POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 947 – février 2018

Technique d’installation éco-énergétique en rénovation

Un projet berlinois atteint de hauts rendements grâce à un concept intelligent et à l’optimalisation

Le problème est connu : la rénovation d’anciens immeubles à appartements offre un énorme potentiel d’économie d’énergie. Mais cela est toutefois plus rapidement dit que fait. Il n’est souvent pas possible de réaliser des interventions profondes au niveau de l’enveloppe du bâtiment. Le budget joue par ailleurs un rôle, surtout lorsqu’il s’agit de logements sociaux. Une technique d’installation intelligente constitue dès lors une solution, comme l’a démontré le projet de la société de logements sociaux Märkische Scholle à Berlin. Le bureau d’ingénieurs eZeit a développé un concept qui permet de réaliser de considérables économies d’énergie, sans devoir faire d’investissements lourds sur l’enveloppe du bâtiment. Ce projet a été plusieurs fois récompensé, comme récemment à Bruxelles avec le trophée Heat Pump City of the Year, dans la catégorie rénovation.

Le concept technique

Le projet de Märkische Scholle comprend 841 logements datant des années 1930 à 1960, dans la banlieue Lichterfelde Süd de Berlin. Pour quelques bâtiments, il n’était pas réaliste de se lancer dans une rénovation; ils furent démolis et remplacés par des habitations modernes sans entrave. L’investissement s’éleva à environ 70 millions d’euros. La société de logements sociaux Märkische Scholle possédait déjà l’expérience des énergies renouvelables, et notamment de l’énergie solaire thermique. L’efficacité énergétique et l’écologie furent placés tout en haut de la liste des priorités. Le bureau d’ingénieurs berlinois eZeit a alors conçu un concept énergétique adapté. Nous revenons plus en détail sur la première phase, qui concerne quatre bâtiments.

Un renforcement de l’isolation des façades des bâtiments datant des années 1930 constitua une première étape. L’axe prioritaire du projet fut l’approvisionnement en énergie. Celui-ci est basé sur des panneaux solaires, des pompes à chaleur et de la récupération de chaleur issue de l’air évacué (plus précisément tout ce qui, dans le bâtiment, était disponible en chaleur en provenance de la salle de bains, des appareils, des occupants, de l’éclairage et du rayonnement solaire passif). Les ingénieurs d’eZeit ont développé ce qu’ils ont appelé un e-Tank : un réservoir de stockage de chaleur dans le sol qui sert de source géothermique pour la PAC. Il y a en outre un Manager Énergétique Dynamique (MED) qui commande les flux énergétiques.

Lorsqu’il y a une suroffre d’énergie, elle est automatiquement stockée dans l’e-Tank, et ensuite réutilisée en cas de demande de chaleur dans les habitations. Dans le cas des quatre premiers immeubles avec 86 appartements, les besoins en énergie primaire ont été réduits en conséquence de 169 kWh/m² par an à 29 kwH/m² par an (méthode de calcul de EnEv). L’apport de l’installation PV n’a pas encore été pris en compte.

Sur les toitures orientées sud des blocs d’habitation, on a non seulement placé des capteurs solaires de 40 ou 50m², mais aussi des panneaux PV. Les bâtiments 1 et 4 sont équipés à chaque fois de 198 m² de panneaux, ce qui représente environ 29.400 kWh d’électricité par an. Cela correspond à une économie de plus de 200 tonnes de CO₂ pour les quatre bâtiments réunis.

Plus de rendement grâce au eTank

Le e-Tank fonctionne sur base de la technique ooPS (stockage de chaleur oscillant ouvert). La production variable d’énergie renouvelable est stockée dans le sol, mais peut-être à chaque instant utilisée par une PAC afin d’alimenter le système de chauffage. La surface de capteurs solaires doit dans ce cas ne pas être supérieure à celle d’une installation conventionnelle d’appoint en chauffage. Comme on l’a dit, pour les quatre premiers bâtiments, il s’agit de capteurs de 40 ou 50 m². Cela correspond environ à 2,2 m² par unité de logement.

