PROJET CORAIL (pompe à chaleur sol-eau)

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1 Conseil Général descôtes-du-nord AGENCE FRANÇAISE POUR LA MAÎTRISE DÉ L'ÉNERGIE Service Solaire et Géothermie VILLE DE LANNION Direction des Services Techniques PROJET CORAIL (pompe à chaleur sol-eau) compte rendu de la réalisation du prototype et de la mise en service de l'installation de l'école du Rusquet (commune de Lannion - Côtes-du-Nord)

2 BRGM Conseil Général des CÔTES-DU-NORD AGENCE FRANÇAISE POUR LA MAÎTRISE DE L'ÉNERGIE Service Solaire et Géothermie VILLE DE LANNION Direction des Services Techniques PROJET CORAIL (pompe à chaleur sol-eau) compte rendu de la réalisation du prototype et de la mise en service de l'installation de l'école du Rusquet (commune de Lannion - Côtes-du-Nord) J.-Y. Ausseur Ph. Jean J.-P. Sauty novembre SGN 574 EAU BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL Département Eau Département Géothermie Institut Mixte de Recherches Géothermiques B.P ORLÉANS CEDEX 2 - Tél.: (33) Service Géologique Régional Bretagne 14. avenue Sergent-Maginot RENNES - Tél.:

3 RESUME Un prototype de type CORAIL a été implanté à l'école du Rusquet à Lannion (Cotes-du-Nord). Ce procédé permet la récupération de calories du sous-sol par circulation d'eau dans un forage. Le forage atteint la profondeur de 105,80 m et recoupe des granites, des orthogneiss granitiques et des chloritoschistes. Le forage n'est pas tube ; l'équipement est essentiellement constitué par un tube central de faible diamètre permettant une remontée rapide de l'eau réchauffée. Le forage est relié à la chaufferie par des canalisations enterrées ; une pompe à chaieùr permet la récupération des calories. Une pompe de circulation peut assurer un débit de 4 m^/h. L'ensemble du système a fait l'objet d'une instrumentation en vue d'un suivi scientifique précis ; elle comprend notamment 17 thermistances, des compteurs horaires, électriques et volumétriques. Un programme de suivi de fonctionnement est établi. Il devra permettre la validation des modèles et abaques réalisés dans l'étude générale.

4 SOMMAIRE Pages INTRODUCTION REALISATION DU FORAGE Présentation Forât ion et équipement Coupe géologique Arrivées d'eau Qualité de l'eau DESCRIPTION TECHNIQUE DE L'INSTALLATION Principe de l'installation - Schéma de fonctionnement Dimensionneroent de l'installation de Lannion INSTRUMENTATION Description et implantation des sondes thermiques Tableau de connexion - Centrale de mesure PROGRAMME DE SUIVI DE FONCTIONNEMENT PROFILS DE TEMPERATURE LORS DE LA MISE EN SERVICE 16 CONCLUSION 18

5 INTRODUCTION Un prototype du procédé CORAIL a été réalisé et mis en service sur le site de l'école du Rusquet de la commune de Lannion (Côtes-du-Nord). Le procédé CORAIL consiste en une pompe à chaleur sol-eau, dont l'échangeur avec le sol est constitué par un forage équipé d'un tubage central, siège d'un écoulement d'eau en circuit fermé avec descente par l'annulaire, remontée par le tube central et bouclage sur l'évaporateur de la pompe à chaleur. L'implantation du prototype s'est déroulé en 3 phases : 1 - Etude générale du procédé (modélisation thermique, étude économique etc.) 2 - Etude de faisabilité du prototype 3 - Réalisation du prototype. Les deux premières phases réalisées par le BRGM ont fait chacune l'objet d'un rapport en 1983 (Projet CORAIL, étude générale et étude de faisabilité). La troisième phase concerne l'exécution du forage et son équipement, l'installation de la pompe à chaleur, les différents raccordements électriques et hydrauliques et l'instrumentation du prototype. Cette troisième phase, dont nous présentons ici les résultats, a abouti à la mise en service de l'installation le 23 octobre Le financement de cette opération CORAIL a été asuré par l'agence Française pour la Maîtrise de l'energie, la Municipalité de Lannion et le Conseil Général des Côtes-du-Nord. Les différentes tâches ont été réparties de la façon suivante. - Maîtrise d'ouvrage du Projet, achat et installation du matériel : ville de Lannion. - Contrôle de la réalisation du forage et de son équipement : BRGM (Service géologique régional de Bretagne) et ville de Lannion. - Implantation et choix du type de l'instrumentation, programme de suivi de fonctionnement : BRGM (Service géologique national, Département Eau) avec le concours du Centre informatique de l'ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris.

