RE2020 : quel dimensionnement pour les PAC hybrides en enseignement ?

En RE2020, une production de chaleur se doit d’être performante, avec l’objectif pour le maître d’ouvrage de maîtriser les coûts. Pour les bâtiments d’enseignement primaire ou secondaire neufs, les seuils IC énergie (Indice carbone énergie qui calcule l’impact carbone des consommations énergétiques pendant l’exploitation du bâtiment) sont particulièrement exigeants. Rappelons qu’ils seront abaissés à 140 kg eqCO₂/m² à partir de 2025 (exception faite des bâtiments raccordés à un réseau de chaleur urbain). Quelle est la plus petite puissance de PAC nécessaire, permettant à la solution hybride de respecter les seuils de la RE2020 en enseignement ? Pour répondre à cette question, GRDF a travaillé avec les principaux fabricants de solutions hybrides collectives afin de déterminer l’optimum technico-économique réglementaire adapté à ce type de construction.

PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE ET DES BÂTIMENTS ÉTUDIÉS

Atlantic, BDR Thermea, Bosch, Daikin, Elco et Viessmann ont été sollicités pour travailler avec Engie Lab Crigen, afin de déterminer le dimensionnement optimisé de la solution hybride dans un projet de construction d’un bâtiment d’enseignement neuf. Même si l’investissement est un des critères les plus importants dans le choix d’une solution technique, d’autres facteurs comme les coûts d’exploitation, la facture énergétique, la puissance électrique et l’encombrement ont également fait l’objet de cette étude. La même mission était confiée à chacun des six industriels : dimensionner un système hybride (PAC + chaudière à très haute performance [THPE]) et un système 100 % électrique (PAC + appoint effet joule) sur deux bâtiments, une école maternelle et un collège, représentatifs du marché du neuf.

À partir de ces éléments, Engie Lab Crigen a simulé les solutions techniques dans le moteur de calcul dans trois zones climatiques (H1a, H2b et H3) et a déterminé la puissance de PAC minimale respectant les seuils 2025 de la RE2020. Voici les principaux résultats de l’étude.

UNE FOURCHETTE DE PUISSANCE QUI VARIE EN FONCTION DE LA ZONE CLIMATIQUE

Les simulations d’Engie Lab Crigen révèlent des résultats communs aux six fabricants. La puissance des PAC en hybride à 0 °C (température extérieure) et à 50 °C (température de départ) doit être comprise :

• pour l’école maternelle, entre 30% et 50% des déperditions du bâtiment à la température extérieure de base (de 40% à 50% en H1a, de 30% à 40% en H2b);
• pour le collège, entre 25% et 35 % des déperditions du bâtiment à la température extérieure de base (en H1a et H2b).

En zone H3, l’hybridation des solutions gaz n’est pas nécessaire pour respecter les seuils de la RE2020. On pourra alors faire le choix de la solution la plus économique à l’investissement : la chaufferie gaz. Autre option : installer une solution un peu plus onéreuse à l’investissement, mais plus avantageuse sur la durée au regard de la décarbonation, en hybridant à hauteur de 10% à 25% des déperditions du bâtiment à la température extérieure de base.

Comparée aux simulations en 100 % PAC, la solution hybride permet de diviser la puissance de la PAC par deux pour l’école maternelle en zone H1a et par trois à quatre pour l’école maternelle en zone H2b et pour le collège.

(1) Moyenne des résultats issus des études menées avec les gammes PAC des six fabricants.

UN COÛT À L’INVESTISSEMENT DEUX FOIS MOINS ÉLEVÉ POUR LA PAC HYBRIDE

Au-delà du dimensionnement des PAC, les fabricants jouent un rôle important sur le volet économique de l’étude. Engie Lab Crigen a défini la gamme de puissance minimale pour atteindre les seuils de la RE2020. Les fabricants peuvent ainsi chiffrer les coûts fourni/posé des générateurs. Les coûts induits tels que les ballons, la régulation et la fumisterie ont été chiffrés par un économiste de la construction.

Le gain à l’investissement est compris entre –25% et –60% selon les fabricants pour la typologie d’école maternelle étudiée, et entre – 40 % à –50% pour le collège étudié.

Avec un coût du kW installé nettement supérieur de la PAC par rapport à une chaudière, ces éléments nous donnent une première idée de la différence à l’investissement des deux solutions techniques.

(2) Les fourchettes des coûts d’investissement dépendent des machines sélectionnées dans les gammes des fabricants, plus ou moins variées, qui ne permettent pas toujours de dimensionner au plus juste.

DES PUISSANCES ÉLECTRIQUES DE RACCORDEMENT DIFFÉRENTES

En appliquant la règle de dimensionnement évoquée plus haut, la puissance de la PAC d’une chaufferie hybride collective est divisée par deux à quatre par rapport à une solution 100% PAC électrique. Il faut en outre considérer la puissance de l’appoint électrique. Dimensionné également par les fabricants, cet appoint est une simple épingle électrique. En fonction des fabricants et du projet, l’appoint électrique varie de 15% à 57% de la puissance électrique absorbée maximale des PAC à –7 °C/55 °C. Cela a un impact direct sur les performances globales de l’installation et notamment sur le SCOP (coefficient de performance saisonnier). Pour les PAC hybrides, il est entre 110% et 120%, contre 80% à 115% pour les PAC électriques, appoint électrique compris pour les écoles maternelles et les collèges.

