Bilan énergétique et économique du système de chauffage du bâtiment RUIDA SA Châtel-St-Denis (CH)

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1 Rapport Bilan énergétique et économique du système de chauffage du bâtiment RUIDA SA Châtel-St-Denis (CH) Rédigé par Nicolas Huguelet Co-rédigé par Peter Kurmann Sous la direction de Dr. Elena-Lavinia Niederhäuser Option Mandant Génie mécanique Cosseco, Rte de la Pra de Plan, 1618 Châtel-St-Denis Date 17 janvier 2014 Rapport technique et économique 1

2 i Table des matières i Table des matières Introduction L entreprise COSSECO Technologie Solarline [1] Objectifs du Chèque Cleantech Contenu du présent rapport Présentation de l installation de chauffage Schéma de l installation Bilan énergétique Bilan thermique Bilan de l installation de chauffage Bilan de la PAC Bilan de l installation globale Résultats Comparaison des besoins Bilan économique Consommations Comparaison avec une installation classique (mazout) Comparaison installation classique (PAC) avec SOLARLINE Synthèse du bilan économique Conclusion Bibliographie et sources Rapport technique et économique 2

3 1 Introduction 1.1 L entreprise COSSECO COSSECO est une entreprise basée à Châtel-St-Denis qui met en œuvre des solutions hybrides de Pompes à Chaleur. Elle possède sa propre technologie de régulation qui permet d augmenter de manière significative les performances d une installation de chauffage : Solarline Technologie Solarline [1] Solarline est créé autour d un concept économique et écologique : auto-consommer un maximum d énergie produite par les panneaux Solaires Photovoltaïques. Pour atteindre ce but, COSSECO a développé un système de régulation unique qui permet de tirer parti de chaque kw produit par l installation photovoltaïque qui lui est reliée. De plus, afin d absorber les variations journalières de production photovoltaïques, COSSECO utilise des ballons de stockage d eau chauffée (ou refroidie, pour le rafraichissement en été) afin d aligner la production solaire photovoltaïque avec la consommation. Schéma de principe de fonctionnement de Solarline : Figure 1 - Principe de fonctionnement de Solarline Rapport technique et économique 3

4 Fonctionnement en régime nominal L apport solaire de la journée couvre tous les besoins : chauffage / rafraichissement et Eau Chaude Sanitaire. Le surplus d énergie produit par les panneaux photovoltaïques est alors converti par la PAC en eau chaude / froide et est stocké dans des ballons pendant le jour puis diffusé pendant la nuit. Le stockage sous forme d eau chauffée / refroidie est plus économique et moins polluant que les solutions de stockage de l énergie par des batteries. Fonctionnement avec de forts besoins Si l apport solaire photovoltaïque ne couvre pas tous les besoins, la solution Solarline prend un apport du réseau électrique pour conserver le bâtiment à la température demandée. De plus, si le tarif électrique est plus favorable la nuit, alors Solarline peut chauffer de l eau la nuit pour une utilisation de chauffage pendant la journée. Rapport technique et économique 4

5 1.2 Objectifs du Chèque Cleantech Etablir le bilan énergétique, ainsi que la réalisation d un modèle simplifié et/ou paramétrique pour la simulation sous Polysun, d une installation de production de chaleur (chauffage et ECS) et de froid (refroidissement actif) d une installation innovante comprenant une régulation intelligente d un couplage pompe à chaleur solaire photovoltaïque. 1.3 Contenu du présent rapport Ce rapport présente les résultats sous forme de bilans économiques, énergétiques et coefficients de performances de l installation de chauffage du bâtiment RUIDA à Châtel-St-Denis, réalisée par COSSECO. Le modèle Polysun sera présenté dans un autre rapport consacré uniquement à la simulation énergétique du bâtiment. Le présent rapport contient : Une description technique de l installation de chauffage du bâtiment RUIDA SA, situé à Châtel-St-Denis Bilan énergétique de l installation de chauffage du bâtiment RUIDA SA Bilan économique Note : Ce rapport présente des résultats de bilans énergétiques, tous selon les normes SIA 380/1 [2], IEA SHC Task 44 [3]. Rapport technique et économique 5

