POMPES À CHALEUR
Install Magazine 977 – mai 2021

Concepts pour une rénovation éco-énergétique

Résultats du projet Heat4Cool

Afin de réussir la transition énergétique, il convient de réduire drastiquement les émissions du bâti existant. Ceci est toutefois plus rapidement dit que fait : de nombreux bâtiments sont en effet peu efficaces sur le plan énergétique, et le taux de rénovation s’élève à peine à environ 1%. Le besoin urgent de concepts adaptés pour une rénovation efficace se fait donc ressentir. Dans le projet Heat4Cool –dans le cadre du programme européen Horizon 2020-, on a étudié des concepts techniques et des instruments de type software pour rendre le bâti existant plus carboneutre. Lancé en 2016, ce projet s’est terminé en avril 2021.

Développer des concepts et des softwares

Le programme s’est déroulé sur une période de 54 mois (en ce compris une prolongation en raison de la crise du coronavirus) et comptait 13 partenaires issus de 10 pays. La coordination a été gérée par la Politecnico di Milano (université technique de Milan). On a dénombré 4 projets pilote : en Espagne, en Pologne, en Bulgarie et en Hongrie. On a ensuite développé un software, plus précisément un outil de conception et un système de commande.

La mission consista à développer des concepts de chauffage et de refroidissement qui permettraient de réaliser de 20 à 30% d’économies d’énergie, avec un retour sur investissement inférieur à 10 ans. Les concepts devaient par ailleurs s’adapter aisément dans les bâtiments existants, avec la possibilité d’être appliqués à grande échelle.

Trois concepts thermodynamiques ont été développés :

Utilisation de capteurs solaires pour alimenter une PAC thermique à adsorption (Valence en Espagne) ;
Combinaison de panneaux photovoltaïques avec PAC et MCP (matériau à changement de phase) pour le stockage d’énergie (Chorzów en Pologne et Sofia en Bulgarie) ;
Une PAC avec des eaux usées comme source de chaleur (Budapest en Hongrie).

En termes de softwares, on a développé un programme de conception dont le but était de calculer l’impact des différents concepts sur base de paramètres d’installation et de bâtiment. Le défi consista ici à aboutir à un système capable de fournir des résultats utiles dans un délai imparti. L’exploitation fut gérée par le package SCI-BEMS (Self Correcting Intelligent Building Energy Management). Comme son nom l’indique, il s’agit d’un package autonome qui commande tous les composants, en visant un confort maximal sur base d’une analyse du comportement de l’utilisateur.

Refroidir avec le soleil, Valence

Ce projet pilote concerne un immeuble à appartements (4 étages avec à chaque fois 3 appartements) dans la vieille ville de Valence. L’installation existante comprenait une chaudière gaz et 3 PAC air-eau réversibles de 15 kW chacune, reliées à un ballon tampon d’eau chaude et à un autre ballon d’eau froide. Des ventilo-convecteurs dans les appartements étaient alimentés à partir de ces ballons tampon. Lors de la rénovation, la chaudière au gaz a été désinstallée et on a placé des capteurs solaires. L’installation existante avec des PAC fut assistée en mode froid par une PAC à adsorption de Fahrenheit, avec comme source de chaleur un ballon tampon alimenté par des panneaux solaires thermiques. La PAC à adsorption utilise de l’eau comme réfrigérant à l’aide de zéolithe et d’un revêtement en gel de silice. Tout a été géré efficacement par la régulation SCI-BEMS. Sur base du fonctionnement des ventilo-convecteurs et de la situation dans les appartements, l’algorithme évalue le confort et adapte la température de consigne des ventilo-convecteurs le cas échéant.

