Récupération de la chaleur des eaux usées: Etude de cas de la Cité-Jonction (GE) KHOURY, Jad. Abstract

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1 Report Récupération de la chaleur des eaux usées: Etude de cas de la Cité-Jonction (GE) KHOURY, Jad Abstract Cette étude vise à évaluer le potentiel de récupération de la chaleur contenue dans les eaux usées via une pompe à chaleur pour chauffer un ensemble de bâtiments résidentiels d après-guerre dans le quartier de la Jonction à Genève. La campagne de mesures réalisée dans le collecteur primaire du quartier a montré que la ressource est suffisante et le réseau est bien positionné. La partie la plus critique est l estimation de l efficacité réelle des échangeurs intégrés dans le réseau existant en tenant compte de l encrassement. Parmi les concepts étudiés, le mode bivalent parallèle est recommandé avec une pompe à chaleur qui fournit 25% de la puissance nominale, soit une couverture de 2/3 renouvelable sur l année, et une chaudière à gaz d appoint qui couvre le reste des besoins. Enfin, l aspect novateur de ce travail a été récompensé par le «Prix du cinquantenaire des Services Industriels de Genève» pour l année Reference KHOURY, Jad. Récupération de la chaleur des eaux usées: Etude de cas de la Cité-Jonction (GE). [Mandate from:] Services Industriels de Genève & Ville de Genève. Genève : Services Industriels de Genève & Ville de Genève, 2009 Available at: Disclaimer: layout of this document may differ from the published version. [ Downloaded 02/02/2017 at 12:56:54 ]

2 Récupération de la chaleur des eaux usées Etude de cas de la Cité-Jonction (GE) Etude réalisée par Jad Khoury Groupe Energie/Forel Avec la collaboration des : Services Industriels de Genève Service de l énergie - Ville de Genève Genève, juillet 2009

3 L aspect «innovant» du travail présenté ici réside d abord dans l utilisation des eaux usées, comme une source d énergie «renouvelable» qui s évade chaque jour de nos maisons, pour couvrir les besoins thermiques d un complexe de bâtiments situés à la Jonction. Les conclusions soulevées à la fin de cette étude et exposées aux différents acteurs du projet à l'hôtel de Ville en novembre 2008 ont permis plus tard la genèse d un projet «pilote» concret à Genève. Ce travail, qui se base en partie sur une étude menée durant un stage aux Services Industriels de Genève en 2008, est aussi le fruit d une étroite collaboration avec le Service de l énergie de la Ville de Genève et le Groupe Energie de l Institut des Sciences de l environnement de l Université de Genève. Cette étude a été ensuite reprise et développée dans mon travail de master universitaire en sciences de l environnement à l UNIGE et a reçu le «Prix du cinquantenaire des Services Industriels de Genève» pour l année Contact: Jad Khoury 2

4 Résumé Selon les indications de SuisseEnergie, le potentiel théorique de la récupération de chaleur des eaux usées en Suisse est considérable. Le cœur du dispositif est constitué d une pompe à chaleur qui élève la température de l énergie récupérée par l échangeur thermique pour le chauffage et la production d eau chaude sanitaire. Des mesures de températures et de débits ont été réalisées sur le collecteur primaire d eaux usées du quartier de la Jonction, pour évaluer le potentiel de la ressource à répondre aux besoins calorifiques des bâtiments de la «Cité-jonction». Ces bâtiments d une surface de référence énergétique de 57'057 m 2 appartenant à la Ville de Genève, doivent être rénovés dans le but de réduire leur consommation de 133 à 59 kwh/m 2. Les résultats de cette campagne de mesure, extrapolés sur la distribution annuelle à l entrée de la STEP d Aïre, ont montré que la ressource est disponible et abondante. Avec une température moyenne journalière oscillant durant l année entre 17 et 23 C et un débit moyen journalier en hiver de l ordre de 40'000 m 3 /j, les eaux usées constituent une source d énergie renouvelable en milieu urbain à valoriser. Le manque de retour d expériences de telles installations et le peu de recul au niveau du fonctionnement ont nécessité une recherche sur les techniques de récupération, ce qui a permis d identifier les facteurs limitants pour le dimensionnement et des solutions pour le nettoyage des échangeurs ont été envisagées. En ce qui concerne le concept énergétique, le mode bivalent parallèle a été retenu où une chaudière à gaz d appoint permet de couvrir la totalité des besoins lorsque la demande énergétique est considérable. Sur cette base, plusieurs scénarii ont été développés. Les analyses ont montré que le potentiel est important pour le scénario 1, quand la pompe à chaleur fournit 25% de la puissance maximale, soit une couverture de 2/3 renouvelable sur l année. Concernant l effet sur la ressource, un prélèvement de 0,2 C à 0,6 C pour le mois de Février a été considéré comme minime par rapport au refroidissement de 1 à 4 C des effluents dû à l infiltration des eaux de pluie dans le réseau d assainissement. Par ailleurs, si plusieurs installations de récupération de chaleur étaient conçues sur le même réseau, alors la diminution de la température des eaux usées pourrait être mesurable et une étude dans ce cadre serait envisageable pour déterminer l impact sur la station d épuration. Finalement, comme ce projet est une première à Genève, l objectif de ce rapport est de souligner le potentiel et le risque de cette opération qui dépendent fortement des circonstances locales et de la technique à disposition, en vue d une prise de décision. 3

5 Table des matières 1 Introduction Situation initiale... 6 Situation... 6 Description du projet... 6 Enveloppe des bâtiments... 7 Installations techniques Concept de rénovation... 9 Enveloppe des bâtiments... 9 Installations techniques... 9 Principe : chauffer grâce aux eaux usées brutes Conception centralisée ou décentralisée? Caractéristiques de la ressource Description du réseau d eaux usées de la Ville de Genève Description du collecteur primaire d eaux usées de la Jonction Caractéristiques des eaux usées brutes comme source d énergies renouvelables Campagne de mesure locale des températures et débits des eaux usées à la Jonction Analyse des résultats de la campagne de mesure à la Jonction Extrapolation des températures et débits des eaux usées à la Jonction sur une année Techniques de récupération de la chaleur Différents systèmes d échangeurs thermiques Visite des installations à Zurich et à Winterthur Différentes stratégies d installation des échangeurs à la Jonction Contraintes à prendre en compte Effet du développement des biofilms sur l efficacité d un échangeur de chaleur Conditions à respecter pour le bon fonctionnement des stations d épurations à l aval Contrainte économique Dimensionnement de l installation, scénarii et résultats Rappel des hypothèses Dimensionnement de la PAC Conclusions Annexes

6 Etude de cas de la Cité-Jonction Assainissement de la production de chaleur et d ECS 1 Introduction Pour lutter contre les changements climatiques, et dans le cadre du protocole de Kyoto, la Suisse s'est engagée à diminuer de 8% ses émissions de gaz à effet de serre entre 2008 et 2012 par rapport aux émissions de L'ambition du canton de Genève est de parvenir à réaliser la société à 2000 watts sans nucléaire vers En 2006, la Ville de Genève suit en élaborant dans sa politique énergétique une nouvelle stratégie intitulée «100% renouvelable en 2050» visant progressivement à désengager la ville des énergies fossiles. Or, les besoins actuels en énergie pour le chauffage de son parc immobilier, composé de quelques 800 bâtiments, sont assurés à 98% par des énergies fossiles, dont 73% par du mazout, 25% par du gaz et que 2% par le solaire thermique. Pour lutter contre cette quasi-totale dépendance vis-à-vis du fossile, l objectif de la Ville de Genève est de rénover d une part ces bâtiments existants avec un objectif minimum de haute performance énergétique dans le but de réduire la consommation énergétique actuelle, et d élaborer d autre part des nouvelles conceptions énergétiques pour substituer le mazout par du renouvelable afin de réduire les émissions de gaz à effets de serre. En effet, c est là où se trouvent les plus grands potentiels de rationalisations et d'économies d'énergie. Dans cette perspective, la Ville de Genève a décidé d intervenir sur un ensemble de bâtiments portant le nom de Cité-Jonction, qui a été construit entre les années 60 et 70 dans le quartier de la Jonction. Ce complexe représente le plus grand consommateur d énergie du parc de la Ville avec une consommation annuelle d environ 800'000 litres de mazout. Durant mon stage aux Services Industriels de Genève (juillet 08 novembre 08), j ai été chargé de mener une étude sur l assainissement énergétique de ce complexe de bâtiments et plus particulièrement sur la réorganisation et la modernisation de la chaufferie centralisée qui alimente ces huit ouvrages par une solution viable, pérenne, décentralisée et utilisant principalement une source à base d énergies renouvelables. Les conclusions positives de cette étude préliminaire ont donné naissance à un projet concret. Ce travail n aurait pas été possible sans la collaboration avec le service de l énergie de la Ville de Genève, les différents acteurs des Services Industriels de Genève, et l encadrement du groupe Energie de l Institut des Sciences de l environnement de l université de Genève. 5

7 2 Situation initiale Situation La Cité-Jonction est située sur la commune de Genève, section Plainpalais, et fait l angle du quai Ernest-Ansermet et la rue de Ste-Clotilde (cf. Fig.1). Fig.1 Photo aérienne du groupement de bâtiments situé sur les bords de l'arve à Genève Ce groupement de bâtiments appartenant à la Ville de Genève a été construit il y a une quarantaine d années suite à la pénurie de logements qui s est instaurée à Genève. Un premier dispositif législatif à été mis en place à cette époque pour favoriser la construction des logements sociaux. Dans le même périmètre, on peut repérer la cité Carl-Vogt qui a été aussi construite entre 1961 et 1964 par les frères Honegger. Description du projet Ce groupement de bâtiments est composé de deux barres de 9 bâtiments de logements, de trois tours résidentiels, une école primaire, et une galette au rez-de-chaussée (cf. Fig.2). Ce dernier comporte un centre artisanal, un centre sportif, des commerces, des garages d automobiles et des locaux techniques. Source: Site internet du système d information du territoire genevois SITG Fig.2 Plan de situation L implantation en peigne des tours, disposées perpendiculairement au quai Ernest-Ansermet selon une orientation nord-est à sud-ouest, caractérise cet ensemble. Le recul entre la galette et le quai Ansermet laisse la place à des espaces de parkings. Une couverture végétale recouvre la toiture de la galette qui relie tous les bâtiments et constitue des squares publics et un lieu de rencontre pour les habitants. La surface de référence énergétique (SRE) de ce groupe de bâtiments est de m 2. Son indice énergétique (IDC) est de 479 MJ/m 2.an. 6

8 Enveloppe des bâtiments Fig.3 Photo aérienne de la Cité-Jonction Les façades des immeubles, ainsi que la structure porteuse, sont construites en béton armé. La construction modulaire et l utilisation des éléments préfabriqués en béton armé caractérisent les bâtiments des années On a aussi relevé durant nos visites les constats suivants: Une déperdition de chaleur élevée au niveau des ponts thermiques. Une enveloppe thermique faible. Une étanchéité des toitures à améliorer. Les façades des tours d habitations se caractérisent par l accentuation des éléments horizontaux où des balcons se développent sur les façades orientées nord-est et sud-ouest (cf. Fig.5). Tandis que les barres d habitations se distinguent par des balcons encastrés dans l ossature porteuse du bâti (cf. Fig.4). Fig.4 Façades des 2 barres d habitation Dans les deux cas, des stores extérieurs inclinés en toiles protègent l enveloppe de l extérieur. Les parties pleines de la façade ne sont pas isolées ou dans le meilleur des cas on peut trouver 3 à 6 cm de panneaux de fibres de bois posés de l intérieur. L ossature apparente de la façade présente des ponts thermiques horizontaux et verticaux, sources de déperditions thermiques. Aujourd hui, ces bâtiments nécessitent des travaux de rénovation de l enveloppe qui dépassent de loin de simples travaux de réfection. Pour cette étude de cas, nous n allons pas réaliser un bilan thermique à partir de l étude détaillée des enveloppes, mais on se basera sur le scénario de réduction des besoins de chauffage transmis par le Service de l énergie de la Ville de Genève (cf. A.5. 4) 7

9 Fig.5 Façades des tours d habitation de la Cité-Jonction Installations techniques La production de chaleur pour le chauffage des bâtiments de la Cité-Jonction est assurée par trois chaudières centrales à mazout de 3 MW chacune, situées dans la galette du projet. Une optimisation récente de l installation a permis de réduire la puissance de chauffage à 3'230 kw, soit une réduction d un facteur 3 environ. Ces chaudières fournissent la chaleur pour le chauffage des locaux et l appoint nécessaire à la production d eau chaude sanitaire et l achemine par un réseau de chaleur à distance via 7 sous-stations aux bâtiments (cf. A.5.1 schéma de principe) La consommation actuelle brute des bâtiments est de 7'600'000 kwh/an et consomme annuellement 760'000 litres de mazout (cf. Tab.1). L annexe A.5.2 montre les circuits de distribution de chaleur sortants du local technique. Tab.1 Consommation actuelle des bâtiments de la Cité-Jonction Unités Données Remarques Puissance chauffage initiale kw 9'000 3'000*3 Puissance chauffage optimisée réelle kw 3'230 36% Consommation actuelle, primaire litres maz/an 760'000 Consommation actuelle, brute kwh 7' Consommation actuelle, utile kwh 6'642'068 87% Source: Données fournies par le Service de l énergie de la Ville de Genève Quant à la production d eau chaude sanitaire, elle est fournie en partie par des capteurs solaires installés en toiture. L énergie d appoint est assurée par les chaudières. Deux accumulateurs d énergie 8

