Bouquet énergétique alliant gaz, géothermie et énergie solaire

Abritant une école maternelle, une école primaire, une cuisine attenante à un réfectoire, ainsi que le foyer du club de football local et accueillant des activités périscolaires en période estivale, le groupe scolaire de la Tuilerie, à Épagny près d’Annecy, a été conçu pour être occupé hiver comme été. Les élus souhaitant aller plus loin que la RT 2012, en disposant d’un bâti performant, d’une solution de chauffage efficiente et vertueuse au plan environnemental, tout en limitant les surchauffes estivales et sans recourir à la climatisation. Le nouveau bâtiment est entré en service début 2017, après deux ans de travaux.

Le concours lancé par la municipalité a été remporté par le groupement composé notamment du cabinet d’architecture Atelier A, du BE fluides ETF ainsi que d’un ingénieur HQE et d’un économiste de la construction. Le bâtiment a été doté d’une enveloppe jouissant d’une importante inertie thermique : sa structure en « prémur » (mur préfabriqué) intègre un isolant polyuréthane de 16 cm d’épaisseur, coulé dans le béton. Il est ainsi peu consommateur en énergie. Le coefficient de transmission thermique de ce complexe est de 0,13 W/m2.°C. L’enveloppe s’avère également très étanche à l’air : si l’objectif initial était fixé à 0,60 m3/h.m2, le test final d’étanchéité fut de 0,32 m3/h. m2.

Trois PAC gaz géothermiques

Pour le lot CVC, la municipalité s’est montrée suffisamment ambitieuse pour choisir une solution basée sur des pompes à chaleur gaz géothermiques à absorption. Trois PAC de 39 kW ont été installées en chaufferie, avec en appoint une chaudière gaz à condensation au sol de 60 kW. En cascade, les trois PAC et la chaudière alimentent un ballon tampon de 1500 L, la production d’eau chaude se faisant à 50 °C. Le choix de PAC gaz plutôt que de PAC électriques se justifiait notamment en termes d’emprise au sol, comme le détaille Jean-Michel Pace, gérant du BE ETF : « Avec des PAC gaz, nous avions besoin de moins de sondes qu’avec des PAC électriques. En effet, une partie de la chaleur produite par les PAC est fournie par leur brûleur (25 kW), Ici, il a suffi de 15 sondes géothermiques verticales de 100 m de profondeur implantées sous les cours de récréation, contre 30 si une solution tout électrique avait été retenue. Un atout non négligeable au regard de l’investissement et de la surface disponible limitée (1 500 m2), sachant que chaque sonde verticale doit être espacée de 10 mètres.

Ces sondes géothermiques permettent également le géocooling l’été : les PAC gaz ainsi que le ballon tampon sont by-passés, tandis que le fluide caloporteur est mis en circulation pour capter les calories ambiantes et rafraîchir la température des locaux. Ces calories prélevées dans l’ambiance intérieure sont transmises aux sondes géothermiques via un échangeur intermédiaire dédié (50 kW). Le géocooling contribue par ailleurs à pérenniser le gisement de chaleur du sous-sol en le rechargeant en calories, afin qu’il ne se refroidisse pas au fil des ans. Exception faite de périodes caniculaires de quelques heures, la température au sein des locaux en période estivale ne dépasse pas les 27 °C, selon Jean-Michel Pace.

De l’ECS solaire en cuisine

L’établissement intègre une cuisine d’une capacité de 1 150 repas par jour, dont 450 repas par jour pour le groupe scolaire et 700 repas par jour fournis par la cuisine centrale. La production d’eau chaude de cette section est assurée par un accumulateur gaz à condensation de 35 kW. Celui-ci est associé à un système solaire thermique associant 17 m2 de capteurs plans à un ballon tampon de 1 000 L. « Ce générateur gaz de type Heatmaster d’ACV est à la fois puissant et réactif et le fait qu’il condense offre de bons rendements, de l’ordre de 105 % sur PCI, note Jean-Michel Pace. Cette production indépendante permet d’optimiser le rendement chaufferie dont la température de production ne dépasse jamais 50 °C, les émetteurs de chauffage étant dimensionnés pour cette température. Le recours au solaire thermique était pertinent car les besoins en ECS sont importants en été du fait des activités périscolaires. Au-delà des économies d’énergie, le solaire thermique nous a également permis d’aller chercher quelques points supplémentaires dans le calcul RT. » Pour les sanitaires attenants aux classes ainsi que pour les locaux administratifs, les besoins en ECS, ponctuels, sont assurés par des cumulus électriques. Si la chaufferie 17 m2 Surface de capteurs solaires thermiques 6 classes de maternelle 4 classes de primaire, salles de pause, réfectoire et cuisines 1 150 repas / jour est attenante aux classes, cette installation a été implantée au plus près de la cuisine du réfectoire, afin de limiter les longueurs de bouclage.

