l Institut de l élevage, l ITAVI et les Chambres d agriculture de Bretagne et des Pays de la Loire, cette étude a permis d acquérir les premières références sur les consommations d énergie directe dans les bâtiments d élevage des trois filières animales. En effet, aucune étude exhaustive analysant finement les consommations énergétiques par poste pour les différents modes d élevage et les différentes productions animales n avait été réalisée récemment. Les dernières données nationales largement diffusées datant d une enquête réalisée par le SCEES en Ce projet vise à conforter et compléter les références acquises lors des enquêtes de terrain ou postales en 2006 par des mesures dans plusieurs exploitations. En effet, en 2006 les consommations énergétiques ont principalement été évaluées à partir du relevé des factures de tous les achats d énergies utilisées dans les bâtiments d élevage. Afin de mieux cerner la répartition des consommations par atelier et par poste, certains élevages ont fait l objet d une enquête approfondie : il s agissait d évaluer les consommations en fonction des puissances et des temps de fonctionnement des divers équipements utilisateurs de fioul, de gaz et d électricité. Mais cette méthodologie était limitée par les erreurs d appréciation commises par les éleveurs et enquêteurs dans l évaluation des temps de fonctionnement des différents appareils. Il est, par exemple, difficile pour un agriculteur d évaluer avec précision le temps d éclairage des salles ou encore le temps de fonctionnement de la ventilation et du chauffage. C est pourquoi il était nécessaire de lever ces incertitudes par la mise en œuvre de mesures ciblées à l aide du matériel adéquat. C est pourquoi, les partenaires de l étude URE ADEME 2006 ont sollicité le soutien financier de l ADEME pour compléter les références acquises en 2006 et fournir de nouvelles données issues de mesures in situ. Ce projet s inscrit en parallèle de la diffusion des résultats de l étude URE ADEME 2006 et du développement d un outil de diagnostic énergétique pour les bâtiments d élevage 1. L objectif de ce projet concerne donc la mise en place de mesures des consommations énergétiques dans des exploitations - Il s agit avant tout de confirmer les références issues de l étude URE ADEME Par ailleurs, peu de données sont connues sur le degré d efficacité de certaines techniques de récupération d énergie utilisées dans les bâtiments d élevage (échangeur de chaleur, PAC 2 ). Les seuls éléments disponibles sont ceux fournis par les fabricants de ces matériels, c est pourquoi, l acquisition de données spécifiques porte également sur ces techniques. I.1 Enjeux pour les filières animales : Face à une conjoncture énergétique difficile caractérisée par le renchérissement du prix de l énergie, les professionnels des filières animales sont confrontés à des choix énergétiques pour demeurer compétitifs sur des marchés de plus en plus concurrentiels. Du fait de nombreuses fluctuations du prix de l énergie et de son indexation sur les cours du pétrole, les coûts de revient énergétiques pèsent de plus en plus sur l efficience économique des exploitations. Optimiser le niveau de consommation énergétique des élevages s inscrit également dans une problématique environnementale. La communication autour des références sur les consommations d énergie dans le secteur agricole exprime la volonté accrue des professionnels du secteur d œuvrer pour de futurs élevages moins énergivores. Cette volonté s inscrit également dans la politique énergétique et environnementale actuelle qui fait suite au Grenelle de l environnement. En outre, cette thématique de travail contribue à l amélioration de l image des productions animales, souvent mise à mal dans l opinion publique. I.2 Enjeux pour les éleveurs : Les éleveurs, directement concernés par ces aspects économiques et environnementaux, sont demandeurs de références leur permettant de mieux situer les consommations énergétiques de leurs élevages. Les résultats de l étude 2006 ont l avantage d être récents et surtout représentatifs des situations rencontrées au niveau national. En effet l échantillonnage réalisé a permis de prendre en compte différents types ou modes d élevage au sein des différentes productions animales. Ainsi, une fois ces références complétées par l acquisition de données sur le terrain, les éleveurs pourront évaluer leur situation énergétique et faire le choix de réaliser un diagnostic énergétique s il s avère utile. La valorisation des résultats déjà engagée a permis de sensibiliser l ensemble des éleveurs aux enjeux énergétiques actuels (convention ADEME 0774C0071). Grâce aux nouvelles données acquises lors de ce projet les références pourront être mises à jours et notamment, celles concernant les technologies nouvelles (échangeurs, PAC, etc.). 1 Convention n 0774C0071 : «Valorisation des résultats de l étude URE ADEME 2006» et convention n 0774C0073 : «Elaboration d un outil de diagnostic-conseil énergie» 2 PAC : pompe à chaleur

4 I.3 Enjeux pour les techniciens : Pour les techniciens d élevage la diffusion des résultats de l étude URE ADEME 2006 a permis de mieux connaître le niveau moyen de consommation énergétique, par poste et selon différents types ou modes d élevage. A la suite de ce projet, il s agit de leur fournir les références qui concernent les systèmes de récupération d énergie pour appuyer leurs conseils par des valeurs chiffrées. II Matériels et méthodes II.1 Généralités Contrairement à la méthodologie de l étude URE ADEME 2006, l objectif de ce projet était de mesurer les consommations d énergie des bâtiments d élevage à l aide du matériel approprié et non pas de les référencer à l aide de questionnaires. La diversité et la spécificité de chaque filière animale ont conduit à des méthodologies différentes et donc, à l utilisation de matériels différents. En effet, la filière porcine se distingue avant tout par une forte consommation d électricité (Cf. Figure 1), pour l aviculture l énergie la plus utilisée est le gaz (Cf. Figure 2) et pour la filière bovine l électricité et le fioul sont les principales sources énergétiques (Cf. Figure 3). Figure 1 : Répartition des consommations par type d'énergie dans la filière porcine Avec 76 % d électricité dans les consommations d énergie des élevages de porcs, la filière porcine a choisi de concentrer les mesures sur les équipements électriques. Ainsi, il y a eu l acquisition de 34 pinces ampère-métriques, 8 compteurs électriques classiques, 23 sondes de températures, 1 anémomètre et 1 compteur eau chaude à impulsion (Cf. Tableau 1). La partie II.2 de ce rapport précise l utilisation qui a été faite de chacun des matériels achetés pour l acquisition de données dans la filière porcine.

5 Figure 2 : Répartition des consommations par type d'énergie dans la filière avicole Comme l expose la figure 2, le gaz est représente de 80 % des consommations énergétiques des élevages avicoles. Les partenaires du projet spécialistes de l aviculture ont donc choisi de mesurer principalement les consommations de gaz à l aide de 10 compteurs gaz. Cependant, étant donné le manque de références concernant les consommations électriques des bâtiments avicoles, du matériel complémentaire a été nécessaire (Cf. tableau 1). Le détail de l utilisation du matériel acquit par la filière avicole est exposé dans la partie II.2 de ce rapport. Figure 3 : Répartition des consommations par type d'énergie dans la filière bovine Concernant la filière bovine, l électricité et le fioul sont des énergies utilisées dans des proportions équivalentes (Cf. figure 3). La filière bovine a opté pour l acquisition de pinces ampères-métriques permettant de mesurer précisément les consommations électriques des bâtiments et notamment du tank à lait (Cf. tableau 1). Concernant les consommations de fioul, deux raisons expliquent qu aucun matériel n a été acheté pour les mesurer : Premièrement, les consommations de fioul sont généralement liées à l utilisation de tracteurs sur l exploitation, or, les estimations, qui sont fonction du temps d utilisation et de la puissance des tracteurs sont généralement bien évaluées. Deuxièmement, le matériel permettant la mesure des consommations en fioul sur les tracteurs est onéreux ou inexistant (par rapport aux besoins de l étude) il était donc difficile d en faire l acquisition. Le détail de l utilisation du matériel de la filière bovine acheté dans le cadre de ce projet est exposé dans la partie II.3 de ce rapport. Le tableau 1 présente la synthèse du matériel acheté pour les besoins du projet selon les spécificités des filières animales.