Par bâtiment, l’eTank comprend environ 400 m³ de volume dans le sol. La capacité n’est toutefois pas limitée par le volume, comme dans les systèmes de stockage calorifique usuels. Le réservoir est, dans sa partie inférieure, en contact avec le sol ; et il n’est isolé que sur les côtés et dans la partie supérieure afin d’empêcher les déperditions thermiques. Lorsque l’eTank atteint une certaine température, le sol sera aussi chauffé sous le volume de stockage proprement dit. La capacité de stockage totale comprend donc également le sol situé juste en-dessous, et varie entre 750 et 1.250 m³. Lorsque la température diminue dans le réservoir, de la chaleur est extraite du sol. Là, la température varie durant l’année : entre 1 et 5°C au cours des journées les plus froides, et jusqu’ à 23°C lors des journées les plus chaudes. Si le système est correctement dimensionné, des températures plus élevées ne sont pas nécessaires.

La température du sol sous le réservoir va de 5 à 12°C, et assure un niveau de température stable. Une sécurité empêche que la température ne descende sous les 1°C. Le système ouvert fait en sorte que le réservoir ne puisse pas surchauffer ni se refroidir totalement. Parallèlement à l’eTank, on trouve aussi un ballon tampon à réaction rapide qui sert à la production d’ECS.

Annuellement, les logements peuvent bénéficier d’un rendement thermo-solaire d’environ 80%, soit 700 kWh/m². Ce rendement élevé s’explique parce que de l’énergie solaire est aussi extraite en cas de lumière diffuse (en cas de pluie ou de nuages). Du fait que de la chaleur est toujours évacuée, les capteurs solaires ne peuvent pas surchauffer, ce qui se révèle favorable pour la durée de vie des panneaux. Grâce au rendement élevé, les panneaux solaires sont rentabilisés après quelques années déjà.

Les PAC contribuent également au rendement de l’installation. Les PAC atteignent habituellement un rendement annuel compris entre 3 et 4. A long terme, le rendement peut toutefois diminuer lorsque, durant la saison de chauffe, trop de chaleur est extraite du sol, et que la température après l’été ne grimpe plus jusqu’à son niveau d’origine. On peut toutefois compenser cela en apportant de la chaleur solaire supplémentaire dans le sol, ce qui contribue à augmenter le rendement annuel jusqu’à 4 ou 5. En stockant l’excédent de production de chaleur dans le sol, il est exclu que le rendement ne diminue à terme. En combinaison avec un tel système, la PAC peut atteindre un rendement annuel compris entre 6 et 8.

Commande automatique à l’aide du Manager Énergétique Dynamique (MED)

Le MED est un système breveté des ingénieurs d’eZeit qui permet de réguler les flux d’énergie. Le système gère l’alimentation et l’extraction de chaleur dans le sol, en fonction de la production d’énergie renouvelable., des profils d’utilisation, des conditions météo, des cycles diurnes et nocturnes… il s’agit d’un système de conduites hydrauliques préinstallé avec une régulation et un tampon (par ex. des boilers à stratification) sur lequel diverses sources de chaleur peuvent être raccordées. Le MED est un système modulaire, d’installation aisée.

Le MED fait concorder l’alimentation de chaleur à la consommation, tout en donnant la priorité à l’air évacué et à l’énergie solaire comme source de chaleur. À cette fin, de nombreux points de mesure permettent de faire converger les flux de chaleur en temps réel. Les différents composants, comme l’installation solaire thermique, sont alors directement géré par le MED. Toutes les données mesurées sont par ailleurs collectées et transférées vers une station d’analyse. D’éventuels problèmes peuvent ainsi être reconnus, et dans beaucoup de cas, il est possible d’intervenir avant qu’une panne ne survienne. L’entretien d’une installation si complexe s’en trouve ainsi facilité.

