POMPES À CHALEUR
Install Magazine 943 – septembre 2017

PAC avec activation du noyau de béton et stockage d’énergie pour une maison de repos

Une installation Weishaupt pour le H-Hartinstituut à Heverlee

Le H-Hartinstituut à Heverlee, près de Louvain, comprend non seulement un imposant complexe scolaire, mais aussi une toute nouvelle maison de repos avec des résidences-services. Pour le confort thermique éco-énergétique, on a opté pour des pompes à chaleur et du stockage géothermique. Pour le système d’émission, on a choisi l’activation du noyau de béton, complété par des radiateurs. Les PAC ont été fournies par Weishaupt, alors que la société Geuvers s’est chargée de l’installation.

Activation du noyau de béton et stockage géothermique pour des maisons de repos

La nouvelle maison de repos remplace l’ancienne et comprend 96 chambres et 27 résidences-services. Dans la mesure où une partie du bâtiment existant devait d’abord être détruit, les travaux ont été exécutés en plusieurs phases. Une partie du centre de soins et de repos est déjà en service, mais avec une installation de chauffage provisoire. Le concept d’installation a été réalisé par le bureau d’études Boydens.

D’un point de vue énergétique, l’activation du noyau de béton s’intègre parfaitement bien dans le cadre d’un système réversible. Elle convient en effet très bien au refroidissement passif, ce qui présente deux avantages : le bâtiment reçoit du confort estival avec un minimum de consommation d’énergie, et la source de chaleur est régénérée en été, ce qui a un effet favorable sur le rendement annuel. Par conséquent, cette combinaison est surtout appliquée dans les bureaux : les demandes en froid et en chaleur y sont en effet environ équivalentes, ce qui permet de simplifier la conception.

Mais dans une maison de repos, la situation est tout autre : les besoins en froid sont moindres que dans les bureaux ; toutefois, l’importance de préserver des températures intérieures assez basses est primordiale. S’il commence à faire trop chaud, par exemple en raison d’une vague de chaleur, cela peut mettre la vie des occupants en danger. C’est pourquoi les maisons de repos doivent s’assurer que les températures intérieures ne grimpent pas trop. L’activation du noyau de béton constitue alors un moyen pratique pour maintenir la température globale du bâtiment dans certaines limites, sans devoir faire appel à du refroidissement actif.

Cette solution possède aussi des avantages au niveau architectural. Bien que des pare-soleil restent nécessaires, on peut toutefois laisser rentrer plus de lumière solaire dans les espaces de vie. Les occupants peuvent dès lors continuer à profiter du paysage et de la lumière naturelle -deux facteurs importants dans la qualité de vie- sans risque de surchauffe.

Combinaison avec des radiateurs

Pour le chauffage, la maison de repos a fait appel à un double système d’émission : un à basse température via l’activation du noyau de béton, et un autre à haute température avec des radiateurs. L’activation du noyau de béton couvre les pics de consommation, tandis que les radiateurs servent d’appoint. Les désavantages classiques de l’activation du noyau de béton, comme l’inertie et la faible capacité de réglage, deviennent des atouts dans le contexte d’une maison de repos. Celle-ci doit en effet être quasiment maintenue à température en permanence. L’abaissement nocturne n’a ici que peu de sens.

La combinaison avec des radiateurs s’explique par diverses raisons. Un premier avantage tient dans le fait qu’ils offrent plus de possibilités de réglage. L’activation du noyau de béton est très efficace pour maintenir tout le bâtiment à une température stable. Les besoins thermiques concrets diffèrent toutefois d’une chambre à l’autre, en fonction des gains thermiques internes et externes, de la sensibilité des utilisateurs, etc. Avec l’aide du radiateur, l’occupant peut compenser efficacement un éventuel manque de confort local. Cela accroît aussi l’emprise de l’utilisateur sur son propre climat intérieur, ce qui est tout aussi important pour la qualité de vie.

Un deuxième aspect est le chauffage dans l’entre-saison, lorsque par exemple on a uniquement besoin de chauffage en matinée pour une courte période. Les radiateurs peuvent parfaitement répondre à ce genre de situation. Il y a par ailleurs une zone morte lors du passage de l’activation du noyau de béton du mode chauffage au mode froid. Au cours de cette période, les radiateurs peuvent couvrir d’éventuels besoins thermiques courts et temporaires.

Les radiateurs peuvent enfin prendre le relais dans les périodes les plus froides. Pour d’évidentes raisons de sécurité, la maison de repos est aussi équipée de chaudières d’appoint. Ces dernières peuvent fournir de la puissance supplémentaire via les radiateurs. Grâce à cela, il est possible de sous-dimensionner à la fois l’installation basse température de la PAC, l’activation du noyau de béton et le champ de forage. Cela se traduit aussi bien par un investissement plus faible que par un rendement annuel accru. La régulation se révèle cruciale pour le bon fonctionnement de l’ensemble : celle-ci doit en effet faire en sorte que le système à basse température tourne le plus d’heures possible. Le gestionnaire doit également résister à la tentation d’enclencher les chaudières en cas d’éventuel déficit de confort. Avec de trop hautes températures de fonctionnement, on tombe dans un fonctionnement de chaudière classique, et les énergies renouvelables sont alors sous-utilisées. Il est aussi important que le concept de fonctionnement soit bien communiqué à l’utilisateur, avant même l’exécution. Dans ce cas, le maître de l’ouvrage était convaincu de la nécessité d’avoir un bâtiment aussi éco-énergétique que possible. Le nouveau bâtiment est ainsi équipé de panneaux photovoltaïques qui alimentent l’installation de PAC. Le but était d’être le plus autonome en énergie possible.

