Utilisation de l eau de nappe pour le traitement thermique des bâtiments

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1 Utilisation de l eau de nappe pour le traitement thermique des bâtiments Christian GERINTE BARBANEL 26, villa Baudran Arcueil Cedex Les nappes d eaux souterraines sont fréquemment exploitées en milieu urbain pour assurer une régulation thermique des bâtiments. Les systèmes assurent soit une production de chaud ou de froid, ou les deux alternativement. Dans ce dernier cas, il est expliqué pourquoi, une installation même performante, présentera un bilan déséquilibré et contribuera à réchauffer la nappe. Les avantages des thermofrigopompes sont présentés en termes d économie d énergie et de réduction des émissions nuisibles à l environnement, dont les CO 2. Enfin, des éléments de gestion thermique des nappes urbaines sont présentés dans le but d assurer la maîtrise du développement des exploitations et la faisabilité des projets. I. UTILISATION DE L EAU DE NAPPE DANS LES INSTALLATIONS THERMIQUES DES BÂTIMENTS L eau de nappe peut être utilisée dans les bâtiments pour produire : - du chaud ; - du froid ; - du chaud et du froid. I.1 Production de chaud Si l on fait abstraction de l exploitation des nappes d eau chaude en géothermie, le niveau général de température des nappes (13 à 17 C) nécessite l utilisation de machines frigorifiques fonctionnant en pompe à chaleur (type eau/eau ou eau/air) ; l eau de nappe pompée est refroidie dans l échangeur dit «basse pression» et l énergie «pompée» est transférée vers l échangeur dit «haute pression» pour produire du chaud à un niveau de température exploitable (35 à 65 C). I.2 Production de froid La production de froid à partir des nappes souterraines peut être assurée par : - Une utilisation directe : l eau pompée entre 13 et 17 C dessert directement les installations de refroidissement des bâtiments. Les systèmes utilisés acceptent des températures d eau réfrigérée assez élevées (16 à 18 C) ; ce sont, par exemple, les planchers et plafonds rafraîchissants, les poutres froides. Session 3 - Usages thermiques 171

2 - Une utilisation indirecte : l eau pompée sert à évacuer l énergie thermique produite par une machine frigorifique. I.3 Production de chaud et de froid Le bâtiment est desservi par une machine thermofrigorifique qui produit en permanence du chaud et du froid. Suivant les besoins thermiques globaux de l immeuble, la nappe est utilisée soit pour apporter l énergie nécessaire au chauffage en hiver, soit pour évacuer l énergie liée au rafraîchissement en été. II. POURQUOI L UTILISATION THERMIQUE DES NAPPES CONDUIT-ELLE A UN RÉCHAUFFEMENT? Pour répondre à cette question, on peut revenir aux trois modes d utilisation et les comparer aux systèmes traditionnellement utilisés. II.1 Production de chaud Pour produire du chaud en utilisant l eau de nappe, l installation doit comporter : - un ou plusieurs puits de captage ; - un ou plusieurs puits ou ouvrages de réinjection ; - un ou plusieurs échangeurs thermiques permettant l isolement des réseaux d eau ; - une ou plusieurs machines frigorifiques fonctionnant en pompe à chaleur. Cette description sommaire permet d apprécier la complexité de ce type d installation par rapport à des installations plus traditionnelles que sont des chaufferies gaz ou des sousstations raccordées à des réseaux urbains de chaud. Par ailleurs, sur le plan administratif, ces installations peuvent nécessiter : - pour la création des ouvrages de pompage et de réinjection, des dossiers de déclaration ou d autorisation au titre de la loi sur l eau ; - pour les machines frigorifiques, des dossiers de déclaration ou d autorisation au titre de la rubrique n 2920 des Installations Classées pour la Protection de l Environnement (ICPE). Le coût des énergies gaz, réseaux urbains et électricité ne permet pas actuellement un temps de retour sur investissement pour une installation de pompage sur nappe en utilisation en chaud seule. Dans ce contexte, l utilisation des installations de pompage en chaud uniquement ne se développe pas. Session 3 - Usages thermiques 172

3 II.2 Production de froid La production de froid dans les bâtiments est assurée par des machines frigorifiques ; ces dernières sont associées à des systèmes de refroidissement du type «à air» ou «à eau» qui doivent être installés en extérieur. Ceci conduit à des contraintes d encombrement (surface technique en terrasse) des problèmes d urbanisme (hauteur, gabarit) et des problèmes phoniques. Par ailleurs, sur le plan administratif, ces installations nécessitent : - des dossiers de déclaration ou d autorisation pour les machines frigorifiques au titre de la rubrique n 2920 des ICPE ; - des dossiers de déclaration ou d autorisation pour les systèmes de refroidissement humides au titre de la rubrique n 2921 des ICPE. Sur le plan de la performance énergétique, le refroidissement sur eau de nappe permet d obtenir des EER (Efficacité Énergétique de Refroidissement) des machines frigorifiques de l ordre de 4,3 à comparer à ceux des machines refroidies par air, 2,7 à 3 ou refroidies par eau, 3,3 à 3,5. Le pompage sur nappe est souvent envisagé en refroidissement des machines frigorifiques. II.3 Production de chaud et de froid Le principal marché des installations thermiques sur eau de nappe est celui des bâtiments nécessitant d être équipés d une production de chaud et d une production de froid. En tertiaire, on peut citer les immeubles de bureaux, les centres commerciaux, les hôtels, les hôpitaux. Mais même ce type d utilisation où la nappe est sollicitée thermiquement en chaud et froid, l impact est déséquilibré. D abord pour les besoins thermiques annuels des bâtiments : les bureaux et centres commerciaux ont des besoins thermiques de refroidissement plus importants que ceux de chauffage. Par ailleurs, le cycle frigorifique conduit à moins impacter, sur le plan thermique, la nappe en refroidissement qu en chauffage. Exemple : 1 kwh chaud produit 1 kwh froid produit 0,28 kwh électrique compresseur consommé 0,25 kw électrique compresseur consommé Impact nappe Prélèvement - 0,72 kwh Rejection + 1,25 kwh Session 3 - Usages thermiques 173