Des émetteurs adaptés aux différents locaux

Selon les zones (salles de classe, locaux administratifs, circulations, sanitaires), différents types d’émetteurs ont été retenus. Dans les classes de maternelle, des planchers chauffants émettent en base une chaleur douce pour ne pas incommoder les enfants en bas âge. Ils sont complétés en cas de besoin par des panneaux rayonnants en plafond, plus réactifs que les planchers chauffants. Dans l’école élémentaire, les salles d’activités périscolaires et le réfectoire, les panneaux rayonnants sont complétés par de l’air neuf préchauffé à 21° C par les centrales de traitement d’air (CTA). Au nombre de cinq (plus une dédiée à la cuisine), ces CTA double flux sont pourvues d’échangeurs rotatifs pour récupérer l’énergie sur l’air extrait (80 % de rendement) et de batteries hydrauliques alimentées par les générateurs de chauffage. Les couloirs et sanitaires sont quant à eux chauffés à l’aide de radiateurs. Concernant le renouvellement d’air, les CTA assurent un débit hygiénique minimal de 30 m3/h/personne dans l’ensemble des locaux. « Suite à des mesures de qualité d’air effectuées sur un projet précédent, nous avions conscience que les recommandations habituelles à 15 m3/h/personne n’étaient pas suffisantes, indique Jean-Michel Pace. En phase concours, nous avions prédimensionné les réseaux de ventilation, afin de donner les bonnes indications à l’architecte pour l’établissement de son esquisse en termes de surface utile pour les CTA ainsi que les hauteurs sous dalle nécessaires pour faire transiter les réseaux de gaines (3,50 m). Pour la bonne marche du projet, il était important de faire ces vérifications, compte tenu de l’incidence très structurante de ces installations sur le projet et sur son prix. Cela a permis d’intégrer ces contraintes dans le coût de notre projet et de sécuriser les objectifs financiers du maître d’ouvrage. »

Des températures de consigne supervisée par la GTC

Dans les classes, la température de consigne est fixée à 21 °C. Les usagers ne peuvent pas la moduler afin de limiter les dérives de consommation. Chaque salle est équipée d’une sonde d’ambiance qui asservit la vanne deux-voies alimentant les circuits hydrauliques. Seuls les radiateurs des circulations et des sanitaires sont équipés de robinets thermostatiques.

La conduite des équipements CVC est assurée par le responsable des services bâtiment et informatique, Patrick Châtelain, depuis son poste informatique ou par communication via un protocole IP. Il peut, au besoin, reprendre la main sur le fonctionnement des équipements CVC grâce aux informations qui lui sont communiquées par les détecteurs de présence et les sondes de CO2, qui le renseignent sur le taux d’occupation de chaque salle. L’ensemble des informations des différents équipements lui est remonté par la GTC, qui a été mise en place par l’entreprise Lansard. La première étape consistait à paramétrer les régulations des différents générateurs (PAC gaz, chaudières, CTA, installation solaire thermique) et, dans un second temps, à intégrer ces régulations dans le logiciel de supervision, afin de compiler toutes les informations nécessaires à la conduite des équipements (comptage énergétique, alertes, etc.). Ce système de supervision permet également aux équipements de communiquer entre eux. Ainsi, les enseignants peuvent actionner l’éclairage et les brise-soleil orientables d’une seule commande simplifiée. « Nous avons établi différents scénarios de fonctionnement, explique Olivier Ballestracci, directeur du service Automatisme de l’entreprise Lansard. Nous avons par exemple scénarisé un programme “projection”, pendant lequel la salle est mise dans l’obscurité mais avec un maintien des températures de consigne, tandis que dans le mode “inoccupé”, les lumières sont éteintes et les températures de consigne réduites. La création de ces scénarios a fait l’objet de discussions avec le BE ETF et le responsable d’exploitation de l’établissement, afin de les transcrire dans des automates et de les câbler dans chaque classe. »