6 2 Présentation de l installation de chauffage Données du bâtiment [5], [6] Exigences d après SIA 380/1 (éd. 2007), Bâtiment neuf Année de construction 2011 Altitude 811 m Surface de référence énergétique (SRE) 2154 m 2 Rapport de forme 1.02 Type de chauffage Chauffage au sol Besoins de chaleur pour chauffage 116 MJ/m 2 Besoins de chaleur pour ECS 27 MJ/m 2 Température de dimensionnement Θ, 30 C Géothermie Puissance totale 51 kw 3 PAC géothermiques GHP15B B0W35 Profondeurs des sondes 4 * 250 m PAC modulables en puissance PAC réversibles (climatisation) Photovoltaïque Puissance totale installée 4.8 kwp Surface de captage 32 m 2 Orientation des modules Plein sud Azimut 50 Modules PV JA Solar Holdings JAM6-240 Figure 3 Bâtiment RUIDA Figure 2 Système de chauffage Rapport technique et économique 6

7 2.1 Schéma de l installation Le schéma de principe illustré par la Figure 4 ci-dessous décrit le système de chauffage du bâtiment RUIDA. Les éléments principaux sont décrits dans les encadrés (marque, type, modèle). Figure 4 - Schéma de principe du système de chauffage Rapport technique et économique 7

8 3 Bilan énergétique 3.1 Bilan thermique Les principaux termes d un bilan thermique détaillé pour un bâtiment sont illustrés à la Figure 5 et brièvement commentés ci-après. Pour plus de détails concernant le bilan thermique du bâtiment RUIDA, consulter le justificatif énergétique global [6]. Figure 5 - Bilan thermique détaillé d'un bâtiment [2] 1 Limite du système pour la détermination des besoins de chaleur pour le chauffage 2 Limite du système pour la détermination des besoins de chaleur pour l eau chaude sanitaire 3 Limite du système installation de chauffage, production d eau chaude sanitaire et refroidissement 4 Limite du système bâtiment E F,EI Besoin d électricité pour l éclairage et les installations techniques [MJ/m 2 ] E F,hww Besoins d énergie finale pour le chauffage et l eau chaude sanitaire [MJ/m 2 ] Q g Apports de chaleur [MJ/m 2 ] Q h Besoins de chaleur pour le chauffage [MJ/m 2 ] Q hww Besoins de chaleur pour le chauffage et l eau chaude sanitaire [MJ/m 2 ] Q i Apports de chaleur internes [MJ/m 2 ] Q iei Apports de chaleur internes des installations électriques [MJ/m 2 ] Q ip Apports de chaleur internes dus aux personnes [MJ/m 2 ] Rapport technique et économique 8

9 Q L Pertes de chaleur du système de chauffage et de production [MJ/m 2 ] d eau chaude sanitaire (pertes à la production, au stockage et à la distribution) Q r Chaleur soutirée à l environnement [MJ/m 2 ] Q s Apports de chaleur solaires [MJ/m 2 ] Q T Déperditions par transmission [MJ/m 2 ] Q tot Déperditions totales [MJ/m 2 ] Q ug Apports de chaleur utiles [MJ/m 2 ] Q V Déperditions par renouvellement d air [MJ/m 2 ] Q ww Besoins de chaleur pour l eau chaude sanitaire [MJ/m 2 ] RC Récupération de chaleur [MJ/m 2 ] E pv Part d énergie photovoltaïque pour le chauffage et l eau chaude sanitaire [MJ/m 2 ] E F Part d énergie consommée au réseau pour le chauffage et l eau chaude sanitaire [MJ/m 2 ] Q c Chaleur soutirée aux locaux pour les besoins de climatisation [MJ/m 2 ] 3.2 Bilan de l installation de chauffage Afin de calculer les coefficients de performances (COP), on se limite à faire des bilans au niveau de la frontière numéro 3 (installation de chauffage) de la Figure 5. Les éléments se trouvant à l intérieur de cette frontière sont décrits selon la norme EIA SHC Task 44 [3] et représentés dans la Figure 6 cidessous : Figure 6 - Schéma-bloc de l'installation de chauffage (frontière 3 du bilan thermique) Rapport technique et économique 9