10 solaire sont déposés dans la chaufferie et possèdent un réglage automatique pour empêcher que la température de l eau distribuée ne dépasse pas les 55 C (cf. A.5.3). Aujourd hui, ces bâtiments nécessitent des travaux de rénovation de l enveloppe et des installations techniques de production de chaleur et d eau chaude sanitaire qui dépassent de loin de simples travaux de réfection. C est ce type de bâtiments qu il faut assainir en premier pour limiter drastiquement l augmentation des émissions de gaz à effet de serre suite à la combustion des énergies fossiles pour la période post-kyoto. 3 Concept de rénovation Pour réduire sa consommation actuelle d énergie de kwh/m 2 à 59 kwh/m 2.an, objectif fixé par le Service de l énergie de la Ville de Genève, ce complexe nécessite une rénovation de ces bâtiments existants avec un objectif minimum de haute performance énergétique. Enveloppe des bâtiments Les enveloppes des bâtiments doivent être optimisées, ce qui nécessite une intervention architecturale pour renforcer l isolation thermique et réduire au maximum les déperditions via les ponts thermiques. Une isolation de l extérieur est conseillée, car elle est beaucoup plus performante qu une simple isolation de l intérieur, et doit être complétée par le renforcement de l isolation de la toiture et de la périphérie de la galette au rez-de-chaussée. D autre part, la fermeture des balcons par des vitrages coulissants avec verre simple peut être envisageable pour réaliser le principe de double peau. La performance de cette stratégie sera analysée dans l étude de cas du bâtiment de l avenue du Gros- Chêne dans le chapitre suivant. Cette fermeture va créer des espaces supplémentaires ou «loggias» par lesquels le réseau d air neuf de la ventilation double-flux passera pour alimenter les appartements. L air vicié, à son tour, peut être évacué par le réseau d aspiration existant. Le scénario de réduction de la Ville de Genève prévoit après la rénovation d atteindre des coefficients de transmission thermique U de 0.2 W/m 2 K pour les murs extérieurs et les toitures, de 0.6 W/m 2 K pour les verres, et finalement de 1 W/m 2 K pour les fenêtres. Ce scénario optimiste permettra alors de réduire les besoins thermiques de 43 % (cf. A.5.4) Installations techniques Pour les besoins d eau chaude sanitaire, le bâtiment bénéficie actuellement d une installation de panneaux solaires sur sa toiture. La Ville prévoit d augmenter la surface de panneaux solaires pour recouvrir 620 m 2 de capteurs solaires afin que le besoin d énergie pour l eau chaude sanitaire avec préchauffage solaire soit de 21 kwh/m 2. Le tableau ci-après résume en chiffres l objectif de la Ville à réduire les besoins de chauffage et d eau chaude sanitaire pour ce complexe de bâtiments (cf. Tab.2). 9

11 Tab.2 Consommation des bâtiments avant et après rénovation SRE Avant rénovation Après rénovation Jour de m 2 MJ/m 2 kwh/m 2 MJ/m 2 kwh/m 2 chauffage Besoin ECS Besoin chauffage Besoin chaleur total 57' Source: A partir des données fournies par le Service de l énergie de la Ville de Genève Pour les besoins de chauffage, il convient de couvrir les besoins en énergie en utilisant des ressources locales renouvelables. Plusieurs énergies renouvelables traditionnelles, rajeunies et nouvelles ont été étudiées. L utilisation d une chaudière à bois a été exclue suite aux recommandations du service de la protection de l air vu que le projet se situe dans le centre-ville. Le solaire thermique et électrique restent des solutions alternatives qui dépendent de la forte variabilité dans le temps. Mais, le passage d un collecteur primaire d eaux usées, de deux mètres et demi de diamètre sous le quai Ansermet, devant le complexe de bâtiments de la «Cité-Jonction», a suscité toute notre attention. Principe : chauffer grâce aux eaux usées brutes Avec une température moyenne journalière durant l année à Genève oscillant entre 13 et 23 C et un débit moyen journalier en hiver de l ordre de 40'000 m 3 /j (Khoury, 2008), les eaux usées brutes recèlent une importante quantité d énergie directement jetée dans les égouts. En hiver, elles sont nettement plus chaudes que l air extérieur, tandis qu en été, elles le sont moins, et les bâtiments peuvent être rafraîchis. Aujourd hui, il est possible de récupérer une grande partie de cette énergie à l aide d un échangeur thermique installé dans le collecteur d eaux usées. Le circuit d eau qui relie l échangeur thermique sur eaux usées au côté évaporateur de la pompe à chaleur constitue le circuit primaire du système. Le cœur du dispositif est constitué d une pompe à chaleur qui élève la température de l énergie récupérée par l échangeur de chaleur pour atteindre des températures destinées au chauffage de l eau sanitaire et des locaux. Le circuit secondaire est le circuit propre de la pompe à chaleur. De manière générale, une pompe à chaleur est prévue pour des systèmes de chauffage à basse température où la température de condensation varie entre 35 et 45 C afin de garantir un coefficient de performance (COP) élevé. Après la rénovation de ces bâtiments, la température de distribution d eau pour le chauffage sera de 45 C fournie pendant 19 heures durant une journée d hiver. Les 5 heures restantes seront consacrées à la production d eau chaude sanitaire avec une température de distribution de 55 C. Pour le projet Cité-Jonction, un système bivalent parallèle (PAC + chaudière à gaz) a été choisi car il présente une solution intéressante pour les bâtiments rénovés (cf. A.5.5). La puissance de la pompe à chaleur sera déterminée pour couvrir la totalité des besoins jusqu à une température extérieure définie 10

12 par le point de bivalence. En dessous de cette température, la pompe à chaleur ne peut plus fournir la puissance demandée et sera assistée par une chaudière à gaz pour fournir l appoint. Fig.6 Schéma global du système de récupération de la chaleur des eaux usées pour le chauffage La figure montre le schéma global du système de récupération de la chaleur des eaux usées pour le chauffage des bâtiments de la Cité-Jonction ΔT1 représente le refroidissement global des eaux et l effet sur la ressource (en jaune) ΔT2 représente la différence de températures entre le circuit primaire et secondaire (en magenta) ΔT3 représente la différence de températures au niveau de l évaporateur (en bleu) Le chauffage des bâtiments de la Jonction est alimenté par le circuit tertiaire ou circuit de chauffage. L émission de chaleur est mieux réalisée par des planchers chauffants à eau ou par des radiateurs à basse température. Toutefois, il est intéressant de garder les radiateurs existants installés dans les logements des bâtiments du complexe grâce à leurs surfaces d échanges importantes. La pertinence d une telle solution est à approfondir en tenant compte des aspects économiques, techniques et de régulation. Conception centralisée ou décentralisée? Pour fournir la chaleur aux 9 bâtiments de la Cité-Jonction, on distingue deux conceptions possibles pour le réseau de chauffage à distance: la conception centralisée et la conception décentralisée. Dans la conception décentralisée (cf. Fig.7), l énergie est produite par plusieurs unités situées dans les bâtiments et interconnectées par un réseau à basse température. La réduction des pertes de chaleur entre le lieu de captage de l énergie et les consommateurs constitue un des avantages de cette conception. Tandis que la conception centralisée (cf. Fig.8) permet une production de chaleur par les pompes à chaleur à un seul endroit. Cette chaleur est ensuite acheminée à l aide d un réseau à haute température 11

13 jusqu aux consommateurs. Dans ce cas, les canalisations doivent êtres isolées. Les avantages de cette solution résident dans le fait que la maintenance est centralisée et simplifiée et que l espace demandée pour les installations techniques est plus réduit. Fig.7 Conception décentralisée Fig.8 Conception centralisée Vu les distances peu importantes entre les bâtiments de la cité-jonction et pour faciliter par la suite les conditions de contracting, nous avons opté pour une conception centralisée avec un réseau à haute température qui fournit la chaleur aux consommateurs. 4 Caractéristiques de la ressource Les eaux usées brutes ou plus communément les «eaux d égout» composées de déchets liquides et solides sont rejetées quotidiennement par les villes et les communes. On peut distinguer deux catégories d eaux usées domestiques: l eau noire et l eau grise. D une part, l eau noire provient des toilettes, tandis que l eau grise provient des cuisines et des salles de bain. Environ, 30% des eaux usées sont des eaux noires et 70% des eaux grises. Description du réseau d eaux usées de la Ville de Genève Le réseau d assainissement à Genève, et plus particulièrement le collecteur primaire (en ligne rouge) qui relie la Cité-Jonction (surface en jaune) à la station d épuration d Aïre (en blanc) via la station de pompage de St-Jean est illustré dans l annexe A Au niveau du quartier de la Jonction, on distingue 2 types de réseaux de distribution : D une part, on a les réseaux séparatifs où l eau de pluie n est pas recueillie par le réseau d égout de la ville. Ainsi, les quantités d eaux grises sont minimes pendant la nuit et reprennent des débits normaux pendant la journée avec des pics à l heure des repas. 12

14 D autre part, dans les réseaux unitaires, les infiltrations d eau de pluie entrent dans les égouts et surchargent le système de collecte des eaux lors des crues. Par suite, la température des eaux usées diminue, et les quantités d eaux mélangées augmentent soudainement pour former des pics lors des précipitations importantes. Pour le périmètre de la Jonction, les différents types de collecteurs qui composent le réseau d égout figurent ci-dessous. Les lignes en marron représentent le réseau unitaire tandis que le réseau séparatif est représenté par les lignes bleues pour les eaux pluviales et les lignes rouges pour les eaux usées. Fig.9 Réseau d'eaux usées au périmètre de la Jonction Source: Site internet du système d information du territoire genevois SITG Comme le réseau d assainissement de type unitaire domine dans la commune de Plainpalais, le collecteur principal qui longe le quai Ernest-Ansermet reçoit par conséquent des quantités considérables d eau de pluie. Les mesures montrent que le débit d eaux usées s accroît momentanément de façon importante lors des forts orages (cf. A ). Les secteurs des communes de Genève, Veyrier, Onex, Cologny et Bardonnex ; les communes de Collonges - Bellerive, Lancy, Carouge et Troinex constituent le bassin versant principal des effluents de ce collecteur. 13

15 Description du collecteur primaire d eaux usées de la Jonction Tab.3 Description de la conduite d eaux usées Site Genève - Jonction Emplacement Quai Ernest-Ansermet Profil du collecteur primaire Canalisation d'eaux usées collecteur primaire Détail avec cunette Diamètre de la conduite [mm] 2'500 Ecoulement par gravité Longueur & pente [m] [%] 47.7 m 0.12% [m] [%] 52.3 m 0.07% [m] [%] 77.1 m 0.06% [m] [%] 61.8 m 0.11% Longueur totale à étudier [m] m Matériaux béton Etat de la conduite entretenue Age de la conduite ancienne Connecté à la STEP d'aïre Distance à la STEP [km] 3.5 km environ Distance au site [m] dizaines de mètres Site de mesure cheminée no 5385 La cunette est remplie de dépôts jusqu à 340mm Source : Données à partir du rapport fourni par le service Cantonal de l Ecologie de l Eau Entité Métrologie, le 24 Septembre 2008 Caractéristiques des eaux usées brutes comme source d énergies renouvelables Le potentiel de récupération de la chaleur des eaux usées dépend en grande partie en fonction de la température de ces eaux et les quantités présentes dans la canalisation. D une façon générale, la variation annuelle d une part et journalière d autre part des températures et débits des effluents représentent les deux caractéristiques de cette ressource et dépendent des paramètres indiqués cidessous (cf. fig.10): Quantité et température d eau chaude consommée (f(t) constante égale à 55 C /année) Quantité et température d eau froide consommée (f(t) variable entre 8 et 18 C /année selon un retour d expérience réalisé par le CUEPE) Comme paramètres externes : Quantité et température d eau de pluie infiltrée dans le réseau (f(t) variable selon les mois de l année et selon l état et le type du réseau d assainissement) Température du milieu (profondeur de la canalisation) Comme paramètres techniques liés à l échangeur de chaleur : Le facteur d encrassement La surface d échange de l échangeur et le degré d inclinaison du collecteur 14

