POMPES À CHALEUR
Install Magazine 1002 – février 2025
Stockage saisonnier de chaleur dans la pratique
Le cas du siège de BNP Paribas Fortis à Bruxelles
Le principe à la base du stockage saisonnier est très simple: les bâtiments ont une demande de froid en été et une demande de chaleur en hiver. Lorsqu’il est possible de stocker la chaleur excédentaire en été pour l’utiliser à des fins de chauffage en hiver, cela constitue une manière très éco-énergétique de garantir le confort thermique. En général, le stockage s’effectue à l’aide de forages, soit dans un système fermé dans un BEO (stockage géothermique souterrain), soit dans un système ouvert avec un aquifère. Une autre technique a cependant été utilisée dans le nouveau siège de BNP Paribas Fortis à Bruxelles, à savoir de grands réservoirs d’eau souterrains.
Un bâtiment éco-énergétique sur un site existant
Le nouveau bâtiment remplace l’ancien siège situé près de la Gare Centrale à Bruxelles. Lors de la réalisation des plans, l’équipe fut confrontée à un défi de taille. L’objectif consistait à construire un bâtiment éco-énergétique, mais les systèmes classiques se révélaient difficilement applicables. La parcelle se trouvait coincée entre les bâtiments voisins et offrait peu de possibilités en termes de forage, notamment parce que la banque voulait déjà occuper 100% de la superficie. Recourir à des systèmes air-eau sur le toit paraissait tout aussi peu réaliste. L’encombrement dans les étages supérieures et sur le toit aurait été trop important. Et si on avait dû remplir ceux-ci avec ces techniques, il n’y aurait plus eu de place pour une toiture verte.
Le bâtiment existant disposait toutefois de caves profondes. Celles-ci servaient à l’origine de places de parking, mais en raison de l’évolution des habitudes de mobilité et de l’avènement du télétravail, elles étaient devenues inutiles. L’idée naquit alors d’utiliser cet espace pour y placer des réservoirs souterrains pouvant faire office de réservoirs tampon. D’un point de vue fonctionnel, ces réservoirs sont comparables à un champ BEO, mis à part le fait que le volume de stockage se situe dans le bâtiment même, et non dans le sol. Les réservoirs sont en outre plus flexibles à l’usage que le stockage souterrain.
Plus de 14.000 m3 de stockage
Quatre réservoirs ont été installés pour un total de plus de 14.000 m3: deux d’environ 4.500 m3 chacun, un de 3.300 m3 et un de 1.900 m3. Le volume et la répartition ont été choisis en fonction de la sécurité de fonctionnement : en cas de dysfonctionnement d’un réservoir, les autres peuvent prendre le relais. Grâce à la distribution via quatre réservoirs distincts, il est également fort peu probable que tous les réservoirs tombent en panne en même temps. Toutes les surfaces des réservoirs qui ne sont pas en contact direct avec le sol, ont été soigneusement isolées, et l’ensemble a été soigneusement imperméabilisé à l’aide d’EPDM pulvérisé. Les réservoirs n’ont pas été complètement remplis, et ils sont restés ouverts dans leur partie supérieure. Il reste ainsi une petite couche d’air destiné à compenser l’expansion. Un système d’expansion fermé est en effet irréalisable pour un tel volume. La température de départ varie entre 10 et 40°C. Il est ainsi possible de stocker au total environ 450 MWh.
La banque eut un coup de chance pour le remplissage des réservoirs: la parcelle abritait en effet une source. Bruxelles Environnement donna l’autorisation de pomper 96 m3/jour ; les réservoirs furent ainsi remplis à ce rythme, ce qui nécessita environ 150 jours. Dans la mesure où l’eau n’entre pas en contact avec la lumière, le risque de prolifération bactérienne est faible. Pour éviter toute contamination, le circuit du réservoir est séparé des circuits de chauffage à l’aide d’échangeurs de chaleur. Un remplissage d’appoint est également prévu pour compenser d’éventuelles pertes par évaporation. L’eau se trouve cependant dans un espace fermé dont l’air n’est pas renouvelé, ce qui a permis d’éviter jusqu’à présent toute perte significative.
Free Cooling & Heating
Les réservoirs régulent la température du bâtiment de deux manières. Lorsque la température du réservoir est idéale pour servir de température de départ, les consommateurs sont reliés au circuit du réservoir via des échangeurs de échangeurs de chaleur, sans devoir activer de pompe à chaleur entre eux. Il est ainsi possible de profiter au maximum du free heating/free cooling. Il existe deux types de consommateurs : la régulation de température des bureaux s’effectue à l’aide de plafonds climatiques 38.000 m2 au total), et il y a ensuite les échangeurs de chaleur dans les centrales de traitement de l’air pour le système de ventilation. Il y a également une petite production d’ECS, mais celle-ci est assurée par des pompes à chaleur au CO2 distinctes qui extraient également leur chaleur des réservoirs. Les plafonds climatiques fonctionnement -en mode chauffage- à un régime de 32/36°C. Cela cadre avec la plage de température des réservoirs et offre donc de belles possibilités de free-cooling. Les centrales de traitement de l’air sont conçues pour une température d’alimentation de 48°C. Un soutien accru des PAC est donc ici nécessaire.
Si la température des réservoirs ne suffit pas, il faut alors activer les pompes à chaleur. Le bâtiment est équipé de quatre PAC eau-eau Mitsubishi Electric turbocore, utilisant le réfrigérant HFO R1234ze : une de 550 kW, une de 690 kW et deux de 1100 kW. Afin de couvrir le pic de demande, on a également prévu deux chillers Mitsubishi Climaveneta réversibles et refroidis par air. Le système est prévu pour chauffer et refroidir en même temps. Le personnel de la banque a la possibilité de modifier la température de consigne locale, et il peut demander aussi bien de la chaleur que du froid. En cas de demande simultanée de chaleur et de refroidissement, la commande maximalise la récupération de chaleur. Le cas idéal -c’est-à-dire une demande de chaleur identique à la demande de froid- ne survient que rarement dans la pratique. La chaleur ou le froid excédentaire est alors stocké dans les réservoirs.
L’objectif consiste à porter la température du réservoir à 40°C à la fin de l’été. Une température plus élevée est néfaste au bon fonctionnement des pompes à chaleur. S’il devait encore y avoir une demande frigorifique lorsque la limite de température des réservoirs est atteinte, un dry cooler serait alors branché, de façon à ce que la température du réservoir ne continue pas à augmenter. Inversement, en hiver, le réservoir est déchargé en hiver jusqu’à une température de 10°C, ce qui est idéal pour démarrer la saison estivale avec du free-cooling.
Et la pratique?
Le bâtiment est actuellement opérationnel, et l’installation est parfaitement à même de fournir le confort souhaité. Une des leçons tirées est que cette installation est surdimensionnée par rapport aux besoins réels. Il y a plusieurs raisons à cela. Pour commencer, la conception date d’avant la crise du coronavirus, à une époque où on parlait peu de télétravail. Depuis, le télétravail fait partie intégrante de politique de la banque, ce qui a des répercussions sur le taux d’occupation. Par ailleurs, on prévoyait au départ une salle de serveurs centralisée, mais ce projet a également été abandonné ; la banque dispose désormais d’un centre de données distinct à distance, ce qui réduit quelque peu la demande de froid. De telles évolutions étaient difficilement prévisibles au moment de la conception. En outre, un degré important de redondance a été intégré dans le dimensionnement. Il s’agit enfin du siège principal d’un institut financier renommé. Il convient ainsi de prévoir une certaine réserve afin de pouvoir affronter d’éventuels dysfonctionnements ou d’autres circonstances imprévues.
Il s’agit enfin d’un bâtiment performant qui a été bâti selon des standards de maison passive, avec de très faibles déperditions calorifiques donc. À partir d’une température extérieure de 9°C, la demande de froid commence déjà à dépasser la demande de chaleur. Les besoins en chaleur sont faibles, et grâce au faible régime des plafonds climatiques, une part considérable de ceux-ci peuvent être couverts par du free-heating, directement à partir des réservoirs. La demande de chaleur des centrales de traitement de l’air est également limitée, parce qu’elle sont équipées d’une récupération de chaleur très efficace à l’aide d’une roue thermique. Dans le cas de températures extérieures plus froides, elles ont à peine besoin de chauffage d’appoint.
Les faibles déperditions calorifiques signifient également que le concept traditionnel de puissance de réserve pour le réchauffage est dépassé. Lorsque tout le monde rentre chez soi le vendredi soir et que l’installation fonctionne au ralenti, le bâtiment est à peine refroidi le lundi matin. Cela a des conséquences sur le pilotage de l’installation. Les PAC sont en effet équipées de compresseurs turbocore. Cette technologie se révèle silencieuse et d’une maintenance aisée, mais ce type de PAC démarre sur une puissance de crête. Dans ce bâtiment, celle-ci semble souvent trop grande, de sorte qu’il fut nécessaire de développer une régulation adaptée pour amortir ces pics.
Une conception récompensée
L’idée, lors de la conception, consistait à limiter le plus possible l’empreinte écologique. Le nouveau bâtiment devait consommer sept fois moins d’énergie que l’ancien siège. De nombreuses technologies écologiques ont également été appliquées, comme une toiture verte de 5.500 m2, 460 panneaux photovoltaïques d’une puissance de 184 kWp, ainsi qu’une réutilisation maximale de l’eau de pluie.
Compte tenu de ses performances, il n’est donc pas surprenant que le bâtiment ait été récompensé à plusieurs reprises. Comme on l’a mentionné, il répond au standard ‘maison passive’ et est conforme à la norme BREEAM Excellent. Une certification s’est encore ajoutée à cela récemment, à savoir WELL Gold. Le label WELL rencontre un succès croissant en Belgique ; ce bâtiment est l’un des premiers à être certifié WELL. Pour obtenir celle-ci, il faut satisfaire à de sévères exigences en matière de performance. Contrairement à d’autres labels, WELL ne se base pas sur des simulations et des valeurs de conception, mais bien sur des mesures pratiques du confort et de la qualité de l’air, entre autres. Cette certification constitue la meilleure preuve que le bâtiment tient ses promesses.
Par Alex Baumans
Illustrations: BNP Paribas Fortis
