PAC absorption géothermique et vecteur air au groupe scolaire Joseph Béard de Rumilly (74)

Le site instrumenté est le centre scolaire Joseph Béard (maternelle et primaire) situé à Rumilly (74). L’établissement accueille depuis septembre 2011 4 classes de maternelle (120 enfants) et 5 classes élémentaires (130 enfants) dans une surface chauffée de 2600 m². 

Décidée en 2009, la conception de ce nouvel établissement se devait d’afficher de hautes performances énergétiques. L’étude de faisabilité des approvisionnements en énergie, réalisée par le bureau d’études Céna Ingénierie, a permis d’écarter pour leur manque de pertinence dans ce cas précis, le fioul, l’électricité, le solaire thermique (faibles besoins d’eau chaude), les PAC électriques air/eau (hivers trop rigoureux) et les PAC électriques géothermiques (coût des sondes). L’analyse technico-économique s’est donc portée sur les solutions de solaire photovoltaïque, chauffage bois, PAC gaz géothermique à absorption et chaudière à condensation.

Le bâtiment est chauffé par une installation composée de trois pompes à chaleur (PAC) géothermiques à absorption au gaz naturel, sans chaudière d’appoint. Chaque PAC géothermique a une puissance nominale de 37,7 kW de chauffage.

L’installation de trois pompes à chaleur à absorption géothermiques à absorption en salle des machines permet d’assurer le chauffage, une partie de la production d’eau chaude sanitaire et le rafraichissement du bâtiment par géothermie. Les PAC sont connectées à 11 sondes verticales de 100 mètres linéaires réparties dans le terrain devant l’école. Les 3 PAC réchauffent un ballon tampon de 1500 l  alimentant lui-même, via un collecteur, les départs chauffage et la production d’eau chaude sanitaire de la cuisine. Cinq centrales de traitement d’air (CTA) double-flux à récupération d’énergie (rendement de 80 à 85%) insufflent le renouvellement d’air préchauffé dans les classes et les locaux.

En été, les pompes à chaleur sont arrêtées. Un échangeur installé en parallèle permet d’utiliser la fraicheur collectée sur les sondes géothermiques dans les CTA du bâtiment. 

La température de confort est de 19°C avec un ralenti possible (et minimum en hors gel à 7°C). Les pompes à chaleur fonctionnent en cascade avec une bascule automatique en cas de défaut et une inversion périodique des machines permettant de répartir leur fonctionnement de manière équilibrée. 

L’installation a été instrumenté, en partenariat avec l’Ademe, sur la période de chauffage d’octobre 2012 à mars 2013. Bilan de ces mesures.

Le suivi de site a permis de quantifier les performances de l'installation en termes de confort des occupants par la mesure en hiver des températures intérieures de deux salles du bâtiment. La température moyenne du hall est de 20°C et celle du réfectoire de 18°C avec de faibles variations. On n’observe par contre pas de ralenti baissant la température moyenne durant les week-ends. Les trois pompes à chaleur ont assuré le chauffage sur l’ensemble de la période et le taux de disponibilité de l’installation a été de 100%. 

Le COP (sur énergie primaire) est calculé en faisant le rapport entre l'énergie consommée et l'énergie thermique produite. Le COP a été de 1,4 sur PCI en moyenne, en tenant compte d’une incertitude de 10% sur les valeurs mesurées,  soit un rendement de production de 140% PCI pour une température d’émission variant entre 50°C et 53°C. Ce résultat est proche de la valeur nominale mesurée par les constructeurs (1,5), ce qui traduit le bon fonctionnement de l’installation.

Le graphique ci-dessous présente l’évolution du COP sur la saison de chauffe en fonction de la température extérieure :

1.       Journée la plus froide : le 12 décembre 2012.

Au cours de cette journée la température extérieure a atteint un minimum de -2°C et les trois pompes à chaleur à absorption ont été sollicitées simultanément à leur puissance maximale entre 8h et 10h.

Lorsque la température extérieure a augmenté pour atteindre 7°C, les PAC n°2 et 3 se sont arrêtées et seule la n°1 a continué de fonctionner, sa puissance suffisant à couvrir l’ensemble des besoins.
 

Le graphique ci-dessous présente l’évolution du COP et du taux de charge de cette pompe à chaleur qui a fonctionné en continu et permet de visualiser la forte corrélation existant entre ces deux grandeurs : plus le taux de charge est proche de 100%, meilleure est la performance de la pompe à chaleur.

2. Journée de mi-saison : Exemple du 22 octobre 2012

Durant cette journée de mi-saison dont la température extérieure a varié entre 20 et 28°C, seule la PAC n°3 a été en service. Elle a modulé entre 50% et 100% de charge durant la matinée et est passée à un mode de régulation en tout ou rien l’après-midi, lorsque la température a augmenté. Ce mode de régulation est conforme avec les spécifications du constructeur.

3. Performances moyennes sur ces 2 jours

Le GUE* (ou COPgaz) mesure l’efficacité de la PAC à travers le rapport entre la production de chauffage ou de climatisation et la consommation de gaz naturel associée.

Le COP de la journée de mi-saison est un peu dégradé en raison du cyclage de la pompe à chaleur l’après-midi.

Le COP de l’installation n’est pas sensiblement influencé par la température extérieure et conserve des valeurs satisfaisantes même pour la journée la plus froide de l’hiver. La variation constatée de la température de l’eau en provenance des sondes géothermiques se limite à la plage 8°C / 12°C.

L’installation de Rumilly comporte 11 sondes géothermiques d’une profondeur de 100 m. La température de l’eau en provenance des sondes géothermiques est donc peu influencée par la saison ou la température extérieure. C’est dans ce cadre que le rafraîchissement par géocooling est adapté car l’eau est refroidie dans le sol durant l’été et échange avec le réseau du bâtiment sans passer par la pompe à chaleur.

Cette instrumentation a également permis de mettre en évidence : 

• Un dimensionnement juste de l’installation : le jour le plus froid de l’hiver, les trois PAC se sont mises en route et la température de consigne a été atteinte rapidement. Le reste du temps, seules 2 ou 1 étaient en action pour satisfaire les besoins de chauffage.
• Un fonctionnement correct de la cascade des 3 pompes à chaleur avec une permutation circulaire de celles-ci pour les faire « vieillir » au même rythme.
• La nécessité d’arrêter le géocooling lors de la reprise du chauffage. Cet oubli, heureusement repéré grâce à cette instrumentation, a engendré une surconsommation de 10 000 kWh. 1/3 de la puissance d’une PAC était sollicité pour compenser ce refroidissement parasite.

• Hautes performances (COP de 1,4).
• Installation bien dimensionnée.
• Le fonctionnement des pompes à chaleur est conforme à l’annonce constructeur (en termes de performances, de régulation et de modulation).
• Les trois pompes à chaleur fonctionnent simultanément durant les jours froids et suffisent à couvrir l’ensemble des besoins.
• Des performances stables en géothermie grâce à la température constante dans les sondes géothermiques, et ce indépendamment de la température extérieure.