16 Fig.10 Paramètres définissant le potentiel de récupération de la chaleur des eaux usées Les variations annuelles des températures (cf. A.5.6) et de débits (cf. A.5.7) moyens journaliers des effluents mesurées à l entrée de la STEP d Aïre représentent la première caractéristique de cette ressource. La courbe bleue (courbe de tendance) représente la variation annuelle de juillet 2006 à juin Tandis que la courbe en rouge (courbe de tendance) représente la variation annuelle de juillet 2007 à juin On remarque que la température moyenne journalière des effluents à l entrée de la station d épuration varie pendant l année entre 13 et 22 C environ. Tandis que les quantités d eaux usées recueillies à l entrée de la station d épuration d Aïre fluctuent autour de 170'000 m 3 /j et sont caractérisées par des pics momentanés. Ces pics dépendent essentiellement des précipitations. La seconde caractéristique des eaux usées est la variation journalière importante des températures (cf. A.5.8) et des débits (cf. A.5.9) mesurés pendant la journée du 15 septembre 2008, journée sans précipitation, dans le collecteur primaire d eaux usées (cheminée n 5385) du quartier de la Jonction. Les quantités d eaux usées provenant des résidences et d autres édifices varient durant la journée et atteignent des maximums aux heures de repas. Les gens ont alors tendance à utiliser plus d eau. Tandis que les minimums sont atteints pendant les nuits. De même, les températures journalières sont caractérisées par une diminution de 1 à 3 C et atteignent des minimums à 5h00 le matin. En résumé, pour pouvoir évaluer le potentiel de récupération de la chaleur des eaux usées, il est important de connaître la cyclicité des quantités d eaux usées dans la collectivité, le type de réseau de distribution à l amont du collecteur concerné et l importance des infiltrations d eaux pluviales qui ont un impact sur la température et le débit des effluents. 15

17 Campagne de mesure locale des températures et débits des eaux usées à la Jonction Pour pouvoir évaluer le potentiel de chaleur à récupérer au niveau de la Jonction, des mesures de températures et de débits des eaux usées ont été réalisés par le Service Cantonal de l Ecologie de l eau (mandataire) - entité métrologie - du 14 Août 2008 au 2 Septembre 2008 durant mon stage aux SIG. La station, équipée d un débitmètre mobile et d un limnimètre mobile pour obtenir les mesures de débit et de température locale, a été installée dans la cheminée n 5385 (cf. Fig.11) sur le collecteur primaire de la rive droite de l Arve en provenance de Carouge et des Acacias. Ce dernier a été équipé par des échelons. Fig.11 Campagne de mesure effectuée au niveau de la cheminée n 5385 N.B. Vue de la cheminée n 5385 donnant accès au collecteur (photo à droite) La figure 12 montre une vue globale du site de mesure dans le collecteur primaire à l endroit où la récupération de chaleur via les échangeurs thermiques devrait se faire. La mise en place et l étalonnage des instruments de mesure, les précisions des données de températures et de débits fournis et d autres remarques se trouvent dans l annexe (cf. A.5.19). Fig.12 Vue du site de mesure dans le collecteur de la Jonction Les résultats de la campagne de mesures sont représentés par des graphes superposés (cf. Fig.13, 14 et 15). Le graphe d en haut indique le débit d eaux usées instantané mesuré à la jonction en [l/s] (tracé en mauve), le débit journalier en [m 3 /j] (tracé en magenta), la pluviométrie en [mm/h] (tracé en bleu foncé) et la pluviométrie journalière en [mm/j] (tracé en bleu clair). Dans le graphe ci-dessous est indiqué la température des eaux usées mesurée en [ C] (tracé en vert) et la hauteur d eau dans le collecteur en [mm] (tracé en orange). 16

18 Fig.13 Résultats de la semaine du 14 au 20 août

19 Fig.14 Résultats de la semaine du 21 au 27 août

20 Fig.15 Résultats de la semaine du 28 août au 3 septembre

21 Analyse des résultats de la campagne de mesure à la Jonction Pour mieux comprendre l effet des infiltrations d eaux de pluie sur le potentiel de la ressource d eaux usées à disposition, nous avons étudié en détail la journée du 19 août 2008 où des précipitations importantes ont été signalées l après-midi (cf. Fig.16). Le pic de précipitation s est situé entre 17h00 et 17h05 lorsqu une lame d eau de 16.7 mm et 16 mm est tombée respectivement à 17h00 et à 17h05 (cf. A.5.13). L analyse des mesures relevées au niveau du collecteur primaire à la Jonction révèle ci-dessous : 1. Une augmentation importante des débits des eaux usées (facteur 6) avec un décalage de 2 heures (entre le pic de précipitation et le pic de débit). L infiltration des eaux de pluies dans le réseau d assainissement s est réalisée entre 17h00 et 18h30 où des quantités importantes des effluents (1410 l/s) ont atteint le site de mesure à la Jonction à 18h30, comparé à l/s mesuré à 18h25. Ainsi, le débit instantané des eaux usées mesuré à la Jonction est passé de l/s (17h00) à l/s (18h55), soit une augmentation du débit d un facteur de 6 (cf. A.5.13). 2. La hauteur d eau dans le collecteur a doublé, passant de 721 mm (17h00) à 1556 mm (pic à 19h05) avec un décalage de 2 heures de l averse (cf. A.5.13). 3. La température des effluents a diminué de 1.2 à 2 C avec un décalage de 1.5 heures. Ainsi, pour pouvoir évaluer l effet de la pluviométrie sur la température des eaux usées, nous avons comparé les températures des effluents entre 18h20 et 18h40 suite à l averse parvenue entre 17h00 et 17h05 le 19 août 2008, avec les températures des effluents des journées (sans précipitations) du 18 et 17 août 2008 (cf. Tab.4). Tab.4 Comparaison des températures des eaux usées du 19 août entre 18h20 et 18h40 suite à des précipitations parvenues à 17h00, et celles du 17 et 18 août (journées sans précipitations) Heures Précipitations imp. (16 mm à 17:05) sans précipitations (0 mm) sans précipitations (0 mm) 18: C 22.2 C 22.3 C 18: C 22.2 C 22.3 C 18: C 22.2 C 22.3 C 18: C 22.2 C 22.3 C 18: C 22.3 C 22.3 C Source: A partir des résultats de la campagne de mesure réalisée par le service Cantonal de l Ecologie de l Eau 20

22 Le tableau montre que la température des effluents mesurée entre 18h20 et 18h40 demeure constante pendant les journées sans précipitations du 18 et 17 août Cette température est de 22.2 C et de 22.3 C respectivement. Or, le 19 août, et précisément après l averse de 17h00, la température des effluents a diminué pour atteindre une valeur minimale de 21 C à 18h30. En comparant avec les 2 journées sans précipitations et durant la même période de temps, on peut conclure que la température des effluents a diminué de 1.2 à 1.3 C après 1h30 de l averse (cf. Fig.16). Tout de même, il est important de noter que la diminution de la température des effluents due aux précipitations a été amortie par la consommation d eau chaude généralement élevée à 18h00 (heures des repas). En fait, le 22 août 2008, des précipitations semblables à celle du 19 Août ont été mesurées à 18h30. L infiltration des eaux de pluies dans le réseau d assainissement s est réalisée entre 18h30 et 20h00. L influence de ces précipitations sur la température des effluents a été une diminution de 2 C mesurée entre 19h20 et 20h00 (cf. A.5.14). 4. Les quantités et les températures mesurées dans le collecteur d eaux usées à la Jonction peuvent connaître des changements brusques suite à l exploitation de la station de pompage (stap) de St-Jean et la station d épuration (step) d Aïre à l aval (cf. A.5.12). Deux types de changements peuvent être identifiés : a. Des changements liés aux événements météorologiques qui surviennent en aval du bassin versant. Ces changements sont dus principalement à la composition des eaux de l Arve qui varient selon l intensité du débit et sont affectées par l érosion des sols sur leurs parcours. Ainsi, lorsque le niveau de l Arve est élevé et pour éviter l arrivée du limon à la station d épuration d Aïre, le pompage au niveau de la station de St-Jean à l aval du collecteur est interrompu. L arrêt de la station de pompage signifie plus d écoulement des eaux usées, le débit après un certain moment sera nul, la hauteur d eau dans le collecteur augmentera et par conséquent va influencer la température. b. Des changements liés aux opérations de maintenance au niveau de la station d épuration d Aïre ou de la station de pompage de St-Jean qui peuvent causer l arrêt ou la limitation du pompage à la Jonction. Dans l annexe A.5.15, on peut souligner un arrêt de la station de pompage de St-Jean pendant la nuit du août 2008 dû à des travaux de maintenance. Les gestionnaires ont estimé la fréquence de l arrêt du pompage à une dizaine de fois par an. 21

23 Fig.16 Analyses des résultats de mesure du 19 et 20 août

24 Extrapolation des températures et débits des eaux usées à la Jonction sur une année Comme les mesures de débits et de températures des eaux usées à la Jonction ont été réalisées sur une période de 2 semaines environ, il a été nécessaire d extrapoler ces mesures sur 365 jours, soit une année. L extrapolation des mesures ponctuelles réalisées à la Jonction, a été établie sur la base de la distribution des données mesurées à l entrée de la station d épuration d Aïre pour les périodes de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin Ces données ont été fournies par le Service des eaux usées à Aïre. L analyse de la distribution de ces données a été réalisée en percentiles et figure dans l annexe cf. A La méthode pour extrapoler les données de températures et débits ponctuels mesurées à la Jonction a consisté à : Etablir la distribution moyenne en percentiles (95p, 50p, 5p) des températures moyennes journalières des effluents à l entrée de la STEP d Aïre qui représente le scénario de référence moyennant les périodes de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin 2008 (cf. A ). Etablir la distribution moyenne en percentiles (95p, 50p, 5p) des débits moyens journaliers des effluents à l entrée de la STEP d Aïre qui représente le scénario de référence moyennant les périodes de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin 2008 (cf. A ). Comparer les températures et débits moyens journaliers des eaux usées mesurées à la Jonction et celles mesurées à l entrée de la STEP d Aïre pour la période qui s étend du 15 août 2008 au 1 er septembre 2008 (cf. A.5.18). Extraire le Δt moyen [en C], qui représente la somme des différences de températures moyennes journalières mesurées entre Aïre et la Jonction, divisée par le nombre de jour de mesures. Extraire le ΔQ moyen [m 3 /j], qui représente la somme des différences de débits moyens journaliers mesurés entre Aïre et la Jonction, divisée par le nombre de jour de mesures. Finalement, l extrapolation des températures moyennes journalières des eaux usées au niveau de la Jonction, va s établir sur la base du scénario de référence (cf. A ), et selon la formule : T moy jo E.U. Jonction = T moy jo. E.U. Aïre + ΔT moyen De même, l extrapolation des débits moyens journaliers des eaux usées au niveau de la Jonction, va s établir sur la base du scénario de référence (cf. A ), et selon la formule : Débit moy jo E.U. Jonction = Débit moy jo. E.U. Aïre + ΔQ moyen 23

25 Température des eaux usées en C Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury 2009 Les résultats des extrapolations des températures et des débits moyens journaliers à la Jonction sont illustrés dans les tableaux (cf. Tab 5&6) et les figures (cf. Fig.17&18) ci-dessous. Tab. 5 Distribution en percentiles des températures des effluents à la Jonction T moy jo. E.U Jonction [ C] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Janvier Février Mars Avril Mai Juin Moyenne ( ) 95% perc. 50% perc. 5% perc. Hiver hyp. (déc-mars) Eté hyp. (juin-sept) Données extrapolées sur une année selon la formule suivante: T moy jo. E.U Jonction = T moy jo. E.U Aïre + ΔT moyen Fig.17 Distribution en percentiles des températures des effluents à la Jonction juil. août sept. oct. nov. déc. janv. févr. mars avr. mai juin Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile Les valeurs de la courbe bleue dans la figure précédente correspondent aux valeurs pour lesquelles 95% des températures d eaux usées mesurées au niveau de la Jonction seront inférieures. Tandis que, les valeurs de la courbe orange correspondent aux valeurs pour lesquelles 95% des températures 24

26 Débit en m3/j Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury 2009 mesurées seront supérieures. La médiane est représentée par la courbe verte. L incertitude sur les valeurs projetées de température est de +/- 0.5 C. Tab. 6 Distribution en percentiles des débits des eaux usées à la Jonction Débit moy jo. E.U Jonction [m 3 /j] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juillet 200'272 53'911 23'967 Août 202'417 47'581 22'973 Septembre 163'141 40'579 23'536 Octobre 116'884 35'760 17'244 Novembre 158'929 30'674 18'256 Décembre 159'292 35'314 18'256 1 Janvier 127'954 43'488 18'174 Février 119'510 38'822 27'141 Mars 122'585 37'423 16'541 Avril 205'237 42'063 9'939 Mai 179'183 46'452 20'071 Juin 167'991 66'721 37'150 Moyenne ( ) 95% perc. 50% perc. 5% perc. Hiver hyp. (déc-mars) 132'335 38'762 15'535 Eté hyp. (juin-sept) 183'455 52'198 26'906 Données extrapolées sur une année selon la formule suivante: Débit moy jo. E.U Jonction = Débit moy jo. E.U Aïre + ΔQ moyen Fig.18 Distribution en percentiles des débits des eaux usées à la Jonction 250' ' ' '000 50'000 0 juil. août sept. oct. nov. déc. janv. févr. mars avr. mai juin Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile De même dans la figure précédente, les valeurs de la courbe bleue correspondent aux valeurs pour laquelle 95% des débits d eaux usées mesurées au niveau de la Jonction seront inférieures. Cette courbe montre aussi l importance des quantités d eaux de pluie infiltrées dans le collecteur. Tandis que, les valeurs de la courbe orange correspondent aux valeurs pour laquelle 95% des débits d eaux usées mesurées au niveau de la Jonction seront supérieures. Notons que la valeur de 5% percentiles 25