La production d’ECS s’effectue de manière décentralisée à l’aide de stations satellites. Cela contribue dans une certaine mesure au rendement de la pompe à chaleur. Grâce au système de gestion à distance, on peut intervenir directement dans le système et optimaliser le fonctionnement en fonction du profil d’utilisation.

Cette rénovation démontre qu’il n’y a pas vraiment de problème énergétique, mais plutôt un problème de stockage. Le concept à Lichterfelde Süd démontre qu’on peut produire localement de l’énergie renouvelable. Plus encore, on peut satisfaire à des exigences de confort avec un degré d’isolation clairement inférieur aux prescriptions légales. Cela se traduit aussi directement par une économie de l’énergie grise qui est nécessaire pour la production du matériau d’isolation.

Coûts de l’énergie et de l’installation

Les premiers 100 logements furent mis en service dans le courant de 2014 ; nous disposons à leur sujet de données issues des différentes phases suivantes. Dans ces résultats, on constate que pour tous les bâtiments rénovés, la consommation d’énergie primaire a diminué de plus de 80%. Optimalisation et monitoring sont ici les mots-clés. Depuis 2015, toutes les données énergétiques des habitations rénovées ont été enregistrées et analysées. Sur base de ces dernières, les processus ont été optimalisés et on a pu avoir une meilleure idée du potentiel réel d’économie. Les données mesurées ont alors été comparées avec les valeurs calculées lors de la conception, de façon à pouvoir mieux évaluer l’effet des mesures suivantes. En même temps, on a cherché à réduire les coûts d’investissement sans toucher aux objectifs climatiques.

Briser des mythes

Par ce biais, on a aussi pu relativiser un certain nombre de préjugés concernant les mesures éco-énergétiques, parmi lesquels :

L’économie d’énergie théorique n’est jamais atteinte.

Les pertes de transmission de l’enveloppe du bâtiment doivent être réduites largement sous le niveau des prescriptions légales.

L’énergie verte ne peut pas être produite à un coût socialement acceptable.

Ces mythes comportent toutefois une part de réalité. Les résultats pratiques des rénovations ou des nouvelles constructions sont parfois très décevants en raison d’un manque de monitoring et d’optimalisation de la technique d’installation.

Monitoring et optimalisation

Sans vouloir relativiser le scandale du diesel dans le secteur automobile, on doit constater qu’il y existe encore un grand fossé entre la théorie et la pratique dans la technique de bâtiment. D’une enquête à Kiel en 2010, il est par ex. ressorti que la consommation réelle pour le chauffage après rénovation, était en moyenne supérieure de 40% à celle qui avait été calculée. Dans les appartements, le taux d’occupation peut à peine expliquer 10 à 15% de l’écart enregistré. Le reste est dû à un manque d’optimalisation. On a ainsi estimé par facilité que le concept avait été correctement réalisé.

L’optimalisation se produit en effet rarement. Nous concevons un bâtiment, calculons des tas de ponts thermiques et de composants d’installation, construisons un système complexe, et à la réception, nous appuyons sur le bouton de démarrage, et nous nous attendons à ce que tout fonctionne sans problème. Si nous observons des chaudières à condensation, nous constatons que beaucoup de chaudières ne condensent pas. Mais même si c’est le cas, le rendement annuel reste alors également largement sous le maximum atteignable. Des améliorations de 30 à 40% sont envisageables, ce qui aurait un effet considérable sur les émissions de CO₂.