10 Le Tableau 1 ci-dessous illustre les quantités d énergie nécessaires pour le fonctionnement de l installation de chauffage (électricité provenant du réseau, et photovoltaïque), la production de chaleur (chauffage et ECS) et la production de froid (climatisation) durant une période d une année. Ces valeurs correspondent aux besoins réels du bâtiment (mesures) : Thermique Consommation électrique Production Chauffage + ECS [kwh] CHAUFFAGE [kwh] Production ECS [kwh] Production Refroidissement [kwh] Production Solaire [kwh] Energie consommée réseau [kwh] Energie totale électrique [kwh] Part photovoltaïque Mois Q h + Q ww Q h Q ww Q c E pv E F E pv + E F % Janvier 23'332 21'552 1' '340 4'575 5% Février 21'720 20'300 1' '873 4'171 7% Mars 11'720 10'240 1' '968 2'625 25% Avril 5'320 3'885 1' '208 43% Mai 2'843 1'461 1'382 1' % Juin 1' '374 4' % Juillet 1' '321 3' % Août 1' '197 5' % Septembre 3'290 1'910 1'380 1' % Octobre 9'176 7'705 1' '134 1'580 28% Novembre 16'340 14'818 1' '540 2'857 11% Décembre 20'198 18'618 1' '592 3'720 3% Total année 118' '049 17'342 15'211 5'632 19'430 25'062 22% Tableau 1 - Relevé annuel des quantités d'énergie pour l'installation de chauffage Ces valeurs serviront au calcul des différents bilans énergétiques du système. Remarque : Ces valeurs correspondent aux données météorologiques de , voir degrésjours et températures moyennes à la page suivante, pour Châtel-St-Denis. Les mesures ont été effectuées entre les mois de mars 2012 et février 2013, les mois de janvier et février dans le tableau correspondent à l année Ces valeurs ont été fournies par COSSECO. Rapport technique et économique 10

11 Rapport technique et économique 11

12 3.2.1 Bilan de la PAC Afin d estimer les performances de la Pompe à Chaleur, la frontière est placée autour de celle-ci, comme indiqué sur la Figure 7 ci-dessous : Figure 7 - Bilan du système ''Pompes à Chaleur'' Le bilan, appelé SPF HP (Seasonal Performance Factor Heat Pump) se calcule de la manière suivante :,,, Avec,, la quantité de chaleur (chauffage) restituée par la PAC,,, la quantité de chaleur (climatisation) restituée par la PAC et,,, la quantité d énergie électrique consommée par la PAC. Rapport technique et économique 12

13 3.2.2 Bilan de l installation globale Le bilan de l installation globale prend en compte tous les éléments nécessaires au fonctionnement de l installation de chauffage, à savoir les Pompes à Chaleur, les pompes de circulation et les éléments de stockage de chaleur. Deux cas sont traités : une fois avec les panneaux solaires photovoltaïques, et une fois sans afin d évaluer le gain produit par les panneaux. Dans le cas de l installation avec les panneaux solaire, la frontière s illustre selon la Figure 8 cidessous : Figure 8 - Bilan du système global avec apport solaire Ce bilan, appelé SPF SHP+ (Seasonal Performance Factor Solar Heat Pump) se calcule de la manière suivante :, Avec, la quantité de chaleur pour le chauffage des locaux,, la quantité de chaleur pour l eau chaude sanitaire,, la quantité de chaleur pour le refroidissement et,,,,,,,, selon la nomenclature du schéma ci-dessus. Rapport technique et économique 13

14 Dans le cas sans les panneaux solaire, la frontière s illustre selon la Figure 9 ci-dessous : Figure 9 - Bilan du système global sans apport solaire Ce bilan, également appelé SPF SHP+ (Seasonal Performance Factor Solar Heat Pump) se calcule de la manière suivante :, Avec, la quantité de chaleur pour le chauffage des locaux,, la quantité de chaleur pour l eau chaude sanitaire,, la quantité de chaleur pour le refroidissement et,,,,,,, selon la nomenclature du schéma ci-dessus (Figure 9). Rapport technique et économique 14