27 des débits moyens journaliers à la Jonction pour le mois de décembre a été remplacée par celle de Janvier (18'174 m 3 /j à la place de 283 m 3 /j) suite à une mauvaise reconstitution de la valeur. Finalement, la médiane est représentée par la courbe verte et varie durant l année autour des 40'000 m 3 /j. En résumé, avec une température moyenne journalière oscillant durant l année entre 17 et 23 C et un débit moyen journalier en hiver de l ordre de 40'000 m 3 /j, les eaux usées constituent une source d énergie renouvelable en milieu urbain à valoriser. Ajoutons à cela que le réseau est bien positionné pour répondre aux besoins de chaleur des bâtiments de la Cité-Jonction. En comparant les quantités d eau usées extrapolées à la Jonction (cf. Tab.5) et celles mesurées à l entrée de la STEP d Aïre (cf. A ), qui représente la principale station d épuration avec environ 400'000 habitants raccordés, on peut déduire que la ressource disponible pour le chauffage des bâtiments de la Cité-Jonction constitue 25 à 30% de la ressource totale du canton de Genève. Dans le paragraphe suivant, nous avons abordé les différentes techniques pour extraire la chaleur des eaux usées et les différentes stratégies d installations possibles à la Jonction. De nombreux contacts directs avec des fabricants et des visites d installations de récupération de chaleur ont été réalisés pour mieux comprendre le principe de fonctionnement de ces échangeurs. 5 Techniques de récupération de la chaleur Différents systèmes d échangeurs thermiques Les techniques de récupération de chaleur les plus utilisées actuellement sur le marché se limitent à l utilisation d échangeurs de types eau-eau. Ils permettent d une part de séparer le réseau d eaux usées brutes du réseau du circuit secondaire et de récupérer d autre part l énergie thermique des effluents. Dans la pratique, on cherche à obtenir une puissance d échange donnée avec la plus faible surface d échange et le moins de pertes de charge possibles, c est à dire, au meilleur coût d investissement et d exploitation. D autre part, mettre en place des échangeurs de types «air saturé-eaux» dans la partie la plus élevée de la conduite d eaux usées serait une solution intéressante car elle évite les problèmes d encrassement. Mais suite au manque de références sur le marché, nous nous sommes contentés d étudier les échangeurs de types eau-eau. Parmi les échangeurs thermiques de types eau-eau, on distingue les systèmes suivants : Le système Rabtherm (cf. A.5.20) Le système CISPS «the Complete In Sewer Piping System» (cf. A.5.21) Le système «Slinky heat pipe exchanger» (cf. A.5.22) Le système immergé séparé du réseau (cf. A.5.23) 26

28 Fig.19 Différents systèmes d échangeurs thermiques eaux / eaux usées Le système Rabtherm Le système CISPS Le système «Slinky heat pipe exchanger» Le système immergé séparé du réseau Les différentes variantes illustrées dans la figure ci-dessus ont été analysées cas par cas sur le plan technique et économique dans les annexes correspondants. La solution retenue, à savoir les échangeurs de type Rabtherm, s est avérée la plus intéressante. Pour résumer, le système CISPS «the Complete In Sewer Piping System» et le système «Slinky heat pipe exchanger» n ont pas de références jusqu'à maintenant sur le marché et demeurent dans une phase de recherche et d essai. Le développement du premier système s est arrêté suite aux difficultés techniques soulignées par le fabriquant. Tandis que le deuxième système semble être plus intéressant et consiste à utiliser à la fois le potentiel géothermique du terrain et la chaleur des eaux usées en fixant l échangeur de chaleur en spirale sur la surface extérieure du collecteur. L avantage de ce système réside par l absence du facteur d encrassement, facteur essentiel dans le dimensionnement des autres échangeurs. Le troisième échangeur étudié est l échangeur immergé dans un réservoir tampon et séparé du réseau. Ce type d échangeur thermique, contrairement aux autres, reçoit les eaux usées filtrées de l ensemble des bâtiments avant d être rejetées dans le collecteur. Tout de même, il est possible d imaginer que cette gaine soit desservie par une partie des eaux usées traversant le collecteur primaire. Ces eaux temporairement recueillies doivent être filtrées avant d être rejetées dans le collecteur primaire de la Jonction. Dans ce cas, la gaine doit être toujours remplie jusqu'à un certain niveau pour assurer le transfert de chaleur. 27

29 Finalement, le système Rabtherm reste avec le plus de références sur le marché. L échangeur est en tôle d acier inoxydable d épaisseur 10 à 12 mm avec des tuyaux d alimentation et de retour du circuit secondaire. Ces tubes connectés peuvent être placés de différentes façons illustrés dans la figure cidessous (cf. Fig.20). Selon le fabriquant, la longueur maximale conseillée pour l échangeur thermique serait de 200m. La chaleur extraite après 200m devient relativement faible et n'est plus rentable. Fig.20 Différentes possibilités d'installations du système Rabtherm dans la conduite Source: Ces échangeurs, composés de modules de trois mètres et raccordés en série par des collecteurs, peuvent être installés directement dans les conduites d eaux usées existantes maintenus par du béton ou peuvent être intégrés aux canalisations préfabriquées qui peuvent servir aussi de by-pass. Le principe de fonctionnement de cet échangeur illustré dans la figure suivante est défini dans l annexe (cf. A ). Fig.21 Principe de fonctionnement de l'échangeur Rabtherm Source: 28

30 Visite des installations à Zurich et à Winterthur Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement de cet échangeur, une visite de trois installations déjà réalisées en Suisse alémanique a été organisée par la société RABTHERM AG le 24 avril Tous les acteurs concernés à Genève ont participé à cette visite, dont les représentants du Service cantonale de l énergie, cheffe et responsables du service de l énergie de la Ville de Genève (propriétaires de ces bâtiments), les services techniques et de marketing des Services industriels de Genève (propriétaires de la conduite d eaux usées et fournisseurs d'énergie principale sur le canton), le président et co-directeur du département des constructions et de l aménagement, chef du service des bâtiments et finalement le groupe Energie de l université de Genève représenté par le professeur Bernard Lachal et Jad Khoury (responsable de l étude dans le cadre d un stage aux SIG). Ci- dessous quelques photos de la visite du site de Winterthur-Wülfingen à Maienried qui montrent les différents participants, les 48 appartements chauffés, l accès à la conduite et l installation de récupération de la chaleur sur les eaux usées. Fig.22 Photos de la visite du site de Winterthur-Wülfingen à Maienried L objectif de ce paragraphe n est pas de décrire la visite, mais de relever quelques constats qui nous ont paru importants. Premièrement, cette visite nous a permis d observer en vrai grandeur les différentes installations de récupérations de chaleur, les locaux techniques et les immeubles chauffés. 29

31 A première vue, on est impressionné comment les besoins de chaleur des 48 appartements sont couverts seulement par 28 m 2 d échangeurs installés dans une conduite d eaux usées, couplés à une pompe à chaleur d une puissance de 80 kw. Deuxièmement, le manque de retours d expérience «neutres» et de données concernant les facteurs d échange et le coefficient d encrassement nous ont vite prouvé que l approche scientifique était quasi-absente durant la visite pour laisser la place à une approche «marketing» orientée. Mais un monitoring de cette installation mis en place par le service de l énergie de la ville, il y a quelques mois, pourrait apporter des réponses à nos doutes. Différentes stratégies d installation des échangeurs à la Jonction L installation des échangeurs thermiques pour la récupération de la chaleur des égouts à la Jonction peut être soit directement conçue dans la conduite existante, soit intégrée dans le by-pass d une canalisation préfabriquée. Les 2 solutions soulignent des avantages et des inconvénients qui sont développées dans l annexe cf. A En bi-passant le collecteur principal dans le deuxième scenario, la largeur des fouilles en tranchée sont variables, mais les coûts sont très élevés. Les canalisations préfabriquées doivent être soit posées en dessous du niveau de la canalisation primaire pour que le transfert des effluents se fait par gravité, soit de pomper les eaux usées brutes par le biais d une station de pompage vers les canalisations préfabriqués posées en surface. L avantage est que les eaux usées peuvent continuer de s écouler normalement dans le collecteur sans avoir recours à dévier le flux. Malgré les avantages de cette solution, l intégration de l échangeur de chaleur directement dans la canalisation existante reste une décision plus rationnelle et plus pratique au niveau de la Jonction. Les échangeurs de chaleurs intégrés dans le by-pass d une canalisation préfabriquée restent une solution intéressante lors du remplacement ou de la construction d une canalisation. Enfin, l utilisation d un échangeur air saturé / eau peut être une bonne idée, mais nécessite une recherche avancée sur la technique et les matériaux. Ainsi, la récupération d une partie de la chaleur véhiculée par les eaux usées à l aide d un échangeur thermique constitue une source d énergie renouvelable intéressante à valoriser en milieu urbain. Or, plusieurs contraintes doivent être prises en compte lors du développement de tels projets. Le paragraphe suivant traitera de l effet du développement des biofilms sur l efficacité des échangeurs de chaleur, les solutions envisageables pour réduire cet encrassement, et les conditions à respecter pour le bon fonctionnement des stations d épuration à l aval. 30

32 6 Contraintes à prendre en compte Effet du développement des biofilms sur l efficacité d un échangeur de chaleur Au bout d une certaine durée de fonctionnement, la surface d échange est recouverte d un film d encrassement dû à l écoulement des eaux usées brutes. Ces dépôts, ayant une conductivité thermique plus faible par rapport aux matériaux de l échangeur, constituent une couche isolante qui crée une résistance au flux de chaleur des eaux usées vers l échangeur thermique. Ainsi l efficacité de l échangeur est réduite. La prise en considération de ce facteur représente une double conséquence financière et technique, avec un surdimensionnement de la surface d échange par rapport à un fonctionnement «propre» observé à l'installation de l'appareil ou juste après un nettoyage. Mais attention, un surdimensionnement important peut engendrer des coûts supplémentaires et impose de lourds investissements. Fig.23 Evolution dans le temps du rendement de l échangeur sous l effet du développement de biofilm (en % du rendement de l échangeur propre) Source du graphique: Eawag, (Wanner, 2006). A droite, photo qui illustre le film d encrassement dans le collecteur d eaux usées de la Jonction La figure ci-dessus montre comment l efficacité de l échangeur thermique diminue avec le temps suite à la formation du biofilm pour ne plus représenter que 50% du rendement de l échangeur au bout de 18 jours. Les flèches indiquent les augmentations du rendement de l échangeur à la suite des rinçages réalisés par le biais d augmentations ponctuelles de la vitesse d écoulement des effluents (Wanner, 2006). Pour résumer, les études menées ont montré qu il n est pas possible d éviter la formation de biofilms sur les surfaces des échangeurs thermiques installés dans les égouts, mais les pertes de rendement peuvent être limitées par des interventions directes ou mécaniques. Il est donc important de tenir compte du facteur d encrassement lors du dimensionnement de l échangeur thermique et d inclure la totalité des coûts dans les premières étapes du projet. 31

33 Pour faire face à cette problématique, plusieurs solutions sont envisageables : Interventions directes : Des interventions directes de nettoyage par une société de gestion et de maintenance des eaux usées. L intégration des inserts en cuivre à chaque module d échangeur ont un double rôle. D une part l utilisation du cuivre, métal à la fois souple et bon conducteur, permet de réduire l encrassement. D autre part, la présence des inserts augmentent la turbulence du fluide qui circule à l'intérieur du tube (cf. A.5.25) De même, il est possible de réaliser un rainurage du tube. La turbulence et l'agitation générée permettent ainsi de réduire l'encrassement par rapport à un tube lisse, mais ne substitue pas la nécessité d un nettoyage. Interventions mécaniques : Un système de racleur-propulseur destiné à circuler dans un tuyau d'une installation d'entrée à un emplacement de réception. A cette fin, un fluide de poussée est pompé dans le tuyau afin de faire avancer le racleur. Un dispositif de nettoyage automatique composé de brosses insérées dans l échangeur (cf. A.5.26) Un aménagement produisant une chasse d eau qui augmente ponctuellement la vitesse d écoulement des effluents. Conditions à respecter pour le bon fonctionnement des stations d épurations à l aval Les installations de récupération de la chaleur des eaux usées ne nuisent pas en principe au bon fonctionnement des stations d épurations. C est ce que confirment les études menées par l Office fédéral de l énergie (SuisseEnergie, 2005) et l EAWAG, l'institut de Recherche de l'eau du Domaine des EPF (Wanner O., 2004). D après Wanner & Al., si l abaissement de la température des effluents dû à la récupération de la chaleur reste dans une certaine limite et que la STEP ne fonctionne pas toujours au maximum de sa capacité, les effets de l installation d un échangeur dans une canalisation d eaux usées sont minimes (Wanner, Panagiotidis, Clavadetscher, & Siegrist, 2005) et (Wanner, Clavadetscher, & H., 2005). Les résultats ont montré aussi que le refroidissement des effluents dû à la récupération de chaleur dans les égouts est de l ordre de 1 C tandis que les variations météorologiques abaissent de plusieurs degrés Celsius la température des eaux usées. Dans le chapitre suivant, nous allons calculer l effet de la récupération de chaleur sur la ressource d eaux usées à la Jonction. 32