4 III. QUEL EST L IMPACT DE L AUGMENTATION DES TEMPÉRATURES? - Pour l utilisation : - En production de chaud : L augmentation des températures de nappe est plutôt bénéfique. - En production de froid : Les impacts sont plus importants. - Directe : Des températures de l ordre de 16 à 17 C sont des maximales admissibles avec les systèmes les plus utilisés. - En refroidissement de machines frigorifiques : L impact se situe principalement sur le débit d eau pompée ; en effet, la température de rejection d eau étant généralement limitée à 28 C, à puissance égale, le débit nécessaire de pompage va être augmenté. L EER des machines frigorifiques n est pas impacté par cette augmentation puisqu il est fonction de la température de sortie d eau des échangeurs qui, elle, reste constante à 28 C. IV. PEUT-ON REGULER L AUGMENTATION DE TEMPÉRATURE? Il semble difficile de concevoir une installation thermique d un bâtiment permettant un impact thermique équilibré sur la nappe (1 kwh rejeté en été contre 1 kwh prélevé en hiver). En revanche, un impact maîtrisé peut être envisagé avec, par exemple : - l obligation d utiliser la nappe en hiver pour les besoins de chauffage quand celle-ci est utilisée en refroidissement l été ; - un engagement sur les quantités mensuelles d énergie thermique prélevée à la nappe. V. RÉDUCTION DES ÉMISSIONS ET ÉCONOMIES D ÉNERGIE À titre d exemple, nous comparerons les consommations d un bâtiment de bureaux équipé de deux systèmes différents, soit : - Solution n 1 Traditionnelle Production de chaud par une chaufferie gaz à condensation, et production de froid par un groupe froid à condensation par air. - Solution n 2 Thermofrigopompe Production de chaud et de froid par une thermofrigopompe (pompe à chaleur sur nappe). Session 3 - Usages thermiques 174

5 Les besoins thermiques du bâtiment sont identiques pour les deux solutions étudiées : - Besoins en chaud kwh/m²/an - Besoins en froid kwh/m²/an Mais les moyens de production et, par conséquence, les coefficients de performances étant différents, ont obtient les consommations et dégagements suivants : Énergie Équivalent Déchets radioactifs Besoins [kwh/m².an] Finale Primaire CO 2 SO2 Faibles Forts kwh ef /m².an kwh ep /m².an kg/m².an g/m².an g/m².an g/m².an Solution N 1 - Chaud , Froid ,82 7 1,11 0,22 Total , ,11 0,22 Énergie Équivalent Déchets radioactifs Besoins [kwh/m².an] Finale Primaire CO 2 SO2 Faibles Forts kwh ef /m².an kwh ep /m².an kg/m².an g/m².an g/m².an g/m².an Solution N 2 - Chaud , ,68 0,135 - Froid , ,69 0,138 Total , ,37 0,27 Pour un bâtiment de bureau de m² SHON, la solution «thermofrigopompe» permet de réduire les émissions de CO 2 de 72 tonnes/an par rapport à une solution traditionnelle. Les facteurs de conversion utilisés sont ceux du référentiel HQE Facteurs d émissions des combustibles en équivalent CO 2 kg eq CO 2 /kwh d énergie finale Charbon 0,384 Fioul lourd 0,322 Fioul domestique 0,3 Gaz naturel 0,234 Bois 0 Électricité 0,084 chauffage 0,18 éclairage 0,08 climatisation 0,037 autres 0,052 CPCU (Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain) 0,153 Source : «RÉFÉRENTIEL TECHNIQUE DE CERTIFICATION Bâtiments Tertiaires Démarche HQE» Session 3 - Usages thermiques 175

6 VI. PLANS DE GESTION DES NAPPES URBAINES Le souhait des thermiciens serait de trouver, dans des plans de gestion des nappes urbaines, les informations de base comme : - la délimitation géographique des nappes pouvant être utilisées ; - les niveaux de température généralement rencontrés ; - les risques de pollution pouvant être trouvés et les obligations en termes de traitement de ces pollutions ; - le potentiel thermique exploitable de la nappe, tant en positif qu en négatif. Ces données permettraient de déclencher une étude de faisabilité et d opportunité pour l utilisation de la nappe dans les installations thermiques du bâtiment. Session 3 - Usages thermiques 176

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8 Session 3 - Usages thermiques 178

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