6 Matériel Utilisation Filière porcine 34 pinces ampère-métriques Mesure des consommations électriques (ventilation, chauffage, alimentation, PAC 1, etc.) 23 enregistreurs de température Mesure des rendements des PAC (T entrée-sortie des circuits de chauffage) 1 compteur d eau chaude à impulsions Mesure du débit d'eau chaude d'une PAC pour évaluer son 1 enregistreur d impulsions + logiciel COP 2 1 anémomètre + enregistreur Mesure des débits d'air pour évaluer le rendement d'un échangeur air-air 4 compteurs triphasés Mesure des consommations électriques 4 compteurs monophasés + boîtiers étanches Mesure des consommations électriques 48 pinces ampère-métriques + logiciel Filière bovine Mesure des consommations électriques (tank à lait, chauffeeau etc.) 18 enregistreurs de température Mesure de température de la laiterie 7 enregistreurs et 8 sondes de température + 3 sondes de température et d'hygrométrie 61 enregistreurs de température et humidité 6 pinces ampère-métriques + 1 navette + logiciel 2 compteurs d'énergie thermique + intégrateurs + alimentation Filière avicole Mesure des températures (pour un plancher chauffant) Mesure des conditions d'ambiance et climat extérieur pour apprécier et comparer les évolutions dans le temps Mesure des consommations électriques (ventilation, échangeur, chaudière.) Mesure des consommations liées au chauffage des bâtiments par une chaudière biomasse 9 compteurs gaz Mesure des consommations de gaz (cinétique dans le temps) Mesure des consommations électriques globales (ateliers 2 compteurs électriques triphasés pondeuses) ou par poste (échangeurs, ) 2 Appareils de mesure multifonction (thermo- Mesure de la température, de l'humidité, de la vitesse d'air et hygromètre, anémomètre, capteur de pression, de la pression dans les bâtiments avicoles, en entrées ou ) sortie de dispositifs (aérothermes, échangeurs, entrées d'air) Tableau 1 : Liste du matériel utilisé pour les mesures dans chaque filière animales II.2 Méthodologie pour la filière porcine II.2.1 Les exploitations enquêtées Comme précisé dans la figure 1, dans les élevages de porcs, l électricité représente 76 % des besoins énergétiques et les postes de ventilation et de chauffage représentent 85 % de l énergie totale nécessaire aux élevages. En conséquence, les mesures concernent principalement les consommations électriques liées à la ventilation et au chauffage, mesures d autant plus nécessaires qu il est impossible pour l éleveur de 1 PAC : pompe à chaleur 2 COP : Coefficient de performance énergétique = énergie produite / énergie consommée

7 connaître avec précision les durées annuelles de fonctionnement et les puissances instantanées consommées par ces deux postes. En outre, l évaluation des performances des récupérateurs de chaleur ne faisait pas partie des éléments recueillis en C est pourquoi les outils nécessaires à l analyse du rendement des PAC et échangeurs ont été mobilisés. Dix exploitations ont ainsi été sélectionnées, elles se répartissent de la façon suivante : - 4 équipées de PAC (une sur laveur d air, une sur réacteur biologique, une géothermique et une sur l air extérieur). - 1 équipée d échangeurs air/air qui utilisent l air vicié des porcheries pour préchauffer l air entrant - 1 exploitation permettant de comparer le système de ventilation (centralisée/standard) - 4 exploitations dont les consommations électriques sont étudiées par stade physiologique et par poste de consommation. Dans les cinq premières, l objectif est d étudier les rendements et les économies de consommations directes d énergie rendues possibles par ces équipements. Dans la sixième, il s agit avant tout d établir une première référence sur les différences de consommations électriques entre deux systèmes de ventilation, centralisée ou non, cette centralisation permettant la mise en place d échangeurs air/air et d un laveur d air. Enfin, les quatre dernières exploitations permettront de connaître les consommations d énergie pour la ventilation et le chauffage de chaque stade physiologique. II.2.2 Matériel utilisé II Les mesures électriques Les pinces ampère-métriques permettent de mesurer l intensité du courant passant dans une phase et le temps de fonctionnement de l appareil suivi. Les pinces ampère-métriques sont reliées à des boîtiers enregistreurs autonomes Kistock KTR300 qui permettent de stocker les données sur une durée variable selon le paramétrage. Le boîtier enregistreur Kistock KTR300 dispose d une capacité de stockage de points. Le choix de ce type d équipement est lié au paramétrage nécessaire pour les mesures. En effet, en travaillant avec l intensité il faut que les mesures aient une fréquence d acquisition suffisamment courte (toutes les minutes) pour pouvoir calculer la consommation électrique. Or, avec points de mesures et une acquisition toutes les minutes le durée d enregistrement correspond à 69 jours. L avantage de ce type de matériel est que la pose est simple et nécessite juste de trouver la phase afin d y apposer la pince autour du fil électrique (photos 1 et 2). Photo 1 : Mesure sur la ventilation en gestante Photo 2 : Mesure sur un système de ventilation centralisée La méthode de calcul permettant de passer d une intensité électrique en puissance consommée est précisée dans la partie II.4.5 de ce rapport. II Les mesures de température Pour mesurer la température, des sondes-enregistreuses i-button (Cf. photo 3) ont été utilisées. Ces sondes, sont de petites taille et permettent de facilement les positionner quelque soit la configuration de l élevage étudié.

8 Photo 3 : sonde de température ibutton La sonde est équivalente à une pastille qui a à peu près la taille d une pièce de 50 centimes (1cm de diamètre sur 3mm d'épaisseur). Il est alors très facile de l'accrocher dans une boite ou à un portoir. Il est possible de programmer la sonde pour mesurer et stocker des températures à une fréquence variant entre 1 et 255 minutes. Cette sonde est autonome, l'alimentation étant incluse. La date et l'heure courante sont stockées en même temps que la température. La plage de mesure est de -10 C à +85 C. Sa durée de vie est de plusieurs années (de l'ordre d'une dizaine d'années au mieux, selon le fabricant, ceci pouvant varier en fonction des conditions d'utilisations). II Les mesures de vitesse d air Concernant les mesures de débit d air (pour les échangeurs air-air) aucun débitmètre n était adapté aux contraintes de l élevage. Le choix c est alors porté sur des anémomètres mesurant la vitesse de l air (Cf. photo 4). Ainsi, à partir de la section et de la vitesse de l air il devient possible d en déduire le débit. Photo 4 : Anémomètre à coupelles Cependant, le profil de vitesse de l air étant hétérogène, une gaine de canalisation de l air a été mise en place et 2 anémomètres ont été utilisés afin d obtenir une moyenne de vitesse d air proche de la réalité. L interprétation des résultats devra alors prendre en compte l erreur lié à la méthode de mesure. II.2.3 Les consommations électriques Les mesures ont été réalisées au moyen de pinces ampère-métriques et avaient pour objectif d évaluer dans quatre exploitations les consommations électriques durant une année complète pour 2 d entre-elles et sur une période de 6 mois pour les deux dernières. Six pinces ampère-métriques sont nécessaires pour chaque élevage : quatre pour le poste ventilation dans chacun des quatre stades physiologiques et deux pour le chauffage en maternité et post-sevrage. Pour appréhender les consommations électriques liées à l alimentation des animaux, un jeu de trois pinces ampère-métriques est nécessaire (l alimentation des porcs et des truies emploie des moteurs triphasés qui fonctionnent de manière cyclique) et suffisant (quasi-indépendantes des variations climatiques extérieures, les consommations évaluées sur une seule journée de distribution de l aliment sont extrapolables à toute l année. En outre, pour effectuer la comparaison des consommations électriques de 2 systèmes de ventilation (centralisée et standard), un jeu de 4 pinces était nécessaire. En effet, la ventilation centralisée implique des turbines puissantes fonctionnant avec des moteurs triphasés. Il fallait donc 3 pinces pour appréhender les consommations de la ventilation centralisée et 1 pince pour la ventilation standard.

9 II.2.4 Etude des systèmes innovants (PAC et échangeurs) Le reste du matériel acquis pour les besoins de l étude a été utilisé pour évaluer les rendements des PAC et des échangeurs de chaleur. Pour les PAC, les enregistreurs de température et les pinces ampère-métriques sont positionnés selon le schéma de la figure 4. Retour chauffage Départ chauffage C O N D E N S E U R E V A P O R A T E U R Source de chaleur après prélèvement des calories Source de chaleur avant prélèvement des calories Pinces ampère-métriques Figure 4 : Positionnement des capteurs sur le schéma de fonctionnement d'une PAC : Enregistreur de température Pour l échangeur air/air (Cf. Figure 5), le rendement sera calculé au moyen du débit d air et de l écart de température mesuré à l aide, respectivement, d anémomètres et d enregistreurs de température. L échangeur ne fonctionnant que durant la saison hivernale, les mesures ne sont possibles que d octobre à avril. Figure 5 : Positionnement des capteurs sur le schéma de fonctionnement d'un échangeur air/air : Enregistreur de température : Enregistreur de vitesse d air (Anémomètre à coupelle) Le débit de l air chaud sortant des salles sera appréhendé par l enregistrement des paramètres de ventilation (puissance de fonctionnement des ventilateurs). En effet, l installateur met à notre disposition une interface informatique permettant d enregistrer l ensemble des paramètres de la ventilation des salles. Il est alors possible d en déduire le débit d air circulant à l intérieur de l échangeur.