34 Selon les recommandations de l association suisse des professionnels de la protection des eaux (VSA), la récupération de la chaleur des eaux usées ne pose aucun problème si les deux conditions suivantes sont respectées : Le refroidissement de la quantité totale des eaux parvenant à la station d épuration ne doit pas dépasser 0,5 C. La température de l eau qui arrive à la station d épuration ne doit pas être inférieure à 10 C. Les résultats de l expérience de la Jonction ont montré que ces conditions sont respectées même dans les moments les plus critiques de l année (mois de février) avec une marge plus que suffisante (cf. Fig.25, 26 &27) Par contre, si plusieurs installations de récupération de la chaleur sont conçues sur le même réseau alors la diminution des températures des eaux usées pourrait être mesurable et une étude dans ce cadre serait envisageable pour déterminer l impact de ces installations sur le rendement de la station d épuration. Contrainte économique L acceptabilité sociale de se chauffer grâce aux eaux usées ne constitue pas en principe un obstacle pour la réalisation de telles installations. Mais comme pour toute énergie renouvelable, les contraintes économiques le sont. D après une étude (Gutzwiller, 2008) publiée par l'office fédéral de l'énergie (OFEN) dans le cadre de son programme de recherche, Fondements de l'économie énergétique (FEE), la rentabilité de ce type de projet, ainsi que ses chances d'être réalisé, dépendent fortement des conditions suivantes. D une part, la chaleur des eaux usées devient économiquement intéressante dès que les coûts de revient devient inférieurs à 10 cts/kwh. Pour les 15 installations de pompes à chaleur sur eaux usées réalisées en Suisse jusqu à la fin de l année 2006, les auteurs ont observé que les coûts de revient de chaleur deviennent attractifs qu à partir d une puissance supérieure à 3000 kw. De même, les heures d exploitation des pompes à chaleur et les températures de distribution aux consommateurs ont aussi une influence importante. D'où la difficulté d'évaluer à ce jour le potentiel économiquement réalisable de l utilisation des rejets de chaleur des eaux usées qui peut être récupérées au niveau de la Jonction. A cela, on peut ajouter d autres facteurs qui dépendent des conditions géopolitiques et des mesures politiques locales, tels les coûts imprévisibles du mazout, la valeur de la taxe CO 2, la sécurité de l approvisionnement existant en énergie et le manque de retour d expérience des projets réalisés. 33

35 7 Dimensionnement de l installation, scénarii et résultats Rappel des hypothèses 1. Choix de l échangeur thermique Pour cette étude, des échangeurs de chaleur similaires au standard Rabtherm de 200 mètres de longueur, avec une surface d échange équivalente de 157 m 2, seront installés dans le fond du collecteur primaire au niveau de la Jonction. Ils seront insérés entre la sortie du siphon de l Arve et le pont de Saint-Georges, vu la distance qui les sépare est d environ 240 mètres (cf. Fig.9). Ces échangeurs nécessitent alors un nettoyage permanent. Théoriquement, le coefficient de transfert de l échangeur installé à Zurich (Wipkingen) est de 2250 W/m 2 K (sans encrassement) et de 1580 W/m 2 K (avec encrassement). Or, vu le manque de retour d expérience des installations de récupération de la chaleur des eaux usées, et le peu de recul au niveau du fonctionnement, nous avons préféré prendre comme hypothèse le coefficient de transfert égal à 500 W/m 2 K, soit le tiers de ce qui est donné par le fabricant après encrassage. 2. Puissance thermique maximale La puissance thermique requise pour couvrir le besoin de chauffage et d eau chaude sanitaire (ECS) à la température de dimensionnement a été estimée à 1400 kw par le Service de l énergie de la ville de Genève. 3. Mode de fonctionnement de la pompe à chaleur Pour les puissances utiles de chauffe importantes pendant les jours les plus froids de l année ou pour une température de distribution supérieure à 50 C, un système bivalent parallèle est recommandé. La PAC fonctionnera seule jusqu'à une certaine température extérieure en dessous de laquelle une chaudière à gaz fournira en complément l appoint (cf. A.5.5). 4. Choix du mois de février comme le mois le plus défavorable pour le calcul Pour la suite, le calcul se fonde sur le scénario le plus défavorable qui consiste à prendre les températures les moins élevées T 5% et les débits à temps sec Q 5% des eaux usées qui passent dans la conduite primaire de la Jonction pendant le mois de février (cf. Fig.17&18). 34

36 Dimensionnement de la PAC Choix de la puissance de la pompe à chaleur (PAC) Le dimensionnement d une PAC se réalise sur la base d'un compromis dans le choix d'une pompe à chaleur par rapport au choix du chauffage d'appoint qui va la compléter. On distinguera 3 scénarii où la pompe à chaleur sera dimensionnée pour fournir 25% (scénario 1), 50% (scénario 2) et 70% (scénario 3) de la puissance maximale à fournir, ce qui veut dire 70 à 98% environ sur toute l année à partir d énergie renouvelable en récupérant la chaleur des eaux usées (cf. Tab.7). Ceci nécessite que l électricité, utilisée pour fonctionner la pompe à chaleur, provienne aussi d une source d énergie renouvelable. Quant à la chaudière à gaz, qui a le rôle de fournir en complément l appoint, elle sera dimensionnée pour répondre à la totalité des besoins et d assurer la sécurité d approvisionnement en cas d arrêt de l installation de récupération de chaleur. Tab.7 Choix de la puissance de la pompe à chaleur (PAC) 3 scénarii qui représentent la part de la pompe à chaleur à couvrir par rapport à la P.max à fournir Puissance à fournir Puissance de la PAC Puissance à compenser Puissance d'appoint à fournir (chaudière à gaz) (théoriquement) 100% de P. 80% de P. kw kw kw kw kw Scénario 1 25% P.max Scénario 2 50% P.max Scénario 3 70% P.max Fig.24 PAC dimensionnée pour répondre au 25% (sc. 1), 50% (sc. 2) et 70% (sc. 3) de la P.max à fournir 35

37 La courbe de chauffe des bâtiments du complexe de la Cité-Jonction est illustrée dans la figure précédente par le tracé en rouge et représente le besoin calorifique nécessaire à fournir pour le chauffage sur une année. La courbe en couleur verte représente la part de la puissance fournie par la pompe à chaleur. Pour la suite du raisonnement, on ne prendra pas en compte les besoins d eau chaude sanitaire qui sont représentées par la surface hachurée en jaune. Détermination du coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur (PAC) Par définition, le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur est déterminé par le rapport entre la quantité d énergie fournie et la quantité d électricité consommée. En réalité, le COP varie suivant les différentes conditions d utilisation (basse ou haute température) et selon les conditions saisonnières. L idéal serait de faire une simulation par heure sur une année pour analyser le fonctionnement de la PAC et déduire le coefficient de performance annuel. Mais pour ce travail, nous nous sommes contentés de prendre comme hypothèse, 3 scenarii (A, B et C) qui représentent respectivement les valeurs 3, 3.5 et 4. Transfert de la chaleur via l échangeur Pour calculer la puissance de transfert de chaleur via l échangeur, on distinguera 3 scénarii A, B et C avec des COP de 3, 3.5 et 4 et 3 autres scénarii 1, 2 et 3 qui représentent la part de la pompe à chaleur à couvrir par rapport à la puissance maximale à fournir. Ainsi on aura 9 possibilités de scénario (1A, 1B, 1C), (2A, 2B, 2C) et (3A, 3B et 3C) qui figurent dans le tableau ci-dessous. Tab.8 Transfert de la chaleur via l échangeur selon les 9 scenarii proposés Puissance à fournir Puissance de la PAC Scénario A COP de la PAC Scénario B Scénario C Transfert de chaleur ou puissance d'échange W Scénario A Scénario B Scénario C kw kw kw kw kw kw kw kw Scénario 1 25% P.max Scénario 2 50% P.max Scénario 3 70% P.max Simulations et résultats Les 9 scénarii ont été évalués par rapport aux 3 indicateurs ci-dessous : - ΔT1 qui représente l effet de refroidissement sur la ressource d eaux usées (en jaune). - ΔT2 qui représente la différence de températures entre le circuit primaire et secondaire (en magenta). - ΔT3 qui représente la différence de températures au niveau de l évaporateur (en bleu). Les détails de calcul pour les différents scénarii sont représentés par 9 tableaux dans l annexe (cf. A.5.27). 36

38 Fig.25 Scénario 1: (P PAC = 25% P max = 350 kw) soit une couverture de 70% renouvelable (mois de février) Fig.26 Scénario 2: (P PAC = 50% P max = 700 kw) soit une couverture de 94% renouvelable (mois de février) Fig.27 Scénario 3: (P PAC = 70% P max = 980 kw) soit une couverture de 98% renouvelable (mois de février) N.B : L électricité, considérée pour le fonctionnement de la pompe à chaleur, est produite à partir d une source d énergie renouvelable 37

39 Pour la pompe à chaleur, nous préconisons un dimensionnement faible, au maximum 25% de la puissance nominale de la chaufferie, soit une limite de 350 kw permettant de produire environ les 2/3 de la chaleur. Avec cette limite, la pompe à chaleur devrait tourner entre 3'500 et 4'000 h à pleine puissance. Les résultats ont montré que l effet de refroidissement global sur la ressource suite à la récupération de chaleur des eaux usées est de 0,2 C pour le scénario 1 avec une pompe à chaleur de 350 kw installée, de 0,4 C pour le scénario 2 avec une pompe à chaleur de 700 kw installée, et finalement de 0,6 C pour le scénario 3 avec une pompe à chaleur de 980 kw installée. Ces résultats présentés dans les figures (cf. Fig. 25, 26 &27) sont celles du mois de février lorsque les températures et les débits des eaux usées à la Jonction atteignent leurs minimums (T 5% et Q 5% ). On peut conclure que le refroidissement des effluents dû à la récupération de chaleur reste donc minime par rapport à la diminution de 1,2 à 3 C des températures dû à l infiltration des eaux de pluie dans les réseaux et respecte avec une marge plus que suffisante les deux conditions pour le bon fonctionnement des STEP à l aval. Par contre, si plusieurs installations de récupération de la chaleur sont conçues sur le même réseau, alors la diminution des températures des eaux usées pourrait être mesurable et une étude dans ce cadre serait envisageable pour déterminer l impact de ces installations sur le rendement de la station d épuration. De même, j ai relevé durant mon stage aux SIG suite aux contacts établis, que certains acteurs, notamment les gérants de la STEP d Aïre qui comptaient valoriser l énergie à la STEP, craignaient que cette idée innovante se multiplie, et affecte négativement le rendement à Aïre. C est pourquoi, il est nécessaire de faire des efforts de communication et de concertation, dès les premières étapes du projet, entre les différents acteurs concernés: gérants de la station d épuration d Aïre SIG, les ingénieurs des Services Industriels de Genève, le service de l énergie de la Ville de Genève, le Service cantonal de l énergie, les fabricants d échangeurs thermiques, l entité métrologie, les gérants du réseau d assainissement de la Ville et les habitants des immeubles. 38

40 8 Conclusions L utilisation de l énergie thermique des eaux usées peut contribuer dans une large mesure à la réalisation des objectifs communaux en matière de politique énergétique et environnementale. Les communes peuvent participer à la diffusion de cette technique en identifiant les sites adéquats, en subventionnant des projets pilotes, des échangeurs de chaleurs ou des pompes à chaleur dans les bâtiments communaux ou privés. Mais aussi les communes peuvent soutenir ou lancer des études de faisabilité, d examiner la possibilité d utiliser l énergie des eaux usées lors de la construction ou de la rénovation de bâtiments communaux, et d informer les promoteurs lors de la délivrance de permis de construire du potentiel de récupération de chaleur des eaux usées. Avec un réchauffement du climat, la demande de refroidissement augmentera en été sous nos latitudes. Il serait donc intéressant d examiner les possibilités de récupération de la fraîcheur des flux d eaux usées, qui jusqu à nos jours, restent inutilisés en été. Mais, il est important d'envisager la situation dans une perspective plus large où des questions pertinentes, comme le droit d utilisation d un réseau d assainissement public pour des besoins privés ou comme le niveau de valorisation de l énergie des eaux usées (avant ou après la STEP), demeurent des sujets de débats actuels. En tout cas, cette étude, basée sur la documentation existante, de nombreux contacts directs avec des fabricants ou des utilisateurs ainsi que des simulations de scénarii, ont permis de relever les points suivants: 1. Le concept proposé de récupération de la chaleur contenue dans les eaux usées via une pompe à chaleur est bien établi, déjà étudié en partie et relativement bien documenté. Toutefois, le manque de retours d expérience «neutres», principalement sur la pérennité et le coût de ces systèmes, rend difficiles certaines analyses. 2. La ressource «eaux usées» ne pose pas de problème dans le projet étudié (réseau d eaux usées de la Jonction, passant au pied de l ensemble des bâtiments à rénover) : a. Par rapport au traitement des eaux usées, les contraintes sur le refroidissement (limité à 0.5K avec la température de ces eaux qui doit rester supérieure à 10 C) laissent une marge plus que suffisante, même dans les moments les plus critiques. b. Par rapport aux besoins en chaleur du projet, la ressource est suffisante et le réseau bien positionné. 3. La partie la plus critique est l extraction de la chaleur grâce à un échangeur de chaleur à intégrer dans le réseau existant. Des solutions étudiées, seul l échangeur interne (type Rabtherm) est envisageable. L encrassement réduit le facteur d échange et a une double conséquence financière qui doit être soigneusement prise en compte : d une part, il faut surdimensionner l échangeur pour assurer le bon fonctionnement de la PAC, d autre part des nettoyages plus ou moins fréquents vont induire des coûts d entretien à prendre en compte. Plus techniquement, nous avons tenu compte de cet aspect en considérant un facteur 39