6 REALISATION DU FORAGE PRESENTATION Ce forage a été exécuté du 4 au 15 février 1985 par l'entreprise Forafrance de Loudéac (22), par la technique du marteau-fond-de-trou. Il a été implanté sur le parking situé devant l'école, à 5 m du sondage de reconnaissance F2 réalisé le 7 juin 1983 et a atteint la profondeur de 105,80 m. Il est équipé d'un tube acier sur 7,20 m dont l'espace annulaire est cimenté ; l'autre partie est à paroi nue FORATION ET EQUIPEMENT en deux parties. Les 12 premiers mètres destinés à recevoir la cimentation ont été réalisés De 0 à 3,65 m : foration en Ç> 300 mm, avec mise en place d'un tubage acier de mm et 3,20 m de longueur pour garder une bonne verticalité de l'ouvrage et étayer les granites très boulants qui ne permettaient pas de poursuivre la foration dans ce diamètre. A l'intérieur de celui-ci, un tubage de mm a été mis en place pour permettre la foration en (J> 250 mm jusqu'à 12,65 m. Ce dernier n'a pu être descendu qu'à 3,80 m sous le sol pour les mêmes causes que le précédent, n a été retiré après que la formation ait atteint la cote - 12,65 dans le granite dur. Un tube acier de 7,20 m de longueur, m m, a été descendu et encré dans le granite dur pour permettre la cimentation de l'annulaire. 400 kg de ciment injectés en pression ont été nécessaires. La foration s'est poursuivie en m jusqu'à 57,80 m où pour des raisons techniques et de dureté des terrains nous avons été contraints de télescoper en #180 m m pour atteindre la profondeur souhaitée. Pour respecter la surface d'échange l'ouvrage a été foncé à 105,80 m dont les 5 derniers m dans les chloritoschistes altérés. En fin de foration, un nettoyage à l'air comprimé pendant 40' a été nécessaire pour obtenir une eau claire. La nature des terrains traversés est indiquée dans la coupe ci-après.

7 COUPE GEOLOGIQUE Profondeur m Nature des terrains traversés Temps de f oration pour 3 m (en mn) 0 à 3,65 3,65 à 13,00 13,00 à 16,00 16,00 à 29,00 29,00 à à 106 Granite jaunâtre à beige en blocs, très riche en quartz et fracturé Granite riche en quartz, fracturé, soit en blocs ou en éléments de 0,1 à 2 cm, avec argile jaune dans les fissures Granite riche en quartz et argile Granite riche en quartz avec passage de chloritoschiste entre 27,50 m et 27,80 m Alternances de niveaux de micro-granite à feldspaths potassiques et plagioclases acides. Biotite verte et grandes plages de chlorite verte et épidiorite nettement métamorphisée, orthogneiss granitiques à structures grenues à prismes de feldspaths et quartz intergranulaires automorphes, biotite entièrement recristallisée, riche en èpidote (granite du Trégor à texture proche d'un microgranite) Schistes noirs et chloritoschistes tendres en blocs émousses Non mesurable 26 à à à 23 5