10 III.1 Résultats de la filière porcine III.1.1 La ventilation et le chauffage La campagne de mesures est lancée depuis décembre Au total, 5 exploitations ont fait l objet de mesures : - 1 élevage dans lequel une comparaison des consommations de la ventilation centralisée avec la ventilation standard - 4 élevages dans lesquels sont enregistrées les consommations de la ventilation et du chauffage des quatre stades physiologiques. III Comparaison des consommations électriques d un système de ventilation standard dynamique et centralisée En exploitation porcine, deux systèmes de ventilation coexistent, l un dit statique n utilisant que des mouvements d air naturels (donc sans consommations d énergie) et l autre, dit dynamique, qui nécessite des ventilateurs pour extraire l air vicié du bâtiment. La ventilation dynamique se décline en deux procédés : - La ventilation en dépression : ce type de ventilation consiste à extraire l air vicié en maintenant les salles à pression inférieure à la pression extérieure. - La ventilation en surpression : à l inverse de la dépression, il s agit de pousser l air dans le bâtiment. Souvent utilisée dans les élevages de sélectionneur avec air-filtré, la ventilation en surpression ne représente qu un très faible pourcentage des élevages (0,5% environ). - Chacun de ces deux types de ventilation dynamique peuvent accueillir deux principes de ventilation : - la ventilation standard dynamique : chaque salle est équipée d un ou plusieurs ventilateurs - la ventilation centralisée : une gaine unique collecte l air vicié de tout le bâtiment et l extrait à l aide d un ou deux blocs d extraction équipés de turbines (ventilateurs de fort diamètre). Les mesures visaient à comparer les consommations d électricité des deux systèmes de ventilation dynamique en dépression (forte majorité d exploitation en ventilation en dépression 99,5 %). La ventilation centralisée est généralement équipée d une régulation par variateur de fréquence (Cf. photo 13). Photo 13: Photographie d'un variateur de fréquence Or, contrairement aux systèmes de régulation utilisés pour la ventilation dynamique standard (TRIAC), la régulation par variation de fréquence permet de diminuer les consommations d énergie lorsque les besoins en ventilation diminuent. Avec un système «TRIAC», lorsque les ventilateurs ont une diminution de régime, l énergie qui n est plus consommée par le ventilateur est en partie dissipée sous forme de chaleur. C est pourquoi, il semblait important d évaluer les consommations d énergie des deux systèmes de ventilation. 1

11 Pour effectuer cette comparaison, l élevage sélectionné devait posséder 2 bâtiments de conception équivalente sur le même site (conditions climatiques identiques) avec un système de ventilation centralisée dans le premier et standard dans l autre. Avant d engager les mesures, un contrôle des réglages de la ventilation (dans chaque bâtiment) a été effectué. L éleveur semblait avoir une maîtrise satisfaisante de sa ventilation et les mesures ont alors pu être réalisées. Les installations électriques de l élevage sélectionné étaient récentes et ont facilité la mise en place du matériel de mesures. Les mesures ont nécessité la mise en place de 4 pinces ampère-métriques : - 3 pour la ventilation centralisée (alimentation triphasée, Cf. photo 14) - 1 pour la ventilation standard qui utilise un courant monophasé (Cf. photo 15) Voici les 3 phases + le neutre de l installation électrique qui alimente le système de ventilation centralisée. 3 pinces ampère-métriques sont apposées sur chacune des 3 phases. Photo 14 : Installation des pinces ampères-métriques sur l'alimentation de la ventilation centralisée La pince ampère-métrique est apposée sur l alimentation de 4 salles d engraissements. Cette méthode de mesure permet d inclure le système de régulation (type TRIAC) dans la comptabilisation de l énergie consommée. Photo 15 : Installation des pinces ampère-métrique sur l'alimentation de la ventilation de 4 salles Comme le montre la photographie 15 (cercle noir), les mesures sur la ventilation standard ont été effectuées sur 4 salles simultanément. En effet, la ventilation d une salle d engraissement nécessite fréquemment moins de 1 ampère. Or, en dessous d un ampère la précision de la pince ampère-métrique diminue. La mesure sur 4 salles permet donc de s affranchir de ce seuil de précision et d améliorer la qualité des mesures réalisées. 2

12 Sur la base de 272 jours de mesures, la consommation moyenne de la ventilation s élève à 175,47 kwh / truie présente / an en ventilation standard contre 64,11 kwh / truie présente / an pour la ventilation centralisée (calculs effectués sur la base de 10,5 porcelets sevrés par truie et 105 jours de présence moyenne des porcs en engraissement). Il y a donc un facteur d environ 2,7 en faveur de la ventilation centralisée sur la période considérée. Deux hypothèses peuvent expliquer cette différence dans les consommations électriques des deux systèmes de ventilation : - soit il existe une économie d énergie directement liée aux systèmes de régulation (Variateur de fréquence versus TRIAC) - soit les deux systèmes de ventilation ont des réactions différentes selon les conditions climatiques et/ou la configuration du bâtiment Une étude de la cinétique des consommations électriques dans chaque bâtiment a permis d écarter la deuxième hypothèse. En effet, les consommations ont une évolution quasiment simultanée (Cf. Figure 10). Figure 10: Evolution journalière des consommations énergétique de deux systèmes de ventilation Ainsi, l écart entre les consommations des deux systèmes de ventilation a une amplitude très réduite. Les différences de consommations énergétiques peuvent alors être partiellement expliquées par la présence d un variateur de fréquence comme système de régulation en ventilation centralisée. Il est à noter que les consommations spécifiques en W / m3 d air des ventilateurs de grandes dimensions (comme ceux utilisés pour la centralisation) sont meilleures que celles des petits ventilateurs. Ainsi, il est plus économe, énergétiquement, d utiliser un grand ventilateur en remplacement de 10 plus petit pour le même débit d air total. Ainsi, un ventilateur MultiFan de 920 mm de diamètre (couramment utilisé en ventilation centralisée) consomment une puissance de 37,4 W / 1000 m3 d air contre 53,3 W / 1000 m3 d air pour un ventilateur de 500 mm de diamètre (couramment utilisé en ventilation standard). Il y a donc bien une double économie d énergie en faveur de la centralisation : - une au niveau de la régulation - une au niveau de la performance énergétique par m3 d air extrait. En conclusion, la ventilation centralisée est un système économe en énergie. Cependant, les mesures réalisées ne concernent qu un seul élevage. Pour statuer définitivement sur les potentialités en termes d économie d énergie, un complément de mesure sur de nouvelles exploitations semble nécessaire. III Suivi des consommations électriques pour la ventilation et le chauffage de chaque stade physiologique de trois exploitations L étude URE ADEME 2006 a démontré l importance de la ventilation et du chauffage dans les consommations énergétiques des élevages de porcs. Ainsi, les partenaires (filière porcine) du projet ont privilégié les mesures qui concernaient ces deux postes de consommations. Pour ce faire, 18 pinces ampères-métriques ont été nécessaires (Cf. Partie II.2). L ensemble des mesures concerne 4 élevages : - 2 sur une durée d environs 1 an (336 jours) - 2 sur une période de 6 mois 3