41 d échange assez faible (500 W/m 2 K, soit le tiers de ce qui est donné par le fabricant après encrassage). 4. Pour la pompe à chaleur, nous préconisons un dimensionnement faible, au maximum 25% de la puissance nominale de la chaufferie, soit une limite de 350 kw permettant de produire environ les 2/3 de la chaleur. Avec cette limite, la pompe à chaleur devrait tourner entre 3'500 et 4 000h à pleine puissance, gage d une bonne rentabilité. En considérant que l électricité, utilisée par les pompes à chaleur, est aussi produite à partir d une source d énergie renouvelable, cette rénovation va permettre une réduction des émissions de CO 2, produites par la combustion, d un facteur de 10 et une économie annuelle pour la planète d'environ de 2 kilotonnes de CO Enfin, si on tient compte de l aspect novateur de ce projet, nous conseillons vivement d effectuer un suivi de longue durée (plusieurs années) de cette installation, plus particulièrement les performances de l échangeur de chaleur et les aspects financiers de l ensemble (investissements et coûts d entretien). Cet aspect «pilote» pourrait conduire à réduire dans un premier temps la dimension de la pompe à chaleur (par exemple 200 kw), puis, selon les résultats, un doublement pourrait être envisagé après étude financière basée sur des informations solides, qui manquent actuellement. Avant de clore ce chapitre, il est urgent de rappeler aux autorités compétentes et aux acteurs concernés que les plus grands potentiels d'économies d'énergie et de réduction de gaz à effet de serre se trouvent dans l assainissement de la production de chaleur des grands complexes d immeubles résidentiels construits entre les années 1961 et 80, et qui constituent un des éléments-clés de la période post-kyoto. 40

42 Bibliographie David, O., & Fabre, A. (2007). Les économies d énergie dans l habitat existant. Paris: Ecole des Mines de Paris. DT. (2008). Révision de la loi sur l énergie : agir pour répondre aux enjeux de notre époque. Département du territoire, République et canton de Genève. Gutzwiller, S. (2008). Abwasserwärmenutzung: Potenzial, Wirtschaftlichkeit und Förderung» (utilisation des rejets de chaleur: potentiel, rentabilité et promotion), OFEN. IPCC. (1996). Guidelines for national greenhouse gas inventories: reference manual, Vol. 3, Khoury, J. (2008). Récupération de la chaleur des eaux usées, Cité-Jonction à Genève. Genève. Nässén, J. (2005). Energy efficiency a forgotten goal in the Swedish building sector? 33 (8), OCSTAT. (2008). Communiqué de presse n 23. Département des finances. République et canton de Genève: Office cantonal de la statistique. OCSTAT. (2009). Retrieved Juillet 2009 OCSTAT. (2004). Le canton de Genève vu par le recensement, ménages et conditions d habitation. Département de l'économie, de l Emploi et des Affaires Extérieures. République et Canton de Genève: Office cantonal de la statistique. OCSTAT. (2004). Révision de la loi sur l énergie: agir pour répondre aux enjeux de notre époque. Département du territoire. République et canton de Genève: Office cantonal de la statistique. Rabtherm. (2008). Rabtherm AG, Zurich. Récupéré sur Studer, U. (2005). Using heat from sewage. Retrieved from SuisseEnergie. (2005). Chauffer et rafraîchir grâce aux eaux usées, Guide pour les maîtres d'ouvrage et les communes. Zurich: OFEN. Wanner, O. (2005). Effect of heat recovery from raw waste water on nitrification and nitrogen removal in activated sludge plants. Water research. Wanner, O. (2006, Juillet). Les biofilms s opposent à la récupération de chaleur. Eawagnews 60f, pp , Wanner, O. (2004). Wärmerückgewinnung aus Abwassersystemen, Schlussbericht BFE-Projekt Nr , dans le cadre d'un projet de recherche financé par l Office fédéral de l énergie. 41

43 Wanner, O., Clavadetscher, P., & H., S. (2005). Auswirkungen der Abwasserabkühlung auf den Kläranlagenbetrieb. Gas Wasser Abwasser 2, Wanner, O., Panagiotidis, V., Clavadetscher, P., & Siegrist, H. (2005). Effect of heat recovery from raw waste water on nitrification and nitrogen removal in activated sludge plants. Water research 39, pp Zgraggen, J.-M. (2009). Nouveaux bâtiments Minergie :performances réelles, coûts et durabilité - l exemple du Pommier à Genève. Conférence à l'institut des sciences de l environnement UNIGE - Groupe énergie. Genève. Liste des figures Fig.1 Photo aérienne du groupement de bâtiments situé sur les bords de l'arve à Genève... 6 Fig.2 Plan de situation... 6 Fig.3 Photo aérienne de la Cité-Jonction... 7 Fig.4 Façades des 2 barres d habitation... 7 Fig.5 Façades des tours d habitation de la Cité-Jonction... 8 Fig.6 Schéma global du système de récupération de la chaleur des eaux usées pour le chauffage Fig.7 Conception décentralisée Fig.8 Conception centralisée Fig.9 Réseau d'eaux usées au périmètre de la Jonction Fig.10 Paramètres définissant le potentiel de récupération de la chaleur des eaux usées Fig.11 Campagne de mesure effectuée au niveau de la cheminée n Fig.12 Vue du site de mesure dans le collecteur de la Jonction Fig.13 Résultats de la semaine du 14 au 20 août Fig.14 Résultats de la semaine du 21 au 27 août Fig.15 Résultats de la semaine du 28 août au 3 septembre Fig.16 Analyses des résultats de mesure du 19 et 20 août Fig.17 Distribution en percentiles des températures des effluents à la Jonction Fig.18 Distribution en percentiles des débits des eaux usées à la Jonction Fig.19 Différents systèmes d échangeurs thermiques eaux / eaux usées Fig.20 Différentes possibilités d'installations du système Rabtherm dans la conduite Fig.21 Principe de fonctionnement de l'échangeur Rabtherm Fig.22 Photos de la visite du site de Winterthur-Wülfingen à Maienried Fig.23 Evolution dans le temps du rendement de l échangeur sous l effet du développement de biofilm

44 Fig.24 PAC dimensionnée pour répondre au 25% (sc. 1), 50% (sc. 2) et 70% (sc. 3) de la P.max à fournir Fig.25 Scénario 1: (P PAC = 25% P max = 350 kw) soit une couverture de 70% renouvelable (mois de février) Fig.26 Scénario 2: (P PAC = 50% P max = 700 kw) soit une couverture de 94% renouvelable (mois de février) Fig.27 Scénario 3: (P PAC = 70% P max = 980 kw) soit une couverture de 98% renouvelable (mois de février) Liste des tableaux Tab.1 Consommation actuelle des bâtiments de la Cité-Jonction... 8 Tab.2 Consommation des bâtiments avant et après rénovation Tab.3 Description de la conduite d eaux usées Tab.4 Comparaison des températures des eaux usées du 19 août entre 18h20 et 18h40 suite à des précipitations parvenues à 17h00, et celles du 17 et 18 août (journées sans précipitations) Tab. 5 Distribution en percentiles des températures des effluents à la Jonction Tab. 6 Distribution en percentiles des débits des eaux usées à la Jonction Tab.7 Choix de la puissance de la pompe à chaleur (PAC) Tab.8 Transfert de la chaleur via l échangeur selon les 9 scenarii proposés

45 Annexes A.5 44

46 A.5.1 Schéma de principe des installations de production de chaleur de la Cité-Jonction, 2002 Source: Service de l énergie de la Ville de Genève A.5.2 Circuits de distribution pour le chauffage A.5.3 Accumulateurs d eau chaude 45

47 A.5.4 Scénario de réduction des besoins de chauffage Source: Service de l énergie de la Ville de Genève A.5.5 Mode de fonctionnement de la pompe à chaleur (PAC) Pour le projet de la Cité-Jonction, on peut distinguer quatre concepts, figurants dans le tableau cidessous, et qui se différencient par le système de production de chaleur et le mode de fonctionnement afin de couvrir les besoins calorifiques des bâtiments. On distingue les modes monovalent et monoénergétique des modes bivalents parallèles et bivalents alternatif. La puissance thermique requise pour couvrir le besoin de chauffage et d eau chaude sanitaire (ECS) à la température de dimensionnement a été estimée à 1400 kw par le Service de l énergie de la ville de Genève. Généralement, les deux premiers modes (monovalent et mono-énergétique) sont utilisés dans des nouvelles constructions, où la pompe à chaleur est le seul système de chauffage utilisé (avec un appoint électrique pour le mode mono-énergétique). Tandis que pour les deux autres modes bivalents (bivalent parallèle et bivalent alternatif), la PAC fonctionne soit en parallèle soit en alternance avec une chaudière. 46

48 Mode de fonctionnement Production de chaleur Part annuelle de la PAC pour le chauffage Fonctionnement Monovalent PAC uniquement 100 % La PAC fonctionne seule et couvre 100 % des besoins calorifiques du bâtiment Mono-énergétique PAC et appoint électrique 95 à 98 % La PAC fonctionne seule jusqu à une certaine t extérieure (point d équilibre). En dessous de cette t, la PAC fonctionne avec un appoint électrique en complément Bivalent parallèle PAC et chaudière 70 à 90 % La PAC fonctionne seule jusqu'à une certaine t extérieure (point de bivalence). En dessous de cette t, la PAC fonctionne avec une chaudière en complément Bivalent alternatif PAC et chaudière 50 à 70 % La PAC fonctionne seule jusqu'à une certaine t extérieure (point de bivalence). En dessous de cette t, la PAC est mise à l'arrêt et une chaudière est mise en route Source: 47

49 A.5.6 Variation annuelle de la température moyenne journalière des eaux usées à l entrée de la STEP d Aïre de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin 2008 Source: Données récupérées à l entrée de la station d épuration d Aïre A.5.7 Evolution du débit moyen journalier à l'entrée de la STEP d'aïre en m 3 /j Source: Données récupérées à l entrée de la station d épuration d Aïre 48

50 A.5.8 Variation de la température des eaux usées pendant la journée du 15 septembre 2008 dans le collecteur primaire à la Jonction Source: Données récupérées par la station de mesure installée dans la cheminée n 5385 du collecteur primaire à la Jonction A.5.9 Variation des débits pendant la journée du 15 sept dans le collecteur primaire à la Jonction Source: Données récupérées par la station de mesure installée dans la cheminée n 5385 du collecteur primaire à la Jonction 49

51 A.5.10 Réseau d'eaux usées qui relie la Cité-Jonction (surface en jaune) à la STEP d'aïre (cercle en blanc) Source: Site internet du système d information du territoire genevois SITG A.5.11 Analyses et distribution en percentiles des températures et débits des eaux usées à l entrée de la STEP d Aïre Les débits et les températures moyennes journalières des effluents à l entrée de la station d épuration d Aïre ont été fournis par le service des eaux usées des SIG à Aïre pour les périodes de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin Pour analyser ces séries de données, la méthode qui a été retenue est celle de la distribution en percentiles qui permet de bien visualiser la dynamique d évolution des données. Dans ce paragraphe, nous allons établir les distributions en percentiles (95p, 50p, 5p) des débits et températures moyennes journalières des effluents à l entrée de la STEP d Aïre, qui représenteront les scénarios de référence moyennant les périodes de juillet 2006 à juin 2007, et de juillet 2007 à juin

52 Température en C Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury 2009 A Analyse de la distribution des températures des effluents Distribution en percentiles de la température des effluents à l entrée de la STEP d Aïre de juillet 2006 à juin 2007 T moy jo. E.U Aïre [ C] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juil Août Sept Oct Nov Déc Janv Févr Mars Avril Mai Juin Hiver (déc-mars) Eté (juin-sept) juil..06 août.06 sept..06 oct..06 nov..06 déc..06 janv..07 févr..07 mars.07 avr..07 mai.07 juin.07 Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile Percentile 95% (p95): Valeur pour laquelle 95% des mesures sont inférieures Percentile 5% (p5): Valeur pour laquelle 95% des mesures sont supérieures Percentile 50% (p50): Médiane qui sépare l ensemble des mesures en deux groupes de taille égale 51