15 3.2.3 Résultats Les résultats des bilans calculés aux pages précédentes ont été calculés sur une période d une année complète, selon le donné du Tableau 1 : SPF SHP+ système sans solaire SPF SHP+ système avec solaire pris en compte : circulation, ECS, chauffage et froid pris en compte : PV, circulation, ECS, chauffage et froid SPF HP COP de la PAC (valeur selon EN 14511) B0W Tableau 2 - Valeurs des coefficients de performances selon données mesurées Ces résultats montrent que le facteur de performance saisonnier de la PAC est très bon (6.2). Ceci peut s expliquer par le fait que le compresseur de la PAC est modulé en puissance afin de répondre le plus précisément possible aux besoins instantanés. L utilisation d énergie photovoltaïque pour alimenter l installation de chauffage permet de diminuer l énergie consommée au réseau, donc d accroître le coefficient de performance annuel de l installation globale de 5.3 à 6.9. Pour rappel : - ces valeurs sont les résultats des calculs effectués conformément aux chapitres et Modèle de la PAC : GHP15B B0W35 Rapport technique et économique 15

16 3.3 Comparaison des besoins Afin de déterminer si l installation de chauffage répond de manière correcte aux besoins énergétiques du bâtiment, une comparaison est effectuée entre les besoins énergétiques calculés dans le justificatif énergétique [6], et les productions réelles d énergies pour le bâtiment (valeurs mesurées, selon Tableau 1). Selon le justificatif, les besoins sont les suivants : - Besoins pour le chauffage : 116 / - Besoins pour l ECS : 27 / Selon les données mesurées, les productions sont les suivantes : - Production de chaleur pour le chauffage : Production de chaleur pour l ECS : Ces valeurs rapportées à la surface de référence énergétique (SRE), et converties dans une même unité sont les suivantes : Besoins énergétiques bâtiment Selon justificatif Selon mesures Ecart [%] Chauffage [kwh/m 2 ] ECS [kwh/m 2 ] Tableau 3 - Comparaison des besoins énergétiques On constate que la production de chaleur pour le chauffage est supérieure de 32 % par rapport aux besoins calculés dans le justificatif énergétique du bâtiment. Cet écart peut provenir de plusieurs facteurs : - Un justificatif énergétique qui a été mal calculé. - L installation produit trop de chaleur, qui est simplement dissipée dans le bâtiment. - L année pendant laquelle les mesures ont été réalisées a été particulièrement froide. Rapport technique et économique 16

17 Si on compare les degrés-jours de l année pendant laquelle les mesures ont été effectuées, le total est de La personne qui a réalisé le justificatif thermique [6] a pris en compte la station climatique de Fribourg, ce qui n est pas correcte, en réalité le besoin serait plus élevé. Période DJ Châtel St Denis DJ Fribourg Ecart [%] moyenne [%] 16.7 Tableau 4 - Total des degrés-jours pour Châtel et Fribourg 1 En comparant les degrés-jours des années précédentes, on constate que la moyenne durant l année de mesure est inférieure à la moyenne des années précédentes, ce qui va à l encontre des performances de l installation (elle devrait fournir moins de chaleur). En revanche, si l on compare avec les degrés-jours de Fribourg, ceux pour Châtel-St-Denis sont en moyenne 16 % plus élevés, ce qui peut justifier une partie de la surproduction de chaleur par rapport au justificatif énergétique, puisque celui-ci a pris en compte la station climatique de Fribourg pour ses calculs. L installation ne produit pas un excès de chaleur, puisque la température des locaux est régulée tout au long de l année à une valeur de 22 C et elle n oscille que très peu autour de cette valeur. Selon COSSECO, cet écart proviendrait également de travaux d isolation du bâtiment mal réalisés. L isolation d une façade a dû être entièrement refaite, selon le directeur des locaux RUIDA. Cette mauvaise isolation peut également être responsable du surplus de production de chaleur pour le chauffage. Concernant l écart de 7% pour l eau chaude sanitaire, il est inférieur à 10% par rapport au justificatif énergétique et considéré comme acceptable. 1 Ces valeurs sont des totaux annuels entre les mois de mars et février, comme pour les valeurs mesurées pendant l année 2012, et proviennent du site internet : [7]. Rapport technique et économique 17