13 Pour les élevages dont les mesures ont été effectuées sur une période de 6 mois, l acquisition de données a eu lieu en deux temps. En effet, pour être en mesure d extrapoler les résultats sur une année complète, il était nécessaire d avoir des éléments en période hivernale et estivale. Elevage 1 Les résultats obtenus dans le premier élevage sont résumés dans le tableau 5. Ventilation Chauffage Verraterie-gestante Engraissement Post-sevrage Maternité Post-sevrage Maternité 165,0 Elevage 58 kwh / truie /an Réf. URE NA 1 238,9-73,9 Ecart : NA 33,0 53,1-20,1 15,4 21,6-6,2 187,0 279,6-92,6 154,0 175,2-21,2 Tableau 5 : Consommations électriques de la ventilation et du chauffage de l élevage 1 extrapolées à l'année En additionnant les résultats, la consommation globale s établit à 612,4. En ajoutant forfaitairement les consommations liées à l éclairage et à l alimentation (URE ADEME 2006), la nouvelle valeur s élève à 760. Ce résultat est du même ordre de grandeur que la moyenne de 983 observée lors de l étude URE ADEME De plus, pour chaque poste mesuré, l écart observé avec les références de l étude ADEME 2006 est acceptable excepté pour la ventilation de l engraissement et le chauffage du post-sevrage. En effet, pour ces deux postes, l écart par rapport aux références est supérieur à 30 %. Pour la ventilation de l engraissement l écart s explique par une sous-évaluation liée à la période de mesures qui ont été réalisées lors d un été pluvieux et froid expliquant partiellement la sous-consommation sur ce poste. Il est également probable que l élevage enquêté était sous-dimensionné par rapport à ces besoins de ventilation en engraissement. Concernant le chauffage du post-sevrage, il semblerait que les consommations réelles soient nettement inférieures aux références. L écart ne peut pas entièrement être expliqué par le climat froid durant les mesures puisque pour le chauffage de la maternité il y a seulement 12 % d énergie consommée en moins. Elevage 2 Dans le deuxième élevage l acquisition de données s est déroulée de décembre 2007 à janvier Les résultats découlent donc du traitement de 5 campagnes de mesures d une durée de 65 jours environ et sont résumés dans le tableau 6. Elevage Réf. URE Ecart : Ventilation Chauffage Verraterie-gestante Engraissement Post-sevrage Maternité Post-sevrage Maternité 46,1 kwh / truie /an NA NA 142,6 238,9-96,3 32,2 53,1-20,9 25,13 21,6 3,53 89,9 279,6-189,7 141,1 175,2-34,1 Tableau 6 : Consommations électriques de ventilation et de chauffage de l élevage 2 extrapolées à l'année Remarque : la consommation de la ventilation pour la maternité n a pas pu faire l objet de mesures (ampérage inférieur à la précision de la pince ampère-métrique). C est pourquoi, le chiffre présenté dans le tableau 6 est une estimation par rapport à la puissance du ventilateur et à l aide d un logiciel de modélisation (StaldVent). Le total s élèverait donc à 482,9 et 630,4 en incluant forfaitairement l éclairage et l alimentation (URE ADEME 2006). Ce résultat est proche de l élevage précédent et correspond également aux références établies lors de l étude ADEME, à l exception du chauffage en post-sevrage et de la ventilation en engraissement. En effet, les mesures indiquent une consommation de seulement 89,9 1 NA : Aucune références disponibles 4

14 soit un écart de plus de 189 kwh avec les références URE ADEME Deux hypothèses sont possibles : soit les mesures réalisées sont erronées pour des raisons diverses, soit les consommations électriques de chauffage en post-sevrage sont effectivement très faibles. Après une analyse plus poussée de la cinétique des consommations de chauffage en post-sevrage il semble que la première hypothèse puisse être écartée. En effet, comme le montre la figure 11, l évolution des consommations énergétiques correspond à la conduite en bande appliquée dans l élevage (chaque pic représente une bande). Cependant, une analyse plus fine, faisant suite à un entretien avec l éleveur, fait apparaître une conduite très économe en chauffage (au risque de dégrader ses performances techniques). Cette conduite consiste à couper le chauffage après environ 20 jours d occupations des salles en hiver (Cf. Figure 11 cercles noirs) et de ne pas chauffer en été (Cf. Figure 11 cercle rouge). Durée d une bande (56 j) Durée de chauffage (20 j) Figure 11 : Cinétique des consommations du chauffage du post-sevrage (élevage 2) Ainsi, la cinétique des consommations permet d expliquer le faible niveau de consommation énergétique pour le chauffage en post-sevrage. Hypothétiquement, si l éleveur avait une pratique classique ses consommations seraient plus que doublées et pourraient s établir à environ 200. Pour compléter ce constat une étude des performances techniques de l élevage serait nécessaire afin d évaluer l impact technico-économique d une conduite «très économe en énergie». Concernant la ventilation, les consommations semblent cohérentes avec l évolution des besoins au cours du temps. Ainsi, en période estivale la ventilation tourne au maximum et consomme donc plus d énergie (Cf. cercle rouge sur la Figure 12). Figure 12 : Cinétique des consommations de la ventilation pour les trois stades physiologiques étudiés (élevage 2) 5

15 Figure 13 : Cinétique des consommations de la ventilation pour les trois stades physiologiques étudiés (élevage 2) Sur la Figure 13, à chaque courbe correspond un nombre d animaux différent, c est pourquoi, la cinétique des variations de consommations est nettement plus marquée en gestation (160 truies et 5 ventilateurs) qu en post-sevrage (200 porcelets avec 1 ventilateur) ou en engraissement (110 porcs et 1 ventilateur). Afin de s assurer de la bonne cohérence des résultats, une vérification à partir des puissances des ventilateurs a été effectuée. Par exemple, en engraissement, l ampérage maximum mesuré et de 1,9 A, soit environ 390 Watts. Or, d après les caractéristiques des ventilateurs chez le principal fournisseur de ventilation (disponible en ligne 1 ), le ventilateur que possède l éleveur aurait une consommation maximale allant de 350 à 440 Watts. Il y a donc adéquation entre les mesures réalisées et les caractéristiques des ventilateurs utilisés. Toutefois, la ventilation en engraissement (Cf. Figure 13), semble régulièrement atteindre son maximum (environ 8 kwh/jour) avec un climat annuel plutôt froid par rapport à la moyenne. Ce constat s explique alors par le sous dimensionnement de la ventilation et une consigne de température très basse (Atteinte du maximum de ventilation très rapidement). Ainsi, le sous-dimensionnement implique une consommation maximale plus faible qu un élevage identique correctement dimensionné et, par conséquent, par rapport aux références de l étude URE ADEME Enfin, pour le chauffage de la maternité, les consommations sont presque 20 % en dessous des références de l étude URE ADEME Ces résultats confirment donc une gestion économe du chauffage par l éleveur en post-sevrage mais également en maternité. La Figure 14 a les mêmes conclusions qu en postsevrage : - un chauffage quasi-inexistant l été : lors des premiers jours après la mise-bas il est impossible de ne pas chauffer sans risquer une lourde dégradation des résultats techniques. - un chauffage diminué de moitié en hiver après les 14 premiers jours de présences. 1 Base de données de l ensemble des ventilateurs sur 6

16 Diminution de chauffage après 14 jours de présence Chauffage pour les premiers jours après Durée d une bande (environ 28 jours) la mise-bas en été Figure 14 : Cinétique des consommations du chauffage de la maternité (élevage 2) Elevage 3 Comme pour les deux élevages précédents, les résultats du troisième élevage sont du même ordre de grandeur que les références URE ADEME Cependant, les mesures concernant le chauffage du postsevrage sont très irrégulières. En effet, l installation électrique est vétuste et des dysfonctionnements ne sont pas exclus. Pour les mêmes raisons, il a été impossible d installer un enregistreur sur la ventilation du postsevrage. Les résultats présentés dans le tableau 7 sont, pour ces deux postes, issus de la pondération des références URE ADEME 2006 par les caractéristiques techniques des ventilateurs et des équipements de chauffages présents sur l exploitation. Elevage Réf. URE Ecart : Ventilation Chauffage Verraterie-gestante Engraissement Post-sevrage Maternité Post-sevrage Maternité 40,4 kwh / truie /an NA NA 232,9 238,9-6,0 69,0 53,1 15,9 20,2 21,6-1,4 10,0 279,6-269,6 128,7 175,2-46,5 Tableau 7 : Consommations électriques de la ventilation et du chauffage de l élevage 3 extrapolées à l'année La consommation totale est de 864,8 1 et de 1012,3 avec l éclairage et l alimentation. L écart notable de consommation pour le chauffage de la maternité s explique par un problème d étalonnage des sondes. En effet, après des contrôles en élevage, il s avère que les sondes de température régulant le chauffage et la ventilation avaient 2 C de plus que la valeur réelle induisant une sous-consommation énergétique puisque pour la régulation il faisait 2 C de plus que la réalité, et donc le chauffage se coupait plus rapidement. Après un entretien avec l éleveur il apparaît que les porcelets ne sont pas directement introduits en postsevrage, ils sont préalablement maintenus en nurserie. Cela implique que la majeure partie des consommations en chauffage se retrouve en nurserie (stade physiologique non-étudié dans le projet) et, par conséquent, une très nette diminution des consommations en post-sevrage. Ce constat contribue à expliquer la très faible valeur obtenue en post-sevrage d environ 10 contre 279,6 pour la référence URE ADEME Concernant la ventilation les consommations sont cohérentes avec les références et les autres élevages étudiés. L étude de la cinétique des consommations (Cf. Figure 15) ne fait apparaître aucun problème. Les mesures ont été comparées aux caractéristiques techniques des ventilateurs présents sur l exploitation et peuvent tout à fait expliquer les résultats obtenus. 1 En ajoutant forfaitairement les consommations d un chauffage classique en post-sevrage 7