UNE FACTURE ÉNERGÉTIQUE MAÎTRISÉE GRÂCE À L’HYBRIDATION

Afin de comparer les factures énergétiques de la solution hybride par rapport à une solution 100% PAC, Engie Lab Crigen n’a pris en compte que les coûts d’abonnement et de consommations gaz et d’électricité. La puissance de la PAC installée sur le projet va déterminer le type d’abonnement que l’occupant devra souscrire. La solution hybride permet de limiter le surcoût à l’abonnement. Considérant ces hypothèses, la facture énergétique chaufferie est de 30% à 60% moins élevée pour l’école maternelle, et de 20% à 35%moins élevée pour le collège, toutes zones climatiques confondues.

Les écarts importants constatés pour l’école maternelle sont dus à un effet de seuil entre les abonnements inférieurs ou supérieurs à 36 kVA. En effet, la solution hybride⁽¹⁾ profite d’un abonnement⁽²⁾ 24 kVA à 496 euros par an avec un coût du kWh électrique de 0,19 euro/kWh⁽³⁾. En revanche, la solution 100% électrique, avec son appoint électrique, doit souscrire un abonnement⁽²⁾ 75 kVA à 3555 euros par an, avec un coût du kWh électrique de 0,27 euro/kWh⁽⁴⁾. Dans le cas de la PAC, l’abonnement est donc sept fois plus cher et le coût du kWh, 42% plus élevé.

⁽¹⁾ Hypothèses de coût d’abonnement gaz = 102 euros par an et coût du gaz = 0,11 €/kWh (prix repère de vente du gaz CRE 2024).
⁽²⁾ Coûts d’abonnement électrique calculés selon le turpe 6.
⁽³⁾ Correspond au tarif réglementé de vente tarif bleu (février 2024).
⁽⁴⁾ Correspond au prix moyen – lissé sur une année – (facture réelle d’un bâtiment tertiaire, année 2024 :

• heure pleine hiver = 0,33 €/kWh;
• heure creuse hiver = 0,23 €/kWh;
• heure pleine été = 0,20 €/kWh;
• heure creuse été = 0,16 €/kWh).

DES TAUX DE COUVERTURE REPRÉSENTANT ENTRE 40% ET 70% DES BESOINS DE CHAUFFAGE

Le dimensionnement précédent permet de respecter les deux exigences les plus contraignantes de la RE2020, le Cep nr et l’IC énergie. À partir des puissances énoncées précédemment, Engie Lab Crigen détermine la part des besoins de chauffage couverte par la ou les PAC de la solution hybride. Les taux de couverture PAC des solutions hybrides sont assez similaires en zones H1a et H2b et varient entre 40% et 70%. 

Les établissements d’enseignement présentent une spécificité quant à leurs scénarios d’occupation. En effet, des périodes de réduit sont inscrites dans le moteur de calcul réglementaire, ce qui nécessite une surpuissance et donc une surconsommation pour atteindre de nouveau les températures de consigne suite à ces périodes de réduit. Cette surpuissance est gérée grâce à une chaudière THPE pour la solution hybride et avec une simple épingle électrique pour la solution 100 % PAC.

DES LEVIERS DISPONIBLES POUR LES BUREAUX D’ÉTUDES

Cette étude met en évidence les nombreux avantages de la solution hybride par rapport à une solution 100 % thermodynamique. Tous les projets de construction d’école maternelle ou élémentaire, de collège ou de lycée neufs ne se ressemblent pas. Leurs principes constructifs, leur orientation, leur surface, leur compacité… peuvent être très différents. Quelles que soient ces caractéristiques, des leviers permettent aux solutions hybrides de se positionner comme la solution la plus pertinente en RE2020 sur des projets plus contraignants :

• baisser le régime de température sur le départ chauffage radiateurs à 50 °C/40 °C;
• faire le choix d’une perméabilité à l’air à 1 m3/(h.m²);
• en cas de préchauffage de l’air par centrale de traitement d’air (CTA), passer le régime de température à 50 °C/40 °C sur le départ CTA;
• améliorer l’efficacité de l’échangeur de la CTA pour l’amener jusqu’à 85%;
• activer la fonction antigel de la CTA;
• optimiser la classe d’isolation du réseau aéraulique;
• améliorer le niveau d’isolation du bâtiment.

DES SOLUTIONS HYBRIDES PLUS DISCRÈTES

L’installation d’une PAC nécessite l’ajout d’une unité extérieure sur le site, ce qui demande de porter une attention particulière aux nuisances sonores. Une étude acoustique préalable permet d’anticiper ces contraintes et de mettre en place des solutions adaptées, comme des pièges à son ou des caissons acoustiques, lorsque cela est techniquement possible. L’hybridation offre un avantage significatif par rapport à une solution 100% PAC en réduisant l’impact sonore. En effet, la puissance installée peut être divisée par un facteur de deux à quatre et les PAC de plus petites puissances ont des meilleures performances acoustiques que celles de fortes puissances. De plus, cette étude montre que la PAC hybride collective permet de réduire le nombre et l’emprise au sol des unités extérieures.