18 4 Bilan économique Le bilan économique permet déterminer le temps nécessaire à l amortissement de la solution SOLARLINE, en la comparant à une installation identique mais sans panneaux solaires PV, ni système de régulation. Ce bilan économique compare également l installation COSSECO avec une installation classique de chauffage à mazout. 4.1 Consommations 2 Le Tableau 5 ci-dessous indique la consommation détaillée (tarif bas, tarif haut, total et coût) pour chaque mois durant une année. Ces valeurs seront utilisées pour le bilan économique. Répartition de la consommation électrique mois tarif bas [kwh] tarif haut [kwh] total [kwh] montant [CHF] Janvier fr février fr mars fr Avril fr Mai fr Juin fr Juillet fr Août fr Septembre fr Octobre fr Novembre fr Décembre fr Total (inclus éclairage locaux communs) fr. 6' Total (uniquement chauffage) fr. 4' Total (uniquement chauffage, avec solaire) fr. 3' Tableau 5 - Répartition de la consommation électrique annuelle Remarque : les totaux ( uniquement chauffage et uniquement chauffage, avec solaire ) ont été déterminés selon la répartition des totaux incluant l'éclairage des locaux communs, et selon le total de l'énergie électrique consommée au réseau (selon le Tableau 1 - Relevé annuel des quantités d'énergie pour l'installation de chauffage). 2 Valeurs fournies par COSSECO Rapport technique et économique 18

19 Répartition de la consommation d énergie du bâtiment Eau chaude sanitaire [kwh] Chaffage [kwh] Refroidissement [kwh] Total [kwh] Tableau 6 - Répartition de la consommation d'énergie du bâtiment Comparaison avec une installation classique (mazout) Cette comparaison permet de déterminer combien d années sont nécessaires pour amortir l installation de chauffage du bâtiment RUIDA (celle réalisée par COSSECO), avec une installation de chauffage équivalente à mazout. Comparaison avec chauffage à mazout Coûts installation COSSECO fr. 77' Coûts installation classique (mazout) fr. 45' Pouvoir calorifique mazout [kwh/kg] 12 Densité mazout [kg/dm3] (10 C) 0.84 Quantité de mazout nécessaire [l] 13' Prix mazout [CHF/100l] fr Coûts électricité fr. 4' Coûts mazout fr. 11' Economie annuelle fr. 7' Amortissement [Années] 4 Remarques : Tableau 7 - Comparaison avec chauffage à mazout classqiue - Les coûts de l installation classique à mazout ont été déterminés à l aide de la tabelle de comparaison du WWF [8]. - Prix du mazout selon OFS, moyenné entre 2009 et 2013 [9]. - Coûts électricité selon Tableau 5. On constate que l amortissement de l installation COSSECO par rapport à une installation classique de chauffage à mazout n est que de 4 ans. Remarque : Aucune annuité n est prise en compte dans ce calcul. 3 Selon Tableau 1 - Relevé annuel des quantités d'énergie pour l'installation de chauffage Rapport technique et économique 19

20 4.3 Comparaison installation classique (PAC) avec SOLARLINE Cette comparaison permet de déterminer combien d années sont nécessaires pour amortir une installation bénéficiant de la technologie SOLARLINE en la comparant avec la même installation, sans cette technologie. Comparaison instal. Classique / SOLARLINE Investissement SOLARLINE (solaire uniquement) [CHF] fr Gain SOLARLINE [kwh] 5632 Prix électricité [CHF/kWh] fr Gain SOLARLINE [CHF] fr Amortissement [Années] 9 Tableau 8 - Comparaison installation classique / SOLARLINE Remarques : - Investissement SOLARLINE selon COSSECO - Gain SOLARLINE selon Tableau 1 - Relevé annuel des quantités d'énergie pour l'installation de chauffage - Prix de l électricité calculé selon les données du Tableau 5 : é é On constate que le temps d amortissement de la technologie SOLARLINE est de 9 années. Ce ROI est approximatif. En effet, aucune annuité n est prise en compte et il manque les gains réalisés par la régulation des composants qui n est pas prise en compte dans ce bilan (seule la quantité d énergie solaire est connue). On peut également noter que pour l installation de chauffage RUIDA, seulement 22% des besoins en électricité sont couverts par le photovoltaïque. Sur les autres installations COSSECO, la part photovoltaïque est d au moins 45%, ce qui réduirait le ROI. Le gain serait doublé, l investissement augmenterait, mais ne serait pas doublé. Rapport technique et économique 20