17 Figure 15 : Cinétique des consommations de la ventilation pour les trois stades physiologiques étudiés (élevage 3) Remarque : La figure 15 utilise la même unité mais pour un nombre différent d animaux pour chaque stade physiologique. Début de chauffage à l entrée des animaux Fin d allaitement et arrêt du chauffage Figure 16 : Cinétique des consommations du chauffage de la maternité (élevage 3) Enfin, pour le chauffage de la maternité, la courbe de la cinétique des consommations indique un bon déroulement des mesures (Cf. Figure 16). Ainsi, il est possible de repérer les bandes avec l arrivée de nouvelles truies et le vide sanitaire 28 jours plus tard. D après la figure 16 il semblerait qu entre 100 et 200 jours il n y a pas d intéruption de chauffage. En effet, l entretien avec l éleveur a révélé quelques problèmes dans la gestion des truies impliquant alors de laisser une partie des truies dans les salles à la fin d une bande. Ce dysfonctionnement dans la conduite de l élevage induit la nécessité de chauffer en continu. Ce phénomène est marqué par un cercle rouge sur la figure 16. Elevage 4 Le suivi du quatrième élevage est terminé. L acquisition de données a été programmée sur une période de 6 mois allant de janvier 2009 à juin 2009 inclus, permettant ainsi l obtention de références sur des périodes climatiques bien distinctes. Sur cette période de 6 mois, les moyennes des températures journalières minimale et maximale observées pour chaque mois sont résumées dans le tableau 8. Mois Janvier Février Mars Avril Mai Juin Température minimum moyenne 2,3 C 2,8 C 4,6 C 6,0 C 9,3 C 12,2 C 8

18 Température maximum moyenne 8,3 C 9,6 C 13,2 C 14,3 C 17,5 C 21,2 C Tableau 8 : Moyennes des températures mensuelles minimum et maximum du premier semestre 2009 Le premier trimestre a ainsi été marqué par des températures basses et la fin du second trimestre a bénéficié d un climat très clément (Département du Finistère (29) ). Dans ces conditions, les résultats du quatrième élevage sont exposés dans le tableau 9. Elevage Réf. URE Ecart : Ventilation Chauffage Verraterie-gestante Engraissement Post-sevrage Maternité Post-sevrage Maternité 42,2 kwh / truie /an NA NA 238,1 238,9-0,8 66,9 53,1 13,8 24,0 21,6 2,4 132,1 279,6-147,5 108,0 175,2-67,2 Tableau 9 : Consommations électriques de la ventilation et du chauffage de l élevage 4 extrapolées à l année L addition des résultats indique une consommation globale de 611,1. L ajout forfaitaire des consommations liées à l éclairage et à l alimentation (URE ADEME 2006) porte le total à 758,6. Ce résultat est très proche de ceux observés dans les autres élevages enquêtés et se situe dans le même ordre de grandeur que la référence URE ADEME 2006, à savoir Les principaux écarts observés avec cette référence sont au niveau du chauffage, notamment en post-sevrage, où les consommations électriques sont plus faibles que la référence. Conclusion sur les consommations électriques du chauffage et de la ventilation Consommation globale Référence URE Ecart Elevage kwh Elevage kwh Elevage kwh Elevage kwh Tableau 10 : Comparaison des consommations globales avec la références URE En analysant les consommations des 4 élevages étudiés (tableau 10) il est possible d affirmer que les références issues de l étude URE ADEME 2006 sont correctes. En effet, l écart-type était d environ 30 % pour l étude URE ADEME 2006 impliquant des résultats allant de 750 kwh à 1250 kwh. Ainsi, 3 des 4 élevages étudiés ont des consommations s inscrivant dans cet ordre de grandeur. Pour mieux comprendre les écarts observés sur le chauffage, il faut noter que la période de mesure correspond à un climat plus clément que la moyenne habituelle. Ainsi, il est tout à fait logique que les consommations d énergie pour le chauffage de la maternité et du post-sevrage soient en dessous de la référence URE ADEME Néanmoins, le chauffage du post-sevrage est le poste qui compte le plus d écart par rapport à la référence URE ADEME Deux explications sont avancées : - soit les élevages sélectionnés pour les mesures ont une gestion économe (volontaire ou non) du chauffage en post-sevrage et prennent le risque d un déficit chronique de chauffage pour ce poste ; - soit la référence précédente (URE ADEME 2006) était surestimée. Cette dernière hypothèse est la plus probable puisque les 4 élevages ayant fait l objet de mesures sur ce poste sont en deçà des références actuelles. Il est donc indispensable d utiliser le matériel de mesure pour créer plus de références sur ce poste afin de confirmer cette hypothèse définitivement et de diffuser les nouvelles références. Cependant, les réponses aux questionnaires et entretiens montrent que pour 2 des élevages enquêtés, le faible niveau de consommation en post-sevrage sont liés à une gestion très économe de l énergie et à la présence d un stade physiologique intermédiaire (la nurserie). En outre, pour la ventilation les consommations ont été confrontées aux caractéristiques techniques des appareils concernés et corroborent les résultats. A l aide de mesures complémentaire sur d autres élevages 1 L écart-type est de 30 % pour la référence ADEME URE

19 il sera possible de modéliser les consommations de la ventilation en fonction notamment de la puissance du ventilateur et, par conséquent, d améliorer l outil de diagnostic énergétique. De plus, ces mesures ont permis de créer une nouvelle référence inédite : les consommations de la ventilation en gestantes. En effet, la moyenne obtenue sur les 4 élevages est de 46,7 kwh / truie / an avec un écart-type de 7,9 kwh. Jusqu à présent les références ne proposaient qu une analyse détaillée de la maternité, du post-sevrage et de l engraissement. Il est maintenant possible de fournir une valeur nonnégligeable puisqu elle est 2 fois plus élevée que les consommations de la ventilation en maternité et relativement proche de celle observée en post-sevrage. En définitive, les consommations relevées sont encourageantes mais doivent être complétées par de nouvelles mesures dans d autres exploitations. Il est actuellement difficile d extrapoler ces résultats à l ensemble d une filière lorsqu ils ne concernent que 4 élevages. Cependant, les élevages sélectionnés sont des exploitations dans la «moyenne» et sont représentatifs des élevages de porcs de la région bretonne. Néanmoins, la diversité des pratiques et du parc bâtiments constitue un frein à l extrapolation des résultats à l ensemble de la filière. III.1.2 Les pompes à chaleur II Etude de la performance d une PAC géothermale Des mesures ont été réalisées sur les consommations d énergie d une PAC utilisant l énergie géothermique pour chauffer deux salles de post-sevrage de 250 places chacune. Afin de comparer au mieux les performances de ce système qui vient se substituer à un chauffage classique (par radiants électriques), les données recueillies portent également sur les consommations électriques de l aérotherme situé dans chaque salle, chargé de restituer dans le bâtiment les calories fournies par la pompe à chaleur. Les caractéristiques de l installation de chauffage Le tableau 11 présente les principales caractéristiques de l installation de chauffage à l aide d une pompe à chaleur géothermale. Caractéristiques Réseau horizontal enterré en polyéthylène haute densité (PEHD - conductivité thermique : 0,43 W/ C). Pompe à chaleur d une puissance thermique nominale de 14 kw, soit 28 W/place pour 2 salles chauffées simultanément. Un aérotherme eau chaude par salle. Ballon d eau chaude isolé Détails 1400 ml répartis en 14 boucles de 100 ml espacées de 60 cm et à une profondeur de 60 cm. Surface concernée : 800 m² pour 250 m² de bâtiment à chauffer. Puissance du compresseur : 3,18 kw. Dimensions de l appareil: 1,0 x 0,55 x 0,35 m. Puissance nominale de 11,2 kw, soit 45 W/porcelet (T eau à 45 C). Ventilateur de diamètre 350 (3000 m 3 /h) 500 litres Tableau 11 : Les caractéristiques de l installation de chauffage par géothermie La consommation de la PAC et des aérothermes sur l année 2008 et le début de l année 2009 Les enregistrements des consommations de la pompe à chaleur et des aérothermes ont été réalisés sur une période allant du 1er janvier 2008 au 28 février Sur cette période, la consommation électrique liée au chauffage en post-sevrage s élève à kwh (Cf. Figure 17). Ces données varient logiquement selon les saisons avec l essentiel des consommations sur la période allant d octobre à mars puis une réduction significative des besoins de chauffage en été. La figure 17 indique l évolution des consommations mois par mois selon les moyennes des températures extérieures observées sur le mois. 10