8 ARRIVEES D'EAU Profondeur m Q instantané en f oration m 3 /h 10 10, ,80 105,80 Humidité 1ère arrivée d'eau 1,5 1,8 3,3 (?) 1,87 2,5 2,27 2,4 2,7 à la reprise 2,5 après 5' 2,5 de soufflage 2,88 2,88 3,92 4,8 4,8 4,8 4,8 4,32 4,9 5,4 5,83 6,17 6,64 6,64 7,85 8,5 9,6 après 40' de soufflage Niveau de la nappe sous le sol le 13/02 à 8h30 : 4,70 m le 14/02 à 15h00 : 5,80 m le 15/02 à 9h00 : 6,00 m Tableau 1 - Débits instantanés en f oration

9 QUALITE DE L'EAU Profondeur /cm à 20 PH Fer mg/1 Dureté français , ,55 7,90 7,5 7,15 0,2 0,05 0,4 0, ,5 contenant peu de fer. Tableau 2 - Qualité de l'eau du forage La minéralisation de l'eau est relativement importante, à ph basique,

10 -6- m régulotion sonde de tempe'roture Rodioteur sonde deport C choudi ere É Pompe o choleur de remontée du fluide rechauffé loom x 50 mm te du fluide-échange de colories Xovéc les porois du forage /y Figure 1 - Schéma de l'installation

11 DESCRIPTION TECHNIQUE DE L'INSTALLATION PRINCIPE DE L'INSTALLATION - SCHEMA DE FONCTIONNEMENT Le dispositif CORAIL est une pompe à chaleur sol-eau permettant d'extraire la chaleur naturelle du sol par circulation d'eau en boucle fermée. Il y a connection d'un échangeur-forage avec l'échangeur de la pompe à chaleur. Un tube central de faible diamètre équipe le forage vertical qui constitue l'échangeur. L'eau monte par le tube central disposé dans le forage, après son passage dans la pompe à chaleur auquelle elle cède des calories, elle retourne dans le forage par l'espace annulaire et s'élève en température au contact du sol. Ce principe de fonctionnement est illustré par la figure 1. Le circuit eau chaude de la pompe à chaleur dessert les différents radiateurs. Un système de régulation assure la gestion du circuit hydraulique et permet l'éventuelle mise en route d'une chaudière classique type fioul. La régulation prend en compte la température ambiante et les horaires de chauffage sont programmables (système Centratherm modèle ZGG2) DIMENSIONNEMENT DE L'INSTALLATION DE LANNION Le dimensionnement de l'installation a été défini lors de l'étude de faisabilité, nous renvoyons à ce rapport pour les explications sur la conception du système. Rappelons que le forage a une profondeur de 105,8 m, il est éloigné de 22 m de la chaufferie, les canalisations reliant ces deux points sont enterrées dans une tranchée de 60 cm de profondeur. Le circuit hydraulique est équipé de différents compteurs, vannes et poches à bulbe pour l'installation de capteurs de température comme le montre la figure 2. Les raccordements à la pompe à chaleur sont constitués de flexibles. Des vannes de purge et d'alimentation permettent une éventuelle intervention sur le circuit. La circulation du fluide est établie par une pompe pouvant assurer un débit de 4 m 3 /h.

12 tube PVC 0 26,8 x 32 vanne de purge de 0 32 vanne barrage de 040 Te réduct , flexible raccordement. tube PVC 0 33,6x40 compteur volumétrique poche à bulbe pour compteur de calories poche ö bulbe pour thermistance i 00 i R A N C H E E clapet A.R. vanne d'isolement tétedepuits ", / F O R A G E Plgtire 2 - Schéma d'installation (document : Services techniques tnuncipaux de Lannlon)