MCP comme stockage de chaleur à Chrozów et Sofia

On a rénové un immeuble à appartements à Chrozów, dans le sud de la Pologne. Construit en 1902, cet immeuble comprenait 12 appartements et trois magasins. Les installations existantes différaient de logement en logement : il s’agissait aussi bien de chaudières mixtes au gaz et de chaudières murales au gaz pour le chauffage, complétée par des chauffe-eau instantanés pour l’ECS, que de poêles électriques associé à des chauffe-eau instantanés ou encore de chauffe-eau électriques pour l’ECS et de poêles à charbon. Lors de la rénovation, on a placé une PAC air-eau de 30 kW ainsi que 43 panneaux photovoltaïques. L’installation de PAC est reliée à un circuit primaire, à partir duquel chaque logement est raccordé à un échangeur de chaleur. Il y a donc une séparation hydraulique totale entre le circuit primaire et le circuit secondaire dans les appartements. La PAC délivre une température de départ de 55 à 60°C. Le cas échéant, les chaudières murales au gaz ont été conservées dans les appartement, afin de servir dans ce cas de chauffage d’appoint. Pour la production d’ECS, la chaleur est fournie par des batteries thermiques à MCP (matériau à changement de phase) de Sunamp. Ce sont des unités modulaires qui sont capables, dans le même temps, de stocker et de fournir de la chaleur. Elles ont une capacité de stockage de 96 kWh, et peuvent réchauffer l’eau jusqu’à 41°C. Elles sont alimentées par la PAC, qui utilise au maximum le courant solaire. La commande est à nouveau assurée par le système SCI-BEMS.

Le projet de Sofia, en Bulgarie, est semblable, sauf qu’il s’agit d’un immeuble à appartements plus petit, avec seulement six appartements datant de 1974. Ici aussi, chaque appartement possède une chaudière murale au gaz qui est assistée par un circuit primaire qui est lui-même alimenté par une PAC à batteries MCP pour le stockage, le tout étant raccordé à une installation PV.

L’objectif de base de deux projets est de réduire au maximum la consommation d’énergie, avec un minimum de travaux d’adaptations dans les appartements. Ce qui explique que les installations individuelles avec les chaudières murales au gaz aient été conservées. Le stockage thermique en MCP accroît la consommation propre des panneaux photovoltaïques, avec l’avantage que les batteries MCP occupent peu de place. Ce qui est un critère important en rénovation.

De la chaleur issue des eaux usées

Le projet à Budapest est d’un autre ordre. Il concerne un petit réseau de chaleur qui dessert trois grands bâtiments (au total 12.500 m²) et alimente une PAC eau-eau, avec des eaux usées comme source de chaleur. Les bâtiments sont très différents les uns des autres : il y a deux anciens bâtiments administratifs et un centre commercial avec une salle de conférence, un théâtre et des bureaux datant de 2018. L’installation de PAC affiche une puissance de 1,7 MW et est raccordée à un échangeur de chaleur dans l’égout avec un débit source de 3.500 m³ par jour, ce qui correspond à 10.000 équivalents-habitants. Le grand défi consista à concilier les besoins divers des bâtiments. Les bâtiments administratifs ont en effet des heures d’ouvertures différentes de celles du centre commercial, et ils sont équipés d’anciennes installations d’émission avec radiateurs. C’est pourquoi on a utilisé deux pompes à chaleur : une pour le centre commercial, et une autre pour les bâtiments administratifs.

Le projet Heat4Cool proposait plusieurs innovations : un nouveau type d’échangeur de chaleur entre les eaux usées et le circuit source des PAC avec un rendement plus élevé, un nouveau filtre pour les eaux usées avec un système de rinçage intégré. On a ici évité l’accumulation de boues, ce qui s’est traduit par un nombre plus réduit de pannes. On a enfin installé un système de monitoring pour surveiller le bon fonctionnement.

Des pompes à chaleur pour la rénovation

De ces concepts, il ressort que les PAC peuvent tout à fait jouer un rôle dans la réduction des émissions des bâtiments existants, même lorsque le système d’émission originel est conservé. Un dimensionnement correct et une commande optimale –surtout dans le cas de systèmes hybrides- représentent des conditions préalables absolues. Des solutions de programmation spécifiques peuvent ici apporter une solution.

Par Alex Baumans

Graphiques: Heat4Cool