20 Consommation PAC + aérothermes sur 14 mois (2008/2009) Consommation par mois Température extérieure mini Température extérieure maxi , , ,0 kwh ,0 C 500 5,0 0 janv- 08 févr- 08 ma rs-08 avr- 08 mai- 08 juin- 08 juil- août mois sept- 08 oct- 08 nov- 08 déc- 08 janv- 09 févr- 09 0,0 Figure 17 : Consommations de la PAC et des aérothermes selon les températures moyennes du mois Cette Figure illustre une évolution logique de la consommation de la PAC et des aérothermes, qui augmente lorsque la température extérieure diminue et inversement. Sur l année 2008, le total des consommations est de kwh pour 2605 porcelets produits/an. La consommation électrique liée au chauffage en post-sevrage est alors égale à 4,61 kwh/porcelet/an en Au 28 février 2009, le total des consommations affiché sur un compteur à l entrée du bâtiment indique kwh depuis la mise en route de l installation, soit près de 4,55 kwh/porcelet/an. Cette donnée confirme les enregistrements réalisés sur l année 2008 à l aide de la pince ampère-métrique. En conclusion, les consommations enregistrées sur l installation de chauffage sont près de deux fois moins importantes que la moyenne observée dans les élevages naisseurs-engraisseurs lors de l étude ADEME URE 2006 qui était de 9 kwh/porcelet/an. Temps de retour sur investissement de l installation Le choix de l installation d une pompe à chaleur dans l élevage enquêté s explique par un passage de 7 à 4 bandes entraînant des bandes plus grandes et par conséquent des besoins simultanés de puissance en chauffage plus importants. Ces nouveaux besoins de puissance auraient engendré une modification du contrat d approvisionnement d électricité moins avantageuse dans le cas du maintien du chauffage électrique. La pompe à chaleur a permis de conserver ce contrat. Le coût total de l installation de chauffage incluant la PAC et les aérothermes est revenu à 45 /place en Le coût d une installation de chauffage tout électrique avec radiants et intégrant le renforcement nécessaire de la ligne serait revenu à 35 /place. Le surcoût à l investissement de l installation en 2006 était donc de 10 /place dans le cas de cet élevage, soit 5000 supplémentaire par rapport à une installation électrique de chauffage classique. En chauffage électrique, la moyenne des consommations de l étude URE ADEME 2006 est égale à 9 kwh/porcelet/an en post-sevrage chez les naisseurs-engraisseurs (valeur peut-être surestimées). Sur les 2605 porcelets produits dans l élevage, cela représenterait kwh/an. Au moment de l investissement en 2006, le prix de l électricité était de 0,053 /kwh, soit un coût de fonctionnement égale à 1242 /an pour une installation électrique classique de chauffage. En chauffage eau chaude par PAC, la consommation mesurée en 2008 est de 4,61 kwh/porcelet/an. Sur les 2605 porcelets produits, cela représente kwh/an. Le coût de fonctionnement pour un prix de 11

21 l électricité de 0,053 /kwh en 2006 était alors de 637 /an, soit une économie de 605 /an par rapport au chauffage conventionnel. Au démarrage du projet, le temps de retour sur investissement du surcoût entre le chauffage par PAC et le chauffage électrique par radiants était alors dans cet élevage égale à : 5000/605 soit 8,2 ans (tarif 2006) sans aucunes subventions. Analyse des températures sur les différents circuits de la pompe à chaleur Quatre sondes de températures ont été disposées sur la pompe à chaleur : - Départ chauffage : A l aller du circuit de chauffage vers les salles PS ; - Retour chauffage : Au retour du circuit de chauffage depuis les salles PS ; - Source de chaleur avant prélèvement des calories : A l aller du circuit de captage depuis les tuyaux PEHD extérieurs vers la PAC ; - Source de chaleur après prélèvement des calories : Au retour du circuit de captage depuis la PAC vers les tuyaux PEHD. SCHEMA DU DISPOSITIF: 2 Salles PS 250 places chacune Aller Retour Retour chauffage Source de chaleur après prélèvement Départ chauffage Retour Aller Source de chaleur avant prélèvement PAC Ballon eau chaude Figure 18 : Schéma du dispositif de suivi Les données collectées portent exclusivement sur les températures, sans indication de débits dans la mesure où l installation ne dispose pas de compteur d eau chaude. En 2008, les mois marquant les périodes chaudes et froides sont respectivement juillet et décembre pour lesquels il est intéressant d analyser plus en détails les températures enregistrées par les sondes : Départ chauffage Retour chauffage Moyenne des températures Juillet ,8 C 50,6 C Ecart 0,2 C Moyenne des températures Décembre ,6 C 47,5 C Ecart 6,1 C Tableau 12 : Températures du circuit de chauffage 12

22 Les besoins de chauffage étant moindres en période chaude, les échanges thermiques dans les salles via les aérothermes sont peu importants et expliquent en partie le faible écart observé entre la température de l eau avant et après les salles (0,2 C). Inversement, en période froide, ces échanges sont conséquents ce qui se traduit par des écarts plus importants de la température de l eau avant et après les salles (6,1 C). Ceci oblige la pompe à chaleur à fonctionner davantage pour remonter la température au niveau souhaité entraînant une augmentation de la consommation électrique. Dans cet élevage, en décembre 2008, la consommation de la PAC et des aérothermes était 4,5 fois plus importante que celle observée en juillet. L analyse des données concernant la source de chaleur dans laquelle sont prélevées les calories donne les résultats suivants pour les mois de juillet et décembre : Source de chaleur avant Source de chaleur après prélèvement prélèvement Moyenne des températures Juillet ,1 C 17,8 C Ecart 2,3 C Moyenne des températures Décembre ,2 C 11,1 C Ecart Tableau 13 : Températures du circuit de captage Sur la période chaude, les températures montent à des niveaux surprenants et pose question quant à l interprétation des résultats. En général la température des sols est relativement constante tout au long de l année et souvent proche de C, principale intérêt de la géothermie. De nouveaux enregistrements sont en cours afin de comprendre ces résultats. Il apparaît néanmoins que les calories puisées dans la source de chaleur sont plus nombreuses l hiver que l été car elles sont liées à un besoin de chauffage plus important à cette période de l année, période où la température de la source de chaleur est sensiblement moins importante qu en été. L écart entre la température du circuit de captage et celle du circuit de chauffage est sensiblement plus important l hiver que l été et à un moment où les besoins de chauffage sont plus élevés. Les variations saisonnières des températures impactent sensiblement les performances de la pompe à chaleur qui ne sont pas constantes tout au long de l année. II Etude de la performance d une PAC air-eau Des mesures ont été réalisées sur les consommations d énergie d une PAC utilisant l air comme source d énergie. Quelques informations techniques sur l installation : - Ballon réserve de 500 l de 50 C (présence d une sonde de température) - 4 salles de nurserie avec : o une sonde d ambiance avec une température de consigne ventilation dans une des 4 salles, o dans chaque salle de nurserie, 3 tubes à ailettes permettant d augmenter la surface de chaleur. Ils sont situés à 2m60 de hauteur, la profondeur de fosse étant de 80 cm. o Surface d échange : 38 * 0,18 = 6,84 m² de surface de chauffe o Les murs sont en polyéthylène alvéolés (panneaux sandwich) - 1 salle de maternité de 36 places : o o o 4 séries de 9 plaques chauffantes. L eau chaude provenant du ballon de réserve passe par une électrovanne et un circulateur puis est distribuée dans les 9 plaques chauffantes en série (différence de 2 C entre la 1 e et la dernière). Lors de la mise-bas, 2 lampes chauffantes sont installées de part et d autre de la plaque chauffante durant les premiers jours puis une seule lampe est mise au dessus de la plaque chauffante. 4,1 C - 4 salles de maternité de 37 places au total (même fonctionnement que ci-dessus) places de gestantes places bloc saillie. Protocole de suivi : 13