13 INSTRUMENTATION DESCRIPTION ET IMPLANTATION DES SONDES THERMIQUES - Conditionnement des sondes Les thermistances utilisées sont de marque YSI modèle (de type 5K ß à 25 C). Ces thermistances sont conditionnées dans une sonde thermique métallique comme le montre la figure 3. La sonde est construite autours de la thermistance pour assurer l'étanchéité de la connexion avec le cable de liaison et la protéger du milieu environnant. - Etalonnage Après câblage des 17 sondes de températures, celles-ci ont été étalonnées. Pour cela les sondes sont regroupées en faisceau et associées à un capteur de température Tastotherm D 700. L'ensemble est immergé dans un bac dont la température est contrôlée par une résistance électrique. L'eau est agitée entre deux lectures. Pour différentes températures la résistance de l'ensemble "sonde + cable" est mesurée par un Metrix (précision ±10 ß). L'étalonnage a permis le contrôle de la bonne correspondance des courbes T-p avec les abaques du constructeur (fig. 4). - Position des sondes Les 17 sondes de températures prévues ont été implantées en différents points du système (fig. 5) et tableau 3.

14 -10- câble de Liaison presse ètoupe Laiton résine de remplissage et d'étanchéité presse étoupe acier inox 14 m thermistance "compound thermique" Figure 3 - Schéma d'une sonde thermique-type (BRGM)

15 Figure 4 - Abaque - Courbe résistance-température - Thermistances YSI-44034

16 de reconnoissonce Figure 5 - Schéma d'installation des thermistances

17 -13- Repère Nature du conditionnement Longueur de câble Observations S 1 Standard 10 m Mesure de la température de l'air S 2 Standard 15 m Température non perturbée du sol à 0,7 m de profondeur S 3 S 4 Standard Standard 30 m 30 m Mesure de la température de contact de l'aller et du retour au milieu de la tranchée S 5 Standard 30 m Position entre S 3 et S 4 S 6 S 7 Lesté Lesté 70 m 85 m Implantées dans le trou de reconnaissance à quelques mètres du dispositif (a la même profondeur que les sondes S 8 et S 9 S 8 S 9 S 10 S 11 S 12 S 13 Lesté Lesté Lesté Lesté Lesté Lesté 65 m 80 m 95 m 110 m 125 m 140 m Mesure de la température dans le puits à différentes profondeurs S 14 S 15 Doigt de gant Doigt de gant 50 m 50 m Température de l'eau à l'aller et au retour en tête de puits S 16 S 17 Doigt de gant Doigt de gant 5 m 5 m Température de l'eau à l'aller et au retour en sortie PAC Longueur totale de câble : 995 m Tableau 3 - Conditionnement et implantation des thermistances

18 -14- OPERATION CORAIL : ECOLE DU RUSQUET Ville de LANNION : Direction des Services Techniques J L DATE, HEURE PAC en fonctionnement Chaudière en fonctionnement Compteur électrique HJ Compteur horaire POMPE [ Compteur calories Compteur volumetrique Compteur fuel 1 j lu ma- me- je ve sa di OUI D NON D OUI D NON D Kwh ; HN J ; brûleur Mirh ; Vol RELEVE DES RESISTANCES (en ohms) 11 m.3 L m Observations : Rédacteur : BRGM - SGN/EAU - BP6009 ORLEANS CEDEX Figure 6 - Bordereau de saisie de données

19 TABLEAU DE CONNEXION - CENTRALE DE MESURE Ce tableau comporte : - un système de commutation de type CL1A pour interroger les 17 sondes thermiques, - un indicateur de points, permettant de mesurer une résistance comprise entre 0 et fi (AOIP-MN5120), - un compteur de calorie Flonic-Schlumberger : modèle CF 22, associé à un compteur de débit de type TG 40 pour connaître les quantités de chaleur prélevées sur le sous-sol, - un compteur électrique pour relever les consommations de la PAC et des auxiliaires, - deux compteurs horaires pour noter le nombre d'heures de marche de la PAC et de la chaudière, - un compteur volumétrique indiquant la consommation fioul de la chaudière. 4 - PROGRAMME DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT La dernière phase de l'opération CORAIL de Lannion correspond à l'interprétation des mesures qui permettront de valider les modèles et abaques. Ceuxci seront ensuite exploités pour le dimensionnement de nouveaux projets et serviront à la diffusion du procédé. Un protocole de mesures et un bordereau de relevés ont été transmis aux services techniques municipaux de Lannion qui assureront les relevés. la façon suivante : Les relevés effectués à partir d'un bordereau (fig. 6) seront organisés de - au minimum, un relevé complet par semaine (si possible le m ê m e jour) Des relevés ponctuels lors de visites occasionnelles : - un relevé complet ou - un relevé partiel : seules les cases surlignées sont alors remplies. L'ensemble des relevés sera envoyé tous les trois mois au BRGM.