53 Température en C Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury Distribution en percentiles de la température des effluents à l entrée de la STEP d Aïre de juillet 2007 à juin 2008 T moy jo. E.U Aïre [ C] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juil Août Sept Oct Nov Déc Janv Févr Mars Avril Mai Juin Hiver (déc-mars) Eté (juin-sept) juil..07 août.07 sept..07 oct..07 nov..07 déc..07 janv..08 févr..08 mars.08 avr..08 mai.08 juin.08 Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile L analyse de la distribution des mesures de températures à l entrée de la station d épuration d Aïre a été réalisée selon la méthode d analyse en percentiles. Le tracé en orange (5% percentiles) exprime les valeurs pour laquelle 95% des températures d eaux usées mesurées seront supérieures. Le tracé vert est la médiane (50% percentiles). Tandis que le tracé en bleu (95% percentiles) exprime les valeurs pour laquelle 95% des températures des eaux seront inférieures. 52

54 Température en C Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury Distribution en percentiles de la température des effluents à l entrée de la STEP d Aïre (scénario de référence) T moy jo. E.U Aïre [ C] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Janvier Février Mars Avril Mai Juin Moyenne ( ) 95% perc. 50% perc. 5% perc. Hiver hyp. (déc-mars) Eté hyp. (juin-sept) juil. août sept. oct. nov. déc. janv. févr. mars avr. mai juin Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile Le scénario de référence ci-dessus représente la distribution en percentiles des températures des effluents recueillies à l entrée de la STEP d Aïre moyennées sur la période de Juillet 2006 à Juin 2007, et de Juillet 2007 à Juin Et c est par rapport à ce scénario que les résultats de la campagne de mesure effectuée au niveau de la Jonction seront extrapolés. 53

55 Débit en m3/j Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury 2009 A Analyse de la distribution des débits des eaux usées Distribution en percentiles des débits des effluents à l entrée de la STEP d Aïre de juillet 2006 à juin 2007 Débit moy jo. E.U Aïre [m 3 /j] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juil ' ' '560 Août ' ' '771 Sept ' ' '085 Oct ' ' '549 Nov ' ' '778 Déc ' ' '583 Janv ' ' '804 Févr ' ' '544 Mars ' ' '250 Avr ' ' '374 Mai ' ' '198 Juin ' ' '057 Hiver (déc-mars) 271' ' '545 Eté (juin-sept) 297' ' ' ' ' ' ' '000 0 juil..06 août.06 sept..06 oct..06 nov..06 déc..06 janv..07 févr..07 mars.07 avr..07 mai.07 juin.07 Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile Percentile 95% (p95): Valeur pour laquelle 95% des mesures sont inférieures Percentile 5% (p5): Valeur pour laquelle 95% des mesures sont supérieures Percentile 50% (p50): Médiane qui sépare l ensemble des mesures en deux groupes de taille égale 54

56 Débit en m3/j Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury Distribution en percentiles des débits des effluents à l entrée de la STEP d Aïre de juillet 2007 à juin 2008 Débit moy jo. E.U Aïre [m 3 /j] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juil ' ' '417 Août ' ' '219 Sept ' ' '030 Oct ' ' '984 Nov ' ' '777 Déc ' ' '027 Janv ' ' '588 Févr ' ' '781 Mars ' ' '875 Avr ' ' '547 Mai ' ' '988 Juin ' ' '286 Hiver (déc-mars) 244' ' '568 Eté (juin-sept) 320' ' ' ' ' ' ' '000 0 juil..06 août.06 sept..06 oct..06 nov..06 déc..06 janv..07 févr..07 mars.07 avr..07 mai.07 juin.07 Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile L analyse de la distribution des mesures de débits à l entrée de la station d épuration d Aïre a été réalisée selon la méthode d analyse en percentiles. Le tracé en orange (5% percentiles) exprime les valeurs pour laquelle 95% des débits mesurés seront supérieurs. Le tracé vert est la médiane (50% percentiles). Tandis que le tracé en bleu (95% percentiles) exprime les valeurs pour laquelle 95% des débits seront inférieures. 55

57 Débit en m3/j Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury Distribution en percentiles des débits des effluents à l entrée de la STEP d Aïre (scénario de référence) Débit moy jo. E.U Aïre [m 3 /j] Mois 95% perc. 50% perc. 5% perc. Juillet 325' ' '489 Août 327' ' '495 Septembre 288' ' '058 Octobre 242' ' '766 Novembre 284' ' '778 Décembre 284' ' '805 Janvier 253' ' '696 Février 245' ' '663 Mars 248' ' '062 Avril 330' ' '461 Mai 304' ' '593 Juin 293' ' '672 Moyenne ( ) 95% perc. 50% perc. 5% perc. Hiver hyp. (déc-mars) 257' ' '057 Eté hyp. (juin-sept) 308' ' ' ' ' ' ' '000 0 juil. août sept. oct. nov. déc. janv. févr. mars avr. mai juin Temps (mois) 95% percentile 50% 5% percentile Le scénario de référence ci-dessus représente la distribution en percentiles des débits des effluents recueillis à l entrée de la STEP d Aïre moyennés sur la période de Juillet 2006 à Juin 2007, et de Juillet 2007 à Juin Les résultats de la campagne de mesure effectuée au niveau de la Jonction seront extrapolés par rapport à ce scénario. On constate que le débit s accroît momentanément lors des orages estivaux et des pluies diluviennes, exprimées par des pics (tracé bleu, 95% percentiles). 56

58 Température (en C) Récupération de la chaleur des eaux usées - Khoury 2009 A Effet de la température extérieure sur la température des eaux usées Le graphique ci-dessous met en relation la variation des températures des eaux usées à l entrée de la STEP d Aïre entre le 1er juillet et le 31 décembre des années 2006 (en rouge) et de 2007 (en bleue), avec la température de l air extérieur (en vert). Les résultats montrent une variation de la température des effluents de l ordre de 10 C par rapport à une fluctuation de la température de l air beaucoup plus importante (de l ordre de 30 C). En fait, pendant les journées d hiver les plus froides de l année où la température extérieure atteint -3 C, la température des eaux usées dans les canalisations reste à + 16,7 C (donnée du ), condition idéale pour une pompe à chaleur Superposition des températures moyennes journalières des eaux usées à l'entrée de la STEP d'aïre entre le 1er juillet et le 31 décembre de l année 2006 (courbe en rouge) et 2007 (en bleu) et la température extérieure de l'air de l année 2006 (courbe en vert) juil. 01.août 01.sept. 01.oct. 01.nov. 01.déc. -5 Temps (j) T air ext. Tmoy jo. E.U Aire Tmoy jo. E.U Aire Donc, indépendamment de la saison, de la température extérieure journalière et de la durée d ensoleillement, qui sont généralement des facteurs limitants pour les sources d énergies renouvelables, la température des eaux usées non traitées de l égout se situe durant l année entre +15 et +25 C. Grâce aux échangeurs de chaleur placés dans les canalisations, il serait possible de prélever quelques degrés à ces eaux. La pompe à chaleur élève cette température à un niveau exploitable pour chauffer les locaux et l eau sanitaire des bâtiments. 57

59 A Effet de la pluviométrie sur la température des eaux usées Contrairement à l effet négligeable de la température ambiante de l air sur les eaux usées, les précipitations ont un effet remarquable sur la température de ces eaux. La figure ci-dessous montre la variation de la température des eaux usées (en rouge) à l entrée de la station d épuration d Aïre de juillet 2006 à juin Les barres (en bleues) indiquent les précipitations moyennes journalières en mm Effets de la pluviométrie sur la température des eaux usées à l entrée de la STEP d Aïre du au On constate que l infiltration des pluies dans le réseau d assainissement diminue la température des effluents de 1 à 4 C environ. A Effet de la pluviométrie sur les quantités des eaux usées Dans le scénario de référence, la distribution des débits suivant l analyse 50% percentiles représentés par la courbe en vert varie peu, contrairement à la courbe bleue qui représente la distribution des débits suivant l analyse 90% percentiles. La variabilité de la courbe bleue est due aux importantes précipitations qui augmentent le débit momentanément. En effet en 2007, les stations d épuration exploitées par les Services Industriels de Genève (SIG) ont réceptionné 82'605'000 m 3 d eaux usées, soit une augmentation de (+ 4.6%) par rapport à l année 58

60 précédente. Cette hausse marquée a été expliquée comme une réponse à la nette augmentation de la pluviométrie mesurée durant l année (tableau ci-dessous) Pluviométrie et volume total d eau usée à l entrée de la STEP d'aïre Volume total des eaux usées à l'entrée d'aïre 73'602'000 77'312'000 73'092'000 78'944'000 82'605'000 Pluviométrie annuelle à Aïre (mm/an) '019 Source : Rapport d exploitation des eaux usées SIG 2007 A.5.12 Carte des installations d assainissement à Genève 59

61 A.5.13 Variations des différents paramètres mesurés le 19 août 2008 dans le collecteur primaire d eaux usées à la Jonction entre 16h40 et 19h05 suite à une averse à 17h00 Dates et heures Hauteur d'eau Vitesse Débit instantané Débit journalier Température Pluie [mm] [m/s] [l/s] [m3/j] [ C] [ mm/h] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Source : Campagne de mesure réalisée par le Service Cantonal de l Ecologie de l eau - entité métrologie - du 14 Août au 2 Septembre

62 A.5.14 Analyses des résultats de mesure du 22 et 23 août

63 A.5.15 Analyses des résultats de mesure du 25 et 26 août

64 A.5.16 Analyses en percentiles de la distribution des températures des effluents mesurées à la Jonction T jo. à la Jonction [ C] Date 95% perc. 50% perc. 5% perc A.5.17 Analyses en percentiles de la distribution des débits des effluents mesurés à la Jonction Débit jo. à la Jonction [m 3 /j] Date 95% perc. 50% perc. 5% perc '712 46'538 20' '635 36'137 20' '665 36'268 18' '734 42'658 17' '875 50'786 19' '114 43'098 21' '565 42'861 18' '507 37'049 17' '847 45'009 18' '202 45'169 18' '871 43'681 18' '442 38'213 17' '725 38'015 17' '991 46'217 18'683 63

65 A.5.17 Températures et débits moyens journaliers à l'entrée de la STEP d'aïre du 15 Août au 1er septembre des années 2006, 07 et 08 Les 3 tableaux montrent les températures et les débits moyens journaliers de la période du 15 Août au 1 er Septembre des années 2006, 2007 et Pour les jours sans précipitations, les températures et les débits à l entrée de la STEP d Aïre sont presque identiques pour les 3 années. Ainsi, pour simplifier le raisonnement, les mesures ponctuelles de la Jonction seront comparées uniquement aux données du 3ème tableau (année 2008). A.5.18 Comparaison des températures et débits moyens journaliers des eaux usées entre la Jonction et l'entrée de la STEP d'aïre La température des effluents au niveau de la Jonction est plus élevée de + 0,7 C en moyenne par rapport à la température des effluents reçues à l entrée de la STEP d Aïre pendant la période du 15 Août au 1 er septembre. Pour la suite, nous considérons que la valeur approximative du Δt moyen est de +0.7 C (cf. A ). Tandis que le débit au niveau de la Jonction est de moins (-) 125'522 m 3 /j par rapport au débit reçu à l entrée d Aïre du à la présence de plusieurs raccordements à l amont du collecteur. Nous considérons que la valeur approximative du ΔQ moyen serait de - 125'522 m 3 /j (cf. A ) 64

66 A Δt T moy jo. Jonct T moy jo. Aïre Année 08 [en C] [en C] [en C] Δt moyen [en C] = C La journée du n'a pas été prise en compte dans le calcul de Δt moyen A ΔQ Qmoy jo. Jonct Qmoy jo. Aïre Année 08 [m3/j] [m3/j] [m3/j] ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '600 ΔQ moyen [m3/j] = - 125'522 m 3 /j 65

67 A.5.19 Rapport du Service Cantonal de l Ecologie de l eau - entité métrologie - pour la campagne de mesures du 14 Août 2008 au 2 Septembre

68 67

69 68

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74 A.5.20 Techniques de récupération de la chaleur: le système Rabtherm Référence: RABTHERM AG, Zurich, Web: A Description technique Critères d utilisation du système Rabtherm - Diamètre de la canalisation d eau usée au minimum : ϕ mm - Débit d eau usée au minimum : 15 l/s - Longueur de l échangeur thermique min max. 200 m. Selon la compagnie Rabtherm AG, la longueur maximale conseillée pour l échangeur thermique serait de 200 m. La chaleur extraite après 200m devient relativement faible et n'est plus rentable. En effet, la chaleur extraite entre 0 et 100 m est presque le double du montant de la chaleur extraite entre 200 et 300m. - Le meilleur coefficient de transfert est obtenu avec une pression de 300 kpa (3 bars) dans le circuit secondaire. - Le besoin en puissance thermique s élève au minimum à 100 kw - Proximité du consommateur par rapport à la canalisation max. 200 m (zone dense), 300 m (zone peu dense) - Température de fonctionnement max. 70 C Description de l échangeur Echangeurs de chaleur Rabtherm avant la mise en place dans les conduites Source: 73