23 Un compteur électrique a été installé pour suivre les consommations énergétiques de la pompe à chaleur. Des relevés ont été réalisés tous les jours afin d obtenir le coefficient de performance de la pompe : combien de calories récupérées pour quelle électricité dépensée? Des sondes de température ont été installées en entrée et en sortie des 2 circuits (pompe à chaleur + salle). Les consommations énergétiques journalières ont été calculées sur 4 périodes : Hiver 2008 (début janvier à fin avril 2008) : 112 kwh/j Eté 2008 (fin avril à début novembre 2008) : 54 kwh/j Hiver (début novembre 2008 à mi-avril 2009) : 120 kwh/j Eté 2009 (mi-avril à fin juillet 2009) : 48 kwh/j Ces périodes ont été définies en fonction des différentes pentes très visibles sur la courbe des relevés du compteur (Cf. Figure 19) kwh /01/ /03/ /05/ /07/ /09/ /11/ /01/ /03/ /05/ /07/2009 Figure 19 : Relevé du compteur électrique installé sur l'alimentation de la PAC Les comparaisons avec les températures enregistrées sont en cours de réalisation et n ont malheureusement pas pu être traité avant la rédaction de ce rapport. Les enregistrements (compteur électrique et sondes de température) se poursuivent jusqu à l automne Cependant, la consommation moyenne annuelle observée à partir des 599 jours d enregistrement est de kwh, ce qui nous donne 108 kwh par truie, l élevage comptant 260 truies. Ce chiffre correspond à l électricité utilisée pour chauffer les salles, hors lampes chauffantes en maternité. La consommation de celles-ci a été estimée à 5120 kwh, soit 20 kwh/truie. L électricité totale consommée pour le chauffage est donc de kwh, soit 128 kwh/truie. Or, en maternité et en nurserie, le chauffage représente 80% des dépenses énergétiques. En extrapolant, il est possible d estimer la consommation énergétique totale (incluant ventilation, alimentation, éclairage) à 210 kwh/truie. Or, le chiffre de référence est de 403 kwh/truie pour un élevage naisseur (étude URE ADEME 2006). L utilisation de la pompe à chaleur permettrait ainsi de diminuer d environ 50% les consommations en chauffage. II Etude de la performance d une PAC sur réacteur biologique Pour les besoins de l étude, des mesures ont été réalisées sur une PAC d une puissance de 10,5 kw qui récupère les calories ni dans le sol, ni dans l air mais dans le réacteur biologique de la station de traitement du lisier. Le fonctionnement reste identique aux PAC classiques excepté pour la source d approvisionnement en calorie. Après vérification de l équilibrage des trois phases alimentant la PAC, une pinces ampère-métrique à enregistré sur trois périodes les consommations d électricité (120 jours). En extrapolant les résultats obtenus à l année complète, la PAC a consommé kwh pour chauffer 3000 places de post-sevrage, soit 14

24 l équivalent d une production de porcelets. Au final, la PAC a consommé 2,74 kwh / porcelet produit soit une économie de 69 % par rapport à un système de chauffage classique. Pour extrapoler les résultats des mesures, l année a été découpée en 3 périodes : - période froide de 90 jours ; - période intermédiaire de 185 jours ; - période chaude de 90 jours. Les résultats des mesures peuvent être également découpés en 3 périodes : kwh ont été consommés sur 30 jours de mesures en période froide kwh pour 90 jours ; kwh ont été consommés sur 50 jours de mesures en période intermédiaire kwh pour 185 jours ; kwh ont été consommés sur 40 jours de mesures en période chaude kwh pour 90 jours. Cependant, la référence est de 9 kwh / porcelet produit dans le Finistère et comme le prouve les autres mesures en exploitation elle serait certainement surestimée. En prenant une référence de 6 kwh, l économie réalisée est de 54 %. En termes économiques, l éleveur équipé d une PAC économise environ 6103 (coût moyen du kwh EDF à 0,05 ) pour l hypothèse haute et 3178,5 pour l hypothèse basse (6 kwh / porcelets pour un chauffage conventionnel). Les Figures 20 et 21 présentent les consommations journalières observées sur une période estivale et hivernale. Figure 20 : Consommation de la PAC en saison intermédiaire estivale 15

25 Figure 21 : Consommation de la PAC en saison hivernale Il est à noter qu en hiver les consommations sont très régulières et représentent environ 250 kwh / jour. En revanche, en été, les consommations sont plus irrégulières et ont tendances à diminuer. La régularité des consommations en hiver laisse penser que le fonctionnement maximum de la PAC est atteint et donc qu il y a un déficit de température dans les salles de post-sevrage en hiver. En effet, avec une puissance de 10,5 kw la PAC peut fournir au maximum 252 kwh. Ce constat se vérifie en analysant les consommations par minute sur une journée complète (Cf. Figure 22 et 23). Figure 22 : Consommation de la PAC / minute en été 16

26 Figure 23 : Consommation de la PAC / minute en hiver Ainsi, en hiver le fonctionnement de la PAC est quasiment continu, confirmant une surexploitation du matériel pouvant entrainer un vieillissement prématuré du matériel et un déficit de température dans les salles chauffées. En revanche, en été, la différence est nette, Par conséquent, les économies permises par la PAC ne proviennent pas uniquement du coefficient de performance (COP) de la PAC mais également du sous-dimensionnement du système. Au vu de l ensemble des ces éléments l économie permise par l installation d une PAC en élevage est inférieur à 60 % et serait proche des 50 %. Pour les températures, la source de chaleur est le réacteur biologique. En effet, l élevage est équipé d une station de traitement du lisier. Un circuit d eau collecte, via un échangeur eau-eau, les calories disponibles dans le réacteur biologique qui est à une température pratiquement constante autour des 20 C (du fait de l activité des micro-organismes). Ensuite, la PAC récupère les calories sur de l eau (Cf. tableau 14). Source de chaleur avant prélèvement Source de chaleur après prélèvement Moyenne 19,77 C 18,55 C Moyenne des écarts 1,17 C Ecart-type 2,80 C 3,12 C Tableau 14 : température de la source de chaleur Il y a une température similaire entre l eau qui récupère les calories via l échangeur eau-eau (19,77) et la température du réacteur (20 C). Après passage par la PAC, l eau cède des calories avant de retourner au réacteur. Elle perd en moyenne 1,17 C. Ce faible écart est lié au débit important du circuit d eau apportant les calories depuis le réacteur biologique. Concernant le système de chauffage, les mesures ont pu révéler un dysfonctionnement (Cf. Tableau 15). Départ chauffage Retour chauffage Moyenne 37,03 C 36,45 C Moyenne des écarts 0,58 C Ecart-type 9,01 C 8,75 C Tableau 15 : température de la source de chaleur Au départ du circuit de chauffage, la PAC élève la température du fluide caloporteur jusqu à une moyenne de 37,03 C. Le fluide est alors mis en circulation pour chauffer les salles et revient à une température moyenne de 36,45 C. Cependant, la puissance de fonctionnement des systèmes de chauffage eau chaude est directement liée à l écart de température entre celle de la salle et celle du fluide de chauffage. Or, en post-sevrage les consignes sont généralement de l ordre de 28 C. Avec une température de chauffage à seulement 37,03 C il n y aurait pratiquement pas de chauffage. Il apparaît donc un défaut dans l installation qui a ensuite été corrigé (Cf. Figure 24). 17