Dans le projet de Märckische Scholle, douze logements ont été suivis dans le détail et adaptées là où c’était nécessaire. Dans la première année de fonctionnement, déjà, les valeurs calculées ont ainsi été atteintes, ce qui confirmait l’utilité économique des interventions. Certains défauts n’auraient jamais pu être découverts sans monitoring. Les PAC affichaient ainsi un comportement tout ou rien, ce qui induisait une consommation de courant plus élevée. En adaptant les temps de commutation, on a réussi à diminuer la consommation de 40%. Le rendement annuel actuel mesuré se situe à 6,1, alors qu’une installation moyenne selon les chiffres du Fraunhofer Institut varie autour de 4,0. Un autre effet du monitoring fut l’accroissement du rendement des capteurs solaires. Grâce à une commande intelligente, 30% de chaleur solaire supplémentaire a pu être stockée et utilisée. Par m² de surface de capteur, on a abouti à un rendement utile de 718 kWh. Grâce à une attention constante et à des adaptations, le projet a affiché en 2016 des performances de 8% supérieures aux valeurs calculées, malgré un hiver froid.

Apprendre des expériences menées

Dans la troisième phase de construction en 2016, on a pour la première fois fusionné l’installation de chauffage des deux bâtiments. Le système atteint dès lors le rendement d’un petit réseau de chaleur, alors que l’investissement fut d’environ 100.000 euros inférieur aux rénovations comparables dans la première phase. Dans le courant de 2017, cette approche modulaire fut étendue à environ 200 logements dans cinq bâtiments. On a ainsi épargné, uniquement sur la technique d’installation, un million d’euros par rapport aux phases précédentes. Selon les estimations, on devrait atteindre une baisse de consommation d’énergie primaire de 70%.

L’utilité réduite de l’isolation

La logique veut qu’une isolation épaisse permette d’économiser de l’énergie thermique. Cela entraîne toutefois une économie des émissions de CO₂ uniquement si le bâtiment est chauffé à l’aide d’énergies fossiles. Plus on fait appel à des énergies renouvelables, plus l’effet de réduction des émissions de CO₂ diminue. Au contraire : le CO₂ qu’on libère lors de la production du matériau d’isolation commence alors à peser plus lourd dans la balance. La question n’est pas de savoir si l’isolation est censée, cela va de soi ; la question est plus de savoir à partir de quelle épaisseur d’isolant, les centimètres supplémentaires contribueront encore à la baisse des émissions de CO₂.

Dans le projet de Mârkische Scholle, la consommation d’énergie était déjà inférieure de 50% aux objectifs allemands de consommation d’énergie primaire pour 2050, avec un niveau d’isolation de l’enveloppe du bâtiment correspondant aux exigences de 2009. Avec cette approche, on peut clairement recourir en construction neuve à des épaisseurs de paroi plus faibles, ce qui permet de gagner de l’espace habitable précieux. À partir d’un certain point, de l’isolation supplémentaire ne permettra plus de réduire les émissions de CO₂ ; cela conduira au contraire à des frais de construction plus élevés.

Chauffer de manière durable et économique

Contrairement au combustible fossile, qui doit être acheté et acheminé, l’énergie renouvelable est disponible gratuitement dans la chaleur extraite de l’air évacué, du soleil ou du sol. L’utilisation de celle-ci n’a pas d’effet sur l’environnement, et ne présente pas de coûts cachés pour le contribuable. L’énergie renouvelable sera toutefois utilisée au mieux en recourant à des PAC électriques.

Dans le projet de Mârkische Scholle, on a atteint un rendement annuel du système de plus de 6 : 1 kWh d’énergie électrique a donc fourni plus de 6 kWh d’énergie thermique. Pour un prix du courant de 25 cents par kWh, on arrive dès lors à environ 4 cents par kWh. Ceci est particulièrement intéressant pour le locataire. On arrive de cette manière à un système transparent et avantageux de calcul des coûts de chauffage, dont le locataire peut retirer un bénéfice.

Ce projet démontre que la rénovation éco-énergétique d’anciens appartements n’est pas une mission impossible. On peut se passer de changements majeurs à l’enveloppe du bâtiment, à condition d’accorder une attention suffisante au suivi et à l’optimalisation.

Nos remerciements à Taco Holthuizen (eZeit Ingenieure)

Par Alex Baumans

www.ezeit-ingenieure.eu