Formation Bâtiment Durable : ENERGIE Bruxelles Environnement Fabrice DERNY La géothermie MATRIciel SA
Objectif(s) de la présentation Cerner les objectifs et les domaines d application de la géothermie Aperçus techniques Comment mener un projet? Impact énergétique comparé à une installation traditionnelle. 2
Plan de l exposé Pourquoi la géothermie? Equilibre de la température du sol Comment ça marche? Types d unités terminales Etude de cas 3
Pourquoi la géothermie dans un bâtiment basse énergie? Ou même un bâtiment ZEB (Zero Energy Building) Plus on isole un bâtiment plus sa demande de refroidissement augmente : quand Text < Tint 4
Pourquoi la géothermie dans un bâtiment basse énergie? Objectif : satisfaire le besoin de refroidissement par une source d énergie renouvelable. Solution 1 : l air extérieur via ventilation naturelle intensive quand Text < Tint (en mi-saison ou durant les nuits d été). Contraintes : Besoin d inertie thermique : absence de faux plafond et/ou de faux plancher Nécessité d ouverture du bâtiment en façade, en toiture : implication esthétique, contraintes de l environnement (intrusion, bruit, pollution, ) Puissance de refroidissement non maitrisée : température intérieure fluctuante Collaboration des occupants : gestion de certaines ouvertures. Solution 2 : le sol 5
Pourquoi la géothermie dans un bâtiment basse énergie? Solution 2 : le sol 6
Equilibre de la température du sol Puiser du froid dans le sol augmente sa température Evolution de la température du sol sur 20 ans 16 C T moyenne mensuelle 15 C 14 C 13 C 12 C 11 C 10 C Nécessité de «recharger» le sol en froid chaque année : chauffer l hiver avec une pompe à chaleur sol/eau 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240 7
Equilibre de la température du sol = notion de «STOCKAGE GEOTHERMIQUE» : La géothermie se justifie et fonctionne au mieux si elle permet de couvrir un besoin de chauffage en hiver et un besoin de refroidissement en été, équilibrés l un par rapport à l autre. Dans ce cas, on peut considérer que l on stocke la chaleur de l été dans le sol pour l utiliser en hiver. 8
Comment ça marche? Echangeur géothermique : Forages verticaux (diam 150 mm) Profondeur de 50 à 400 m (souvent 100.. 150 m) avec sondes en double U (polyéthylène DN 32) remplis d un coulis ciment/bentonite 9
Source: REHAU 10
Comment ça marche? Echangeur géothermique : Pieux géothermiques : tubes échangeurs intégrées aux pieux de stabilité du bâtiment 11
Crèche de l ile aux oiseaux de Mons 12
Comment ça marche? PAC sol/eau non réversible : 1/3 de la puissance totale de chauffage couvre 70% des besoins COP 4,5.. 5,5 Unités terminales à basse température (régime 40/30) Geocooling direct : COP equiv =.. 12.. Unités terminales à haute température (régime 17/20) Chaudière d appoint pour 30% des besoins groupe de froid d appoint pour 30% des besoins 13
Comment ça marche? PAC sol/eau : 1/3 de la puissance totale de chauffage couvre 70% des besoins COP 4,5.. 5,5 Recharge du sol par PAC sol/eau réversible COP 4,5.. 5,5 14
Types d unité terminale? Unités terminales de refroidissement à haute température : Plafonds refroidissants ou ilots rayonnants avantages : peu d inertie thermique et donc rendement de régulation élevé, contrôle facile de la température ambiante, réversible chaud/froid inconvénients : puissance plus limitée (plafonds) Dalles actives avantages : stockage de nuit et donc limitation de la puissance à installer inconvénients : inertie thermique importante et donc contrôle difficile de la température et rendement de régulation dégradé. Peu de flexibilité spatiale et difficulté d utilisation en chauffage (nécessité d un second système). Absence de faux-plafond (gestion des techniques et de l acoustique) Convecteurs surdimensionné en chauffage 15
Etude du projet Définir les besoins par simulations dynamiques. Evaluer différentes variante de manière à trouver le bon équilibre entre le besoin de chaud et de refroidissement du bâtiment (niveau d isolation, type de vitrage, protections solaires, ). kw Demande froid puissance chaud/froid 4000,0 Demande chaud 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 1 721 1441 2161 2881 3601 4321 5041 5761 6481 7201 7921 8641 Connaître la nature du sol par étude géologique et test de réponse thermique. Objectif : connaître la conductibilité et la capacité thermique du sol, la résistance thermique des sondes. Dimensionner le champ de sondes, simuler le comportement du sol compte tenu du besoin du bâtiment (heure par heure) et des caractéristiques thermiques des sondes prévues : optimaliser le COP de la PAC en s assurant de l équilibre à long terme de la température du sol.
Source : REHAU
Bilan thermique du système moyenne sur 20 ans kwh/an Chauffage auxiliaire Total demande Electricité (PAC) 254 700 chauffage 70 500 Pompe à chaleur Chauffage PAC 600 000 (PAC) 345 400 COP 4.9 Fraction chauffage 58% 273 600 Sondes géothermiques 286 600 Refroidissement Refroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande 1 200 14 600 refroidissement Refroidissement direct Refroid. sondes 302 400 286 600 287 800 Machine frigorifique Fraction refroidiss. 95% Machine frigorifique 0 Electricité (machine frigorifique) EffCoolM 0.0 0 15 C Evolution de la température du sol sur 20 ans T moyenne mensuelle Chauffage Puissance d'extraction maximum par mètre de sonde 30 W/m Energie annuelle extraite par mètre de sonde 15 kwh/m/a Refroidissement Puissance d'injection maximum par mètre de sonde 34 W/m Energie annuelle injectée par mètre de sonde 16 kwh/m/a Bilan terrain Ratio energie injectée sur énergie extraite 105% 14 C 13 C 12 C 11 C 10 C 9 C 8 C 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240
En conclusion : exemple de bilan énergétique 220% 200% 180% 160% 140% 120% Consommation en énergie primaire globale 1-Chaudière gaz + groupe de froid 3-Geothermie avec PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint 100% 80% 60% 40% Cas impossible pour la géothermie : déséquilibre trop grand entre besoins de chaud et de froid 20% 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
En conclusion : exemple de bilan énergétique 280% 260% 240% 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Emission de CO2 globale 1-Chaudière gaz + groupe de froid 3-Geothermie avec PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
En conclusion : exemple de bilan énergétique 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Facture énergétique 1-Chaudière gaz + groupe de froid 3-Geothermie avec PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
Outils, sites internet, etc intéressants : Site de Bruxelles Environnement : http://www.bruxellesenvironnement.be/templates/professio nnels/informer.aspx?id=32607 SIA 0190 - Utilisation de la chaleur du sol par des ouvrages de fondation et de soutènement en béton Publications de Dr D. Pahud, Scuola universitaria professionnale della Suizzera italiana (SUPSI), Lugano Références Guide Pratique pour la construction durable et autres sources : - 23
Ce qu il faut retenir de l exposé La géothermie se justifie dans un bâtiment nécessitant des productions de chaud et de froid (équilibrées). La géothermie est une des techniques de refroidissement naturel d un bâtiment. La conception demande une étude précise et dynamique des besoins du bâtiment et du sol La géothermie permet d importantes économies d émission par rapport aux installations traditionnelles 24
Contact Fabrice DERNY MATRIciel gestionnaire de projet Place de l Université, 25 1348 Louvain-la-Neuve : 010/24.15.70 E-mail : derny@matriciel.be 25