20 PROFILS DE TEMPERATURE LORS DE LA MISE EN SERVICE Cinq profils de température ont été réalisés lors de la mise en service. Les différents compteurs ont été relevés à chaque profil. Les résistances sont converties en température ; l'ensemble de ces données est reporté dans le tableau 4. La figure 7 présente les profils 1 et 4. Les sondes sont positionnées dans l'ordre du circuit de l'eau dans l'installation, les distances réelles étant respectées. Sans passer à la phase d'interprétation des résultats, on observe la cohérence des mesures enregistrées. N du profil 1 Etat zéro t = 0 2 t = 35' 3 t = Ih25' 4 t = 3h5' 5 t =4h Heure de mesure Ilhl5 Uh50 12h40 14h20 15hl5 Fonctionnement de la PAC Non Oui Oui Non Oui ,41 14,45 13,96 13,91 14,17 12,24 12,22 12,23 12,01 12,11 12,16 12,10 12,37 10,00 10,58 10,43 10,76 11,35 14,43 13,22 11,74 14,14 12,25 12,28 11,24 11,55 11,81 11,99 12,13 12,25 9,36 11,99 9,77 12,23 12,92 14,43 12,50 10,91 14,02 12,25 12,30 9,91 10, ,87 11,09 11,28 8,32 10,66 8,97 11,17 18,56 14,41 11,76 10,10 13,64 12,24 12,24 8,48 8,90 9,15 9,49 9,75 9,96 7,78 9,70 8,67 10,51 20,68 14,40 11,73 10,21 13,43 12,24 12,23 8,63 8,98 8,97 9,32 9,56 9,71 7,66 9,86 8,77 10,63 Compteur horaire 0,31 1,72 3,19 3,80 Compteur volumique 0,708 6,36 12,38 14,80 Compteur électrique Tableau 4 - Débit mesuré sur 5 mn 4.05 m^/h - Profil de températures lors de la mise en service de l'installation le 23/10/85

21 forogts dt raconnoissonc* foroge remontée T = To + 35 ' mesure du23/10/85 ö II h 50' CD T = To +2h 53' mesure du 23/I0/85Ô l4h20' is«17s Figure 7 - Profils de température

22 - 18- CONCLUSION La troisième phase du Projet C O R A I L sur le site de l'école du Rusquet à Lannion s'est déroulée en parfaite conformité avec le programme des travaux. Cette phase comprenait la réalisation du prototype et son instrumentation. Le forage a atteint la profondeur de 105,80 m, il est équipé d'un tube acier sur les 7 premiers mètres, l'autre partie étant à paroi nue. Les raccordements à une pompe à chaleur TBB 35-CIAT ont nécessité 22 m de tranchée. L'instrumentation mise en place comprend : - 1 compteur électrique de consommation sur la PAC et la pompe de circulation, - 2 compteurs électriques horaires (PAC, chaudière), - 1 compteur de calories pour mesurer l'énergie extraite du sous-sol, - 1 compteur volumétrique d'eau sur le circuit d'eau PAC - forage, - 17 thermistances réparties sur l'ensemble de l'installation pour suivre l'évolution des températures dans le sol et aux bornes de l'évaporateur de la PAC. Un suivi sur un cycle annuel d'exploitation constitue la suite logique à la mise en place du prototype. Ce suivi expérimental (relevés heddomadaires de l'ensemble des compteurs) permettra la validation des études théoriques et servira de base à la diffusion du procédé.

23 réalisation service reprographie du BRGM

24 85 SGN 574 EAU