Systèmes à basses et hautes températures

La chaufferie est répartie en un circuit à basse température et un autre à haute température. Le système à haute température comprend ici les radiateurs et la production d’ECS, alors que le système à basse température alimente l’activation de noyau de béton. Les deux circuits sont desservis par une installation de PAC distincte. Le circuit à basse température est desservi par deux PAC Weishaupt WWP S90 ID de 90 kW chacune. Le circuit à haute température est relié à une PAC Weishaupt WWP S50 ID de 18 kW. En cas de pic de demande, ce circuit peut être assisté par des chaudières d’appoint. Il s’agit également de chaudières murales gaz à condensation Weishaupt à haut rendement. Le circuit à haute température sert aussi de chauffage d’appoint pour la production d’ECS. La charge de base est couverte par deux chauffe-eau solaires de 2.500 l chacun. Les PAC sont raccordées au circuit hydraulique via un ballon tampon, afin d’empêcher que les compresseurs ne fonctionnent en mode start-stop. Tant les circulateurs primaires que secondaires sont à régime variable, afin d’atteindre le rendement le plus élevé possible. Toutes les PAC WWP S90 ID sont équipées de deux compresseurs, pour un fonctionnement optimal à charge partielle. Le système de gestion de bâtiment assure une commande optimale des compresseurs.

La dénomination ‘haute’ température est toutefois relative. Dans la pratique, les radiateurs n’ont pas besoin de températures trop élevées. Le bâtiment est en effet bien isolé et la méthode de calcul standard contient suffisamment de réserve pour que le régime nominal de 45/35° ne soit nécessaire que durant les journées les plus froides. L’hiver passé, on est par exemple la plupart du temps arrivé à une température de départ de 32°C. Le dimensionnement des radiateurs pour un tel système est un point délicat. Il n’existe cependant pas de méthode de calcul standard en la matière.

Le plus simple consiste encore à dimensionner les radiateurs à 100% de la puissance, mais cela peut conduire dans la pratique au fait que le circuit de radiateur prenne le dessus sur l’activation du noyau de béton. On se retrouve alors dans le cas d’un chauffage classique avec radiateurs, avec toutes les conséquences négatives que cela implique pour le rendement. Le radiateur devra donc de préférence ne pas être trop grand. On se base en général, comme règle empirique, sur 30% de la puissance. Il est toutefois plus indiqué d’optimaliser le dimensionnement sur base d’une simulation dynamique du bâtiment. Cette méthode est encore trop peu utilisée en Belgique, et elle se traduit par un surcoût dans la phase de conception. L’investissement dans un travail d’étude préalable est néanmoins rentabilisé ultérieurement lors de l’exécution et de l’utilisation.

Une installation avec du matériel Weishaupt

Le maître de l’ouvrage connaissait déjà très bien Weishaupt. La plupart des chaufferies sont en effet déjà équipées avec du matériel Weishaupt. La qualité et la fiabilité de celui-ci a donc déjà pu être démontrée. Le rendement a joué un rôle concret pour ce chantier. Plus les puissances sont élevées, plus le COP est meilleur, et donc plus le gain sur la facture énergétique est grand. La WWP 590 ID atteint un COP de max. 5 (BO/W35), alors que la WWP 550 ID atteint même un COP de 5,4 (BO/W35).

Les PAC extraient leur chaleur de forages de 100 m de profondeur, qui ont été réalisés par l’entreprise de forage Verheyen autour du bâtiment. Cette configuration correspond mieux à l’utilisation d’une maison de repos, parce que l’échange avec l’environnement est maximal. Comme la demande en froid d’une maison de repos est limitée, la régénération des sources reste tout aussi limitée. Par conséquent, une régénération naturelle maximale est indiquée. Pour les mêmes raisons, cela n’a que peu de sens d’aller stocker du froid dans le sol. Le circuit est équipé d’une pompe à régime à régime variable, afin de répondre de manière souple aux variations de la demande de chaleur.

Toutes les techniques HVAC ont été exécutées par l’entreprise d’installation locale Geuvers. Cette société était déjà responsable de toutes les autres chaufferies du site d’Heverlee. Bien que les locaux semblaient assez grands à première vue, il fallut tout de même trouver de place pour une bonne partie du matériel, sans oublier le fait que tout devait rester accessible. Du travail de mesure et de soudure fut également nécessaire pour pouvoir tout abriter dans la chaufferie. Geuvers a pu réussir cela grâce à un planning minutieux et à de la préfabrication. Le démarrage des PAC est prévu pour la fin de l’année. Jusqu’à ce terme, l’installation va tourner sur les chaudières d’appoint. En été, l’activation du noyau de béton a déjà permis d’assurer des températures agréables, grâce au refroidissement passif.

Par Alex Baumans