75 - L échangeur est en tôle d acier inoxydable d épaisseur 10 à 12 mm, avec des tuyaux d alimentation et de retour du circuit secondaire. Ces tubes connectés peuvent être placés de différentes façons (cf. A ) - L installation de ces échangeurs dans les collecteurs existants réduisent la section du canal, normalement acceptable jusqu à 15%. - Le coefficient de transfert de l échangeur installé à Zurich (Wipkingen) est de 2250 W/m 2 K (sans encrassement) et de 1580 W/m 2 K (avec encrassement). L échangeur est installé dans un collecteur de diamètre de 1500 mm, avec un degré d inclinaison de 31%o, et une longueur de 201m (67 modules de trois mètres chacun). Ces données sont extraites d une présentation (Studer, 2005) donnée par l ingénieur zurichois Urs Studer, inventeur du système Rabtherm. - Puissance d extraction: environ 2-5 kw/m 2 qui correspond à environ kw/m (mètres linéaires d échangeurs). - Chaque module a une longueur de trois mètres et fonctionne séparément, ce qui induit le même débit et la même pression à l intérieur de chaque module de l échangeur. Il est aussi possible de relier chaque 2 ou 3 modules ensemble, mais ceci réduira l efficacité de l échangeur. - 1 module: 100% d extraction - 2 modules: 94% d extraction - 3 modules: 90% d extraction Mise en œuvre - On peut installer les modules dans des canalisations d eau usées existantes, raccordés en série par des collecteurs et maintenus par un béton de blocage et de finition. - Il est aussi possible d intégrer ces modules à des nouvelles canalisations préfabriquées en béton lors de l extension d un réseau ou de les installer en by-pass des canalisations existantes. Echangeurs de chaleur intégrés dans les canalisations en béton Rabtherm à Wulflingen Rabtherm à Leverkusen Source: 74

76 A Schéma de principe diamètre 1975 mm diamètre 1050 mm diamètre 900 mm Source: 75

77 Source: The project Waste Water Heat, supported by the Intelligent Energy Europe programme of the European Community A Maintenance Les eaux usées entraîneront un biofilm sur la surface de l'échangeur de chaleur, qui va affecter l efficacité du processus d'échange. Ainsi, le nettoyage doit s effectuer avant que le film d encrassement atteigne une épaisseur maximale de 5 mm. Selon la compagnie, un intervalle raisonnable serait de nettoyer les échangeurs chaque mois. Pour faire face à cette problématique, plusieurs solutions envisageables seront abordées dans le paragraphe 6. A Estimation des coûts 1 de l'échangeur Rabtherm Coût de l échangeur Rabtherm avec les accessoires, les tubes intermédiaires et les joints entre les échangeurs. CHF 6'500 / module 2 Coût de l échangeur Rabtherm sans les accessoires CHF / m 2 Coût de l installation de l échangeur dans le collecteur en béton. CHF 720 / module 2 Coût du nettoyage pour chaque 100 mètres environ CHF Ces valeurs sont prises d un rapport «Conceptual Design of Geo-Exchange and Sewer-Heat Exchange in Greater Vancouver», June 2005, et ne sont pas officielles 2 Chaque module a une longueur de 3 mètres 76

78 A Possibilités d installations du système Rabtherm dans les canalisations Source: 77

79 A Applications Le tableau ci-dessous est un résumé de différents projets réalisés de récupération de la chaleur des eaux usées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments par le biais de l échangeur Rabtherm. Début de l opération Usager h : chaud c : froid Ech. de chaleur Long [m] Surf [m2] P.d extrac tion / P de la PAC [kw] Coût de l installation [CHF], [ ] Référence Foul encr asse ment Zürich Wipkingen 1997 Wohnen 930 Büro, Gewerbe h 200 m m CHF 1'200'000 Zwingen 2000 Wohnen 31 h Binningen 2001 Wohnen 300 h Leverkusen 2003 Büro h + c Singen 2003 Büro+Gewerbe h + c Wülflingen Wässerwiesen 2003 Wohnen 400 h 120 m m m m m m Schaffhausen 2005 Büro h + c Wülflingen Maienried Blumental Wien Überbauung Ruggächer Zürich WBL-TBL Ludwigshafen Überbauung Wädensee Wädenswil 2006 Wohnen 48 h 2006 Büro,Werkhof h + c 2006 Wohnen 280 h 2006 Werkhof h 2006 Wohnen 32 h Stadt Ahlen 2006 Büro,Werkhof h + c Zürich Limmatstrasse 39 m m m m m m m m m m m Schule h ' '000 CHF 825'000 CHF 479'000 93'000 CHF 581'000 88'000 CHF 430' '900 CHF 750'000 EWZ Zürich Hr. Dubacher EBM Münch.Hr. Schneider EBM Münch.Hr. Schneider Harpen Dortmund Hr. Gerwert GVV Singen Hr. Grundler Bachmann, Rüschlikon IWC Schaffhausen L+B AG Winterthur Hr. Tobler Stadt Wien Hr. Gottschall ABZ Zürich Hr. Grüninger TWL Ludwigshafen Hr. Flory CSB Bautech AG Hr. Schäuble Stadt Ahlen Hr. Döding Stadt Zürich 0.4 Lyss 2006 Altersheim h '000 BKW Bern 0.4 Luzern 2006 Büro h + c '000 Concordia 0.4 Source : Rabtherm AG (tableau envoyé suite à un échange de mails avec la compagnie Rabtherm) 78

80 A.5.21 Techniques de récupération de la chaleur: le système CISPS «the Complete In Sewer Piping System» Référence: TEC MANAGEMENT, Allemagne, A Description technique Le système CISPS the Complete In Sewer piping System, consiste tout simplement à installer des conduites supplémentaires en acier inoxydable dans le fond d une canalisation d'eau usée existante avec une injection de mortier liquide dessus. Le mortier utilisé a une adhérence élevée aux tubes posés, et à l humidité dans ce type de canalisation. Les deux photos ci-dessous montrent la pose de six conduites en acier inoxydable dans une canalisation existante avant et après l injection de mortier liquide durant un essai. Conduites posées dans les canalisations en béton Source: TEC MANAGEMENT Avant l injection du mortier Après l injection du mortier A Schéma de principe 79

81 A Maintenance Comme dans le système Rabtherm, les eaux usées entraîneront un bio film sur la surface d échange, qui va diminuer la conductivité. Plusieurs solutions envisageables seront abordées dans le paragraphe. De même, il faut prendre en considération le coefficient de transfert de chaleur à travers le mortier. A Conclusions Suite aux correspondances avec la compagnie TEC-MANAGEMENT, le développement du système CISPS qui jusqu à présent est resté dans une phase de recherche et d essai, s est arrêté, à cause des difficultés techniques rencontrées dans la réalisation (Ingénieur Michael Henze). Dear Mr. Khoury, Thank you for contacting. But sorry, we have CISPC no longer in our product portofolio, because it is finally too difficult in the technical details to translate it into action. Instead of this we have created a much simpler solution, which uses a slinky piping, which can be easily integrated into the wall of the sewer pipe during its manufacturing. Sincerely, ODS Orange Depot System TEC MANAGEMENT A.5.22 Techniques de récupération de la chaleur: le système «Slinky heat pipe exchanger» Référence: TEC MANAGEMENT, Allemagne, A Description technique L'idée de base est d utiliser à la fois le potentiel géothermique du terrain et la chaleur des eaux usées en fixant l échangeur de chaleur sur la surface extérieure du collecteur d eaux usées. Cette technologie, qui jusqu à présent est restée un prototype, a été développée par la compagnie TAC MANAGEMENT sous le label Orange Dépôt System. Pour un gros collecteur, le principal potentiel de la chaleur viendra des eaux usées, tandis que dans les petits égouts, la récupération de la chaleur des eaux usées se fait directement du sol par le transfert de chaleur à travers la paroi de la conduite d'égout. Généralement ce système est appliqué à des canalisations neuves ou récemment remplacées, et nécessite une excavation importante pour son installation. L'espace autour des conduites d'eaux usées est rempli avec un matériel spécial poreux. 80

82 A Schéma de principe Source: TEC MANAGEMENT A Conclusions Inconvénients: Ce prototype demande une excavation importante d une profondeur d environ 7 mètres pour pouvoir équiper le collecteur principal sous le Quai Ernest-Ansermet d un échangeur de chaleur en spirale. D autre part, le coefficient de transfert à travers la paroi du collecteur en béton de diamètre de deux mètres et demi serait plus faible que celle d un échangeur installé directement dans la canalisation. Il est à noter aussi que la section de la conduite n est pas toujours totalement noyée par les eaux usées. Avantages: Le point positif à évoquer est l absence du facteur d encrassement, facteur essentiel dans le dimensionnement de l échangeur Rabtherm. A.5.23 Techniques de récupération de la chaleur: le système immergé séparé du réseau Référence: FEKA - Energiesysteme AG, Web: www. feka.ch Source : 81

83 A Description technique Ce type d échangeur thermique, contrairement aux autres, est installé dans une gaine séparée du collecteur d eau usée et reçoit les eaux de l ensemble des bâtiments avant d être rejetées dans le collecteur. Mais il est possible aussi que cette gaine soit desservie par les eaux usées du collecteur primaire. Ces eaux seront filtrées, temporairement recueillies et refroidies en récupérant leur chaleur, avant d être rejetées dans le collecteur. La gaine est toujours remplie jusqu'à un certain niveau pour assurer le transfert de chaleur nécessaire. A Schéma de principe Source: FEKA - Energiesysteme AG A Maintenance Pour le nettoyage, le filtre est automatiquement rincé une fois par jour. Tandis que la gaine doit être nettoyée tous les 1 à 2 ans et nécessite presque une journée. A Estimation des coûts par la compagnie FEKA Energiesysteme AG 82

84 A.5.24 Différentes stratégies d installation des échangeurs à la Jonction L installation des échangeurs thermiques eau/eau usée pour la récupération de la chaleur des égouts à la Jonction peut être soit directement conçue dans la conduite existante, soit intégrée dans une canalisation préfabriquée. Les 2 solutions illustrées ci-dessous soulignent des avantages et des inconvénients. Pose d'un échangeur dans une canalisation existante Canalisation préfabriquée avec échangeur intégré Source: (SuisseEnergie, 2005) A Echangeur de chaleur intégré dans une canalisation existante Avantages L avantage de l échangeur intégré est qu il est posé directement dans la canalisation et ne nécessite pas des travaux de génie civile et d excavation, donc un coût moins cher à l investissement. Par contre, la durée du chantier sera plus longue, vu que les échangeurs composés de module de 3 mètres doivent être installés et connectés entre eux. De même, cette opération élimine la nécessité de recourir à des installations de pompage et évite les coûts d entretien connexes. Inconvénients La nécessité de dévier le flux d eaux usées lors de l installation des échangeurs à l intérieur de la conduite est une opération qui n est pas évidente surtout lorsqu on a des débits qui atteignent environ 700 l/s à la Jonction. A Echangeur de chaleur intégré dans le by-pass d une canalisation préfabriquée La mise en place d un by-pass parallèle au collecteur des eaux usées a été préférée à l intégration directe de l échangeur dans la canalisation existante dans la ville de Winterthur. Mais le site de la Jonction, par ses caractéristiques, diffère de celui de Winterthur. Des avantages et des inconvénients ont été soulignés ci-dessous. Ce qui peut être utile à la prise de décision au niveau de la Jonction. 83

85 Avantages Premièrement, l eau usée peut continuer de s écouler normalement dans le collecteur principal de la Jonction sans avoir recours à dévier le flux des égouts. De même, la pose des canalisations préfabriqués sur le chantier exige moins de temps par rapport à l intégration des modules d échangeurs à l intérieur de la canalisation existante. A Winterthur par exemple, les travaux n ont duré que trois semaines pour creuser une tranchée de 6 mètres de profondeur et d installer un by-pass de 78 mètres de longueur. Enfin, une partie seulement des eaux usées du collecteur de la Jonction sera détournée par le by-pass. Le diamètre et la forme de l échangeur de chaleur intégré seront dimensionnés et optimisés en fonction du débit nécessaire. Ainsi, la récupération de la chaleur est optimale. Inconvénients Comme le système de collecte des égouts au niveau de la Jonction se fait par gravité, les eaux usées brutes qui passent dans le collecteur de 2.5 m de diamètres, sous le quai Ernest-Ansermet suivent un gradient d inclinaison déterminé. Pour pouvoir bi-passer ce collecteur, 2 scénarii sont envisageables : Scénario 1: Le premier scénario consiste à poser les canalisations préfabriquées en dessous du niveau de l écoulement des eaux usées du collecteur existant pour permettre un écoulement par gravité. La largeur des fouilles en tranchée va dépendre alors de la profondeur de l écoulement des eaux usées brutes, qui au niveau de la Jonction, passe à une profondeur de 6 mètres environ sous le niveau du quai. Scénario 1 Une excavation de l ordre de 7 mètres doit être prévue alors pour la pose des conduites préfabriquées, ce qui va nécessiter des travaux de génie civil importants et une difficulté d exécution dont les coûts seront exorbitants. Scénario 2 : Le deuxième scénario consiste à pomper l eau usée brute du collecteur principale par le biais d une station de pompage vers les canalisations préfabriquées. Ainsi l implantation de ces conduites pourra se faire à une profondeur moins importante. Mais, des coûts d entretiens doivent être pris en compte pour la station de pompage. Scénario 2 Après la pose des conduites préfabriquées, les conduites devraient être soigneusement enrobées avec du sable, ensuite la fouille remblayée, et enfin les lieux parfaitement remis en état. La fermeture de la voie de circulation sur le quai Ansermet sera nécessaire tout au long du déroulement du chantier. 84

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