Le système peut être schématisé comme suit (Figure 5) et les divers sous-systèmes sont décrits plus loin :
Figure 5 : schéma simplifié du système complet
En complément à la géothermie, la production de chaleur des deux réseaux est assurée par un ensemble de chaudières à gaz. La récupération de chaleur par condensation des fumées, qui s’effectue à une température trop basse pour être valorisée directement sur les réseaux, est acheminée vers un réservoir à température tiède. Cette chaleur est utilisée soit directement comme source froide pour la PAC, soit pour la recharge des sondes géothermiques, qui constituent la deuxième source froide de la PAC. La production de la PAC alimente le retour du réseau Laurana, via un accumulateur de chaleur, qui permet une gestion différenciée des débits de la PAC et du réseau Laurana (séparation hydraulique).
Mélangé à celui de Trois-Chêne, le retour du réseau Laurana repart enfin vers les chaudières à gaz, qui fournissent le complément de chaleur nécessaire à ramener ces réseaux à leurs températures de départ. Finalement, étant donné que la production de la PAC est injectée sur le retour Laurana, puis mélangé au retour Trois-Chêne, notons qu’elle est de fait
« diluée » sur l’ensemble des deux réseaux.
Les divers sous-systèmes sont décrits ci-après.
3.1.1 Chaudières Gaz avec récupération
Durant l’année 14-15, deux chaudières étaient installées avec une puissance respective de 1.15 et 3.33 MWth. Une troisième chaudière de 5.3 MWth a été mise en service durant l’hiver 2015-2016. Chacune de ces chaudières est équipée d’un récupérateur à condensation à deux étages de la marque Ygnis (TotalEco modèles Bi) qui permet de récupérer une partie de l’énergie contenue dans les fumées.
Ces échangeurs fonctionnent en cascade avec le premier échangeur qui récupère la chaleur sensible des fumées jusqