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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - Bureaux / Allemagne
Mandat de l'étude de cas
Une organisation gouvernementale allemande construit un nouveau siège social, un bâtiment qu'elle veut économe en énergie et conforme aux principes de développement durable. Les architectes ont déjà conçu un bâtiment ayant une enveloppe très efficace et bénéficiant au maximum de la lumière naturelle. Vous êtes ingénieur-conseil et on vous demande votre avis sur la viabilité financière de l'utilisation d'un système de pompe à chaleur géothermique, afin de rendre ce bâtiment encore plus économe en énergie que ce qui a été proposé.
Données techniques
L'immeuble se situera à Langen, près de l'aéroport de Francfort. La station météorologique la plus proche, disposant de données adéquates est celle de Stuttgart. Considérez que le sol est constitué de roches friables et tendres. Le site se trouve dans une zone de protection des nappes aquifères. Des ingénieurs géologues ont effectué une simulation à long terme de la température du sol, celle-ci leur a indiqué que la température moyenne annuelle du sol fluctue entre 16 °C et 5 °C, avec une température moyenne du sol en surface de 10,5 °C.
L'emprise au sol du bâtiment est de 9 600 m² et il est situé sur un terrain de 15 000 m². Il s'agit d'une construction de 6 étages, totalisant 57 800 m² de surface construite avec un volume chauffé de 230 000 m³. L'enveloppe du bâtiment est fait d'une façade double très efficace offrant une grande résistance thermique et des fenêtres à haut rendement. Pour réduire les charges de climatisation et la consommation d'électricité, on a recours à des techniques d'éclairage naturel, à de faibles intensités d'éclairage et à des équipements à haut rendement.
Le site se trouve près d'une centrale électrique au gaz naturel qui fournit de la chaleur à un réseau de chauffage urbain accessible au projet. Les conditions tarifaires de cette source d'énergie semblent a priori très attrayantes. Pour le système de référence, considérez un rendement saisonnier du système de chauffage de 50 % et un COP saisonnier du climatiseur de 3.
Pour l'analyse des gaz à effet de serre considérez que les proportions des modes de production de l'électricité sont approximativement comme suit : 8,1 % de gaz naturel, 52,1 % de charbon, 3,1 % de mazout #6, 32,1 % de nucléaire et 4,6 % de petite hydroélectricité.
Données financières
Le client vous donne les données financières suivantes pour votre analyse : 80 % des coûts du projet seront financés par un emprunt au taux de 8 % sur 20 ans, le taux d'actualisation sera de 8 % et le taux d'inflation de 2,5 %. Les coûts de l'énergie augmenteront légèrement mais moins que ceux suivant le taux général d'inflation. Enfin, la durée de vie du système géothermique sera de 25 ans.
La chaleur fournie par le réseau de chauffage urbain est offerte au nouvel immeuble au tarif de 40 €/MWh (ou 0,207 €/m³ de gaz naturel) et l'électricité revient à 0,088 €/kWh. Les frais d'entretien seront les mêmes avec une option comme avec l'autre.
Un système de climatisation conventionnel (compresseur et tour de refroidissement) qui serait installé dans cet immeuble reviendrait à 270 000 €. Un tel système impliquerait, au bout de 15 ans, d'importants coûts de réparations, soit 180 000 €. Avec l'option géothermique, le coût des pompes à chaleur est estimé à 150 € par kW de capacité de réfrigération. Au bout de 15 ans, d'importantes réparations sont prévues pouvant représenter 25 % de la valeur du système. Si de tels équipements sont nécessaires, le coût d'un puit de chaleur pour évacuer des surplus thermiques (par ex. une tour de refroidissement) est de 100 €/kW thermique, avec, tous les 15 ans, un coût de remplacement des pièces d'approximativement 75 % du coût original.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Projet réel
Résultats
Quand la direction du contrôle aérien en Allemagne (DFS) a décidé de construire son nouveau siège administratif à Langen, Allemagne, il a été décidé d'en faire un bâtiment à haute efficacité énergétique. La cible de performance a été fixée à une consommation annuelle d'énergie inférieure à 100 kWh/m², soit 35 % de moins que les immeubles à bureau habituels en Allemagne.
L'immeuble a 6 étages totalisant une superficie de 57 000 m² permettant d'accueillir 1 200 employés. L'enveloppe du bâtiment, fait d'une façade double, a un haut pouvoir isolant, offre une haute inertie thermique et a des fenêtres de haute qualité. Le bâtiment est raccordé à un système de pompes à chaleur géothermique très efficace, mais aussi, pour les périodes de pointe, à un réseau de chauffage urbain alimenté au gaz naturel.
Description du système
Deux séries de forages permettent aux pompes à chaleur de puiser ou de rejeter la chaleur dont elles ont besoin pour chauffer ou climatiser le bâtiment. Il y a au total 154 forages qui procurent une capacité de 340 kW en climatisation et de 330 kW en chauffage. Ces forages ont une profondeur de 70 m et sont espacés de 5 m les uns des autres.
Comme le bâtiment est situé dans une zone de protection de la nappe phréatique, la boucle géothermique est remplie d'eau pure uniquement. Pour éviter un risque de gel, il ne faut pas descendre en-dessous de +4 °C au niveau de l'évaporateur de la pompe à chaleur, lorsqu'on exploite la boucle géothermique en mode chauffage.
En mode chauffage, une pompe à chaleur à ammoniac permet d'obtenir un COP de 6,0 en produisant de l'eau à 30 °C à un système de plafonds radiants et de serpentins de réchauffage d'air. Comme les pointes de puissance en chauffage peuvent atteindre 700 kW, on a recours, les jours les plus froids, au réseau de chauffage urbain pour fournir l'énergie additionnelle nécessaire. Bien que la pompe à chaleur soit sous-dimensionnée pour répondre aux pointes de chauffage, le réseau de chauffage urbain ne devra fournir que 30 % des besoins annuels.
En mode climatisation, l'eau froide circulant dans la boucle géothermique a une température suffisamment basse pour pouvoir, sans recours à la pompe à chaleur, déshumidifier l'air avec les serpentins et donner une sensation de fraîcheur suffisante grâce aux plafonds radiants. Les pointes de climatisation sont assurées par un système conventionnel de climatisation. Environ 80 % des besoins annuels de climatisation sont assurés directement par la boucle géothermique.
Leçons à tirer
Aperçu général
Les pompes à chaleur géothermiques sont arrivées à maturité et permettent d'utiliser une source d'énergie renouvelable. De plus, cette technologie a l'avantage de pouvoir être diffusée par les réseaux habituels de l'industrie du chauffage, de la ventilation et de la climatisation (CVC). Ces systèmes sont durables, fiables et souvent très rentables en comparaison des systèmes conventionnels de chauffage et de climatisation, particulièrement dans la nouvelle construction. Jusqu'à présent, plus de 800 000 systèmes géothermiques ont été installés en Europe seulement. Les objectifs européens sont de doubler le nombre de ces installations d'ici 2010.
Photo
Bureaux - Pompe à chaleur - Source : sol, Langen, Germany
Références
Mandat de l'étude de cas
Une organisation gouvernementale allemande construit un nouveau siège social, un bâtiment qu'elle veut économe en énergie et conforme aux principes de développement durable. Les architectes ont déjà conçu un bâtiment ayant une enveloppe très efficace et bénéficiant au maximum de la lumière naturelle. Vous êtes ingénieur-conseil et on vous demande votre avis sur la viabilité financière de l'utilisation d'un système de pompe à chaleur géothermique, afin de rendre ce bâtiment encore plus économe en énergie que ce qui a été proposé.
Données techniques
L'immeuble se situera à Langen, près de l'aéroport de Francfort. La station météorologique la plus proche, disposant de données adéquates est celle de Stuttgart. Considérez que le sol est constitué de roches friables et tendres. Le site se trouve dans une zone de protection des nappes aquifères. Des ingénieurs géologues ont effectué une simulation à long terme de la température du sol, celle-ci leur a indiqué que la température moyenne annuelle du sol fluctue entre 16 °C et 5 °C, avec une température moyenne du sol en surface de 10,5 °C.
L'emprise au sol du bâtiment est de 9 600 m² et il est situé sur un terrain de 15 000 m². Il s'agit d'une construction de 6 étages, totalisant 57 800 m² de surface construite avec un volume chauffé de 230 000 m³. L'enveloppe du bâtiment est fait d'une façade double très efficace offrant une grande résistance thermique et des fenêtres à haut rendement. Pour réduire les charges de climatisation et la consommation d'électricité, on a recours à des techniques d'éclairage naturel, à de faibles intensités d'éclairage et à des équipements à haut rendement.
Le site se trouve près d'une centrale électrique au gaz naturel qui fournit de la chaleur à un réseau de chauffage urbain accessible au projet. Les conditions tarifaires de cette source d'énergie semblent a priori très attrayantes. Pour le système de référence, considérez un rendement saisonnier du système de chauffage de 50 % et un COP saisonnier du climatiseur de 3.
Pour l'analyse des gaz à effet de serre considérez que les proportions des modes de production de l'électricité sont approximativement comme suit : 8,1 % de gaz naturel, 52,1 % de charbon, 3,1 % de mazout #6, 32,1 % de nucléaire et 4,6 % de petite hydroélectricité.
Données financières
Le client vous donne les données financières suivantes pour votre analyse : 80 % des coûts du projet seront financés par un emprunt au taux de 8 % sur 20 ans, le taux d'actualisation sera de 8 % et le taux d'inflation de 2,5 %. Les coûts de l'énergie augmenteront légèrement mais moins que ceux suivant le taux général d'inflation. Enfin, la durée de vie du système géothermique sera de 25 ans.
La chaleur fournie par le réseau de chauffage urbain est offerte au nouvel immeuble au tarif de 40 €/MWh (ou 0,207 €/m³ de gaz naturel) et l'électricité revient à 0,088 €/kWh. Les frais d'entretien seront les mêmes avec une option comme avec l'autre.
Un système de climatisation conventionnel (compresseur et tour de refroidissement) qui serait installé dans cet immeuble reviendrait à 270 000 €. Un tel système impliquerait, au bout de 15 ans, d'importants coûts de réparations, soit 180 000 €. Avec l'option géothermique, le coût des pompes à chaleur est estimé à 150 € par kW de capacité de réfrigération. Au bout de 15 ans, d'importantes réparations sont prévues pouvant représenter 25 % de la valeur du système. Si de tels équipements sont nécessaires, le coût d'un puit de chaleur pour évacuer des surplus thermiques (par ex. une tour de refroidissement) est de 100 €/kW thermique, avec, tous les 15 ans, un coût de remplacement des pièces d'approximativement 75 % du coût original.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- La superficie non construite de 5 400 m² qui reste disponible sur le terrain, n'est pas suffisante pour installer un échangeur horizontal. Un échangeur avec des puits verticaux sera donc choisi.
- En Europe, les occupants de bâtiments acceptent habituellement plus facilement qu'en Amérique du Nord des températures plus élevées à l'intérieur des bâtiments en été, de même que des plus grandes variations de température à l'intérieur d'une journée. Aussi, il est de pratique courante de sous-dimensionner les installations de climatisation par rapport aux pointes de climatisation. Cette pratique, couplée à un climat doux en hiver, nous porte à croire que le système de pompe à chaleur géothermique devrait être conçu pour répondre d'abord aux besoins de chauffage.
- Le combustible du cas de référence est choisi de manière à calculer les impacts du projet sur les émissions de gaz à effet de serre (GES). Le système de chauffage urbain est alimenté par une centrale de co-génération au gaz naturel, de ce fait on utilisera le gaz naturel comme la source d'énergie du cas de référence pour les calculs de GES. Toutefois, le client est facturé par rapport au MWh d'énergie thermique fournie (40 €/MWh). Le rendement global du système de chauffage urbain (incluant la combustion, la distribution et l'interconnexion) est d'environ 50 %. Ce qui signifie que le client paie en réalité 20 €/MWh pour le gaz lui-même. Considérant un volume de chauffage 10,33 kWh/m³ de gaz naturel, le coût réel du gaz payé par le client est estimé comme étant 20 €/MWh x 0,01033 MWh/m³ = 0,207 €/m³.
- Puisque dans le cas de référence, comme dans le chauffage de pointe du cas proposé, un système de chauffage urbain est utilisé, il n'y a pas de crédit à prévoir parce que le projet aurait évité l'installation d'une chaudière de chauffage.
- Au moment de l'étude 1 $US = 1,14 € et 1 $CDN = 0,72 €.
- Comme il est expliqué dans la section « Projet réel », le système de pompe à chaleur géothermique n'a pas été dimensionné pour répondre ni à la pointe de puissance en chauffage, ni à la pointe de puissance en climatisation. Par conséquent, des systèmes conventionnels sont utilisés pour répondre à ces besoins additionnels en chauffage ou en climatisation. Le système réel de pompe à chaleur géothermique actuellement construit est donc de moins grande envergure que celui qui est proposé par l'analyse RETScreen, qui a été dimensionné pour répondre à la pointe de chauffage. Cela a comme conséquence de présenter une analyse financière plus conservatrice.
Projet réel
Résultats
Quand la direction du contrôle aérien en Allemagne (DFS) a décidé de construire son nouveau siège administratif à Langen, Allemagne, il a été décidé d'en faire un bâtiment à haute efficacité énergétique. La cible de performance a été fixée à une consommation annuelle d'énergie inférieure à 100 kWh/m², soit 35 % de moins que les immeubles à bureau habituels en Allemagne.
L'immeuble a 6 étages totalisant une superficie de 57 000 m² permettant d'accueillir 1 200 employés. L'enveloppe du bâtiment, fait d'une façade double, a un haut pouvoir isolant, offre une haute inertie thermique et a des fenêtres de haute qualité. Le bâtiment est raccordé à un système de pompes à chaleur géothermique très efficace, mais aussi, pour les périodes de pointe, à un réseau de chauffage urbain alimenté au gaz naturel.
Description du système
Deux séries de forages permettent aux pompes à chaleur de puiser ou de rejeter la chaleur dont elles ont besoin pour chauffer ou climatiser le bâtiment. Il y a au total 154 forages qui procurent une capacité de 340 kW en climatisation et de 330 kW en chauffage. Ces forages ont une profondeur de 70 m et sont espacés de 5 m les uns des autres.
Comme le bâtiment est situé dans une zone de protection de la nappe phréatique, la boucle géothermique est remplie d'eau pure uniquement. Pour éviter un risque de gel, il ne faut pas descendre en-dessous de +4 °C au niveau de l'évaporateur de la pompe à chaleur, lorsqu'on exploite la boucle géothermique en mode chauffage.
En mode chauffage, une pompe à chaleur à ammoniac permet d'obtenir un COP de 6,0 en produisant de l'eau à 30 °C à un système de plafonds radiants et de serpentins de réchauffage d'air. Comme les pointes de puissance en chauffage peuvent atteindre 700 kW, on a recours, les jours les plus froids, au réseau de chauffage urbain pour fournir l'énergie additionnelle nécessaire. Bien que la pompe à chaleur soit sous-dimensionnée pour répondre aux pointes de chauffage, le réseau de chauffage urbain ne devra fournir que 30 % des besoins annuels.
En mode climatisation, l'eau froide circulant dans la boucle géothermique a une température suffisamment basse pour pouvoir, sans recours à la pompe à chaleur, déshumidifier l'air avec les serpentins et donner une sensation de fraîcheur suffisante grâce aux plafonds radiants. Les pointes de climatisation sont assurées par un système conventionnel de climatisation. Environ 80 % des besoins annuels de climatisation sont assurés directement par la boucle géothermique.
Leçons à tirer
- Les hauts coefficients de performance des pompes à chaleur géothermique et la capacité de celles-ci à répondre à la fois aux besoins de chauffage et de climatisation rendent cette option financièrement attirante même lorsque l'on peut bénéficier d'une source d'approvisionnement d'énergie à bon marché comme la chaleur fournie par un réseau de chauffage urbain.
- Une pompe à chaleur géothermique peut être implantée en toute sécurité dans un environnement fragile, en particulier dans une zone où la nappe phréatique fait l'objet d'une protection particulière.
- L'utilisation d'eau pure dans la boucle géothermique exige de fournir à l'évaporateur de la pompe à chaleur de l'eau à au moins 4 °C. Cette température limite assez élevée a pu être maintenue en utilisant un matériau de remplissage à haute conductivité thermique dans les puits de forage.
Aperçu général
Les pompes à chaleur géothermiques sont arrivées à maturité et permettent d'utiliser une source d'énergie renouvelable. De plus, cette technologie a l'avantage de pouvoir être diffusée par les réseaux habituels de l'industrie du chauffage, de la ventilation et de la climatisation (CVC). Ces systèmes sont durables, fiables et souvent très rentables en comparaison des systèmes conventionnels de chauffage et de climatisation, particulièrement dans la nouvelle construction. Jusqu'à présent, plus de 800 000 systèmes géothermiques ont été installés en Europe seulement. Les objectifs européens sont de doubler le nombre de ces installations d'ici 2010.
Photo
Bureaux - Pompe à chaleur - Source : sol, Langen, Germany
Références
- Kemp, Steve, « Communications personnelles », Enermodal Engineering Ltd., 2002.
- Sanner, Burkhard and Kohlsch, Oliver, Examples of Ground-Source Heat Pumps (GSHP) in Germany, International Summer School on Direct Application of Geothermal Energy, 2001.
- UBeG, The Low-Energy-Office of Deutche Flugsicherung (German Air Traffic Control) in Langen, with Geothermal Heat and Cold Storage, UBeG, Wetzlar, Allemagne, 2001.