21 4.4 Synthèse du bilan économique Ce bilan économique a démontré que l installation COSSECO (PAC + photovoltaïque, avec technologie SOLARLINE) est un investissement très rentable par rapport à une installation de chauffage classique à mazout. En effet, en prenant en compte le prix actuel du mazout et de l électricité, l installation COSSECO permet d économiser environ 7300 CHF/an, ce qui induit une durée d amortissement très faible de 4 ans (sans annuités). Concernant la technologie SOLARLINE, qui a été comparée avec la même installation non-équipée de cette technologie, elle permet de réaliser une économie annuelle d environ 990 CHF, ce qui induit une durée d amortissement de 9 ans. Comme précisé dans le chapitre précédent, ce chiffre est approximatif : il ne prend en compte que le gain réalisé par l apport d énergie photovoltaïque (il manque le gain réalisé par la modulation de puissance des composants de l installation car il est difficile à estimer). Rapport technique et économique 21

22 5 Conclusion La technologie COSSECO Solarline est une technologie innovante, basée principalement sur la régulation d un système de chauffage hybride (Pompes à Chaleur + panneaux solaires photovoltaïques) afin de répondre d une manière la plus précise et régulière possible aux besoins thermiques d un bâtiment tout en consommant moins d énergie électrique au réseau. Cette technologie, comparée à une installation classique, permet d augmenter les coefficients de performance aussi bien de la PAC, que de l installation globale. Ces augmentations sont justifiées par le fait de réguler de manière précise les différents éléments de l installation (modulation de puissance de la PAC et des différentes pompes de circulation du système de chauffage), ainsi qu une réduction de l énergie électrique consommée au réseau grâce aux panneaux solaires photovoltaïques. Les valeurs de COP (SPF) obtenues dans ce rapport ont été calculées sur une base de mesures réalisées par l entreprise mandataire, durant une année sur l installation de chauffage du bâtiment RUIDA, et selon les normes en vigueurs. En comparant les besoins énergétiques réels avec ceux déterminés dans le justificatif énergétique, on peut constater un écart important (32%) concernant le chauffage. Cet écart provient d une part, par le fait que le justificatif énergétique du bâtiment a été réalisé avec la station climatique de Fribourg, et non pas celle de Châtel-St-Denis, ce qui a pour effet de réduire les besoins en chaleur pour le chauffage puisque les degrés-jours de Fribourg sont moins importants que ceux de Châtel-St-Denis. Cet écart provient aussi du fait que les travaux d isolation du bâtiment ont été mal réalisés. RUIDA a dû refaire l isolation complète d une façade du bâtiment. D un point de vue économique, la technologie COSSECO permet de réaliser des gains annuels importants par rapport à une installation de chauffage classique à mazout (7300 CHF/an dans le cas de l installation de chauffage du bâtiment RUIDA). La technologie SOLARLINE permet une économie de 22% (soit environ 990 CHF/an), induisant une durée d amortissement relativement importante. Cette durée calculée est approximative, car seul le gain d énergie réalisé par les panneaux PV sont pris en compte dans les calculs. Il manque le gain d énergie (économie) réalisé par la partie régulation, car difficile à estimer et aucune valeur de mesure n a été fournie par COSSECO à ce sujet. A l avenir il serait intéressant de comparer : - PAC + PV sans régulation - PAC + PV avec régulation Rapport technique et économique 22

23 6 Bibliographie et sources [1] [2] Norme SIA 380/1, 2009 [3] Norme EIA SHC, Task 44, 2012 [4] Norme EN14511, 2011 [5] Immeuble Ruida à Châtel-St-Denis, Concept énergétique provisoire, 2010 [6] Justificatif énergétique immeuble RUIDA, Justification globale, Enerconseil SA, M. Jérôme Bourban [7] [8] Tabelle WWF : Vergleich der Jahreskosten von Heizungssystemen (mit Warmwasserversorgung) [9] ment xls Rapport technique et économique 23

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