27 Figure 24 : température de la source de chaleur Ainsi, comme le montre la figure 24, l évolution de la température de chauffage subit un net changement autour de la 5000 ème mesure. Les températures relevées à partir de là sont bien plus cohérente avec un fonctionnement normale de la PAC. La moyenne s établie alors à 47,00 C au départ du système de chauffage contre 46,14 C au retour. Le faible écart de température implique un autre problème dans le fonctionnement de la PAC. Il semble difficile que les températures puissent être maintenues à la consigne souhaitée avec une si faible diminution de température entre l aller et le retour et ce quelque soit le débit du fluide caloporteur (pas de mesure du débit). En effet, le circuit qui a fait l objet des mesures de températures possède un débit maximum de 15 m3 / h. En prenant l hypothèse haute que l écart de 0,86 C est obtenu avec le débit maximum. L énergie fournit durant 1 heure serait alors de : - 15 m3 / h = kg d eau en 1 heure ; - Capacité thermique massique de l eau = 1,16 Wh / kg / c ; - Ecart de température = 0,86 C ; x 1,16 x 0,86 = 14 kwh. Il y aurait donc en moyenne une puissance fournit de 14 kw pour chauffer 3000 places de post-sevrage. Or, pour la région considérée, il faut compter 90 kw de puissance installé (30 W par porcelet) avec une consommation moyenne de 30 kwh / heure. En effet, à un instant T donné, l ensemble des places de postsevrage ne sont pas chauffées à pleine puissance. Il est généralement observé que les besoins en chauffage correspondent en moyenne au tiers de la puissance installée, soit 30 kwh / heure. Malgré, le débit de 15 m3 / heure du système de chauffage eau-chaude, la chaleur fournit ne semble donc pas suffisante. Ce qui confirme l hypothèse selon laquelle cette PAC consomme moins d énergie que les autres en raison des problèmes de fonctionnement. De plus, la période durant laquelle la PAC produisait de l eau chaude à seulement 30 C en moyenne explique également le faible niveau de consommation électrique puisque les cycles de compressions devait être plus court. En définitif, la PAC sur laveur semble intéressante (source de chaleur à 20 C en permanence) mais les mesures ont été altérées pas les problèmes techniques de l installation. De plus, la PAC a également du être changé puisqu elle est tombée en panne. Il semblerait utile de faire de nouvelles mesures pour une PAC sur réacteur biologique dans un nouvel élevage. II Etude de la performance d une PAC sur l eau de laveur d air Des mesures ont également été réalisées sur une PAC qui récupère des calories sur l eau du laveur d air. En effet, pour laver l air vicié issu des salles, l air traverse un rideau d eau. En traversant l air cède de l énergie à l eau qui se réchauffe et garde une température constante d environ 23 C. Le fonctionnement du reste de l installation est identique aux PAC classiques. Après vérification de l équilibrage des trois phases alimentant la PAC (puissance de 12 kw), une pinces ampère-métrique à enregistré sur trois périodes les consommations d électricité (120 jours). En extrapolant les résultats obtenus à l année complète, la PAC a consommé kwh pour chauffer 3000 places de 18

28 post-sevrage, soit l équivalent d une production de porcelets. Au final, la PAC a consommé 2,99 kwh / porcelet produit soit une économie de 65 % par rapport à un système de chauffage classique. En prenant une référence de 6 kwh, l économie réalisée est de 50 %. En termes économiques, l éleveur équipé d une PAC économise environ 5643 (coût moyen du kwh EDF à 0.05 ) pour l hypothèse haute et 2850 pour l hypothèse basse (6 kwh / porcelets pour un chauffage conventionnel). Les Figures 25 et 26 présentent les consommations journalières observées sur une période estivale et hivernale. Figure 25 : Consommation de la PAC sur laveur d air en saison intermédiaire estivale Figure 26 : Consommation de la PAC sur laveur d air en saison intermédiaire hivernale En hiver les consommations sont, comme pour l élevage précédent, très régulières et représentent un peu plus de 250 kwh / jour. Cependant, le maximum des capacités de la PAC ne semble pas atteint puisque les consommations journalières ne plafonnent pas. En effet, avec une puissance de 12 kw la PAC consomme au maximum 288 kwh / jours, or, le maximum des consommations observées est de 265 kwh. Ainsi, le meilleur dimensionnement de la PAC expliquerait les moins bonnes performances (2,99 kwh / porcelets produit) que celles obtenues par la PAC sur réacteur biologique (2,74 kwh / porcelet produit) puisqu elles sont originaires du même installateur. Les Figures 27 et 28 confirment ces résultats avec une cinétique par minutes des consommations. Ainsi, en hiver, la PAC sur laveur d air fonctionne moins de temps que son homologue puisant les calories dans le réacteur biologique. 19

29 Figure 27 : Consommation de la PAC sur laveur d air / minute en été Figure 28 : Consommation de la PAC sur laveur d air / minute en hiver Ainsi, même si en hiver le fonctionnement de la PAC est quasiment continu, il ne sature pas les capacités de cette dernière. Toutefois, le nombre de démarrage reste relativement important avec en période hivernale plus de 2 démarrages par heure. Pour les compresseurs classiques, les constructeurs précises que l utilisation normale ne doit pas dépasser plus de 2 cycles de compression par heure. Or, pour les deux PAC et sur l ensemble de la période hivernale il y a plus de 2 cycles par heure. Expliquant ainsi le vieillissement prématuré du matériel qui a déjà été changé après moins de 5 ans d exploitation. Côté température, la source de chaleur est l eau du laveur d air. L ensemble de l air extrait de la porcherie passe à travers un rideau d eau pour être lavé. Or, l air vicié provenant de l élevage est à une température d environ 23 C en moyenne. A son contact, l eau de lavage récupère des calories et se maintien à une température quasiment constante (Cf. tableau 16). Source de chaleur avant prélèvement Source de chaleur après prélèvement Moyenne 19,36 C 19,22 C Moyenne des écarts 0,44 C Ecart-type 1,15 C 1,41 C Tableau 16 : température de la source de chaleur 20

30 Il y a alors très peu d écart entre la température de la source chaude avant et après récupération des calories. Deux explications peuvent être à l origine de ce constat : - Les mesures sont biaisées puisque les sondes de températures ont été placées sur le tuyau en PVC servant à faire circuler le fluide caloporteur. Il est alors probable que la sonde soit influencée par la température ambiante et que la faible conductivité thermique du PVC soit à l origine d une mauvaise mesure. - Les débits d eau circulant dans le système de récupération d énergie sont très élevés. Ainsi, plus le débit sera élevé et plus le prélèvement de calories aura un impact faible sur la température de la source de chaleur. Concernant le système de chauffage, les mesures semblent plus cohérente (Cf. Tableau 17). Départ chauffage Retour chauffage Moyenne 47,87 C 44,59 C Moyenne des écarts 3,27 C Ecart-type 2,86 C 3,00 C Tableau 17 : température de la source de chaleur Au départ du circuit de chauffage, la PAC élève la température du fluide caloporteur jusqu à 47,87 c en moyenne. Le fluide est alors mis en circulation pour chauffer les salles et revient à une température moyenne de 44,59 C. C est, en moyenne 3,27 C de transmis vers les salles. Or, comme pour la PAC sur réacteur biologique, il semblerait qu il soit possible d optimiser le rendement des PAC en travaillant sur le système de chauffage à eau chaude afin qu il valorise mieux la chaleur fournit. Ainsi, il existe deux possibilités : il faut soit diminuer la température de consigne pour le fluide caloporteur (ici 48 C) ou il faut que les débits du circuit de chauffage soient plus faibles et qu ils permettent de transmettre plus de chaleur vers les salles. III.1.3 L échangeur air-air Cette partie du rapport concerne des mesures réalisées sur un échangeur de chaleur air-air installé dans un bâtiment post-sevrage de 2040 places. Principe de fonctionnement de l installation Dans cet élevage, l échangeur de chaleur permet de prélever une partie de la chaleur contenue dans l air extrait du bâtiment post-sevrage pour la transférer à l air neuf entrant dans ce même bâtiment. Cet air neuf entrant est alors plus chaud ce qui permet de réduire les besoins de chauffage en post-sevrage (Cf. figure 29). Air chaud extrait de 11 salles de post-sevrage Air neuf et froid venant de l extérieur Air neuf réchauffé entrant dans la porcherie Air extrait refroidi Figure 29 : Schéma des flux thermiques au niveau de l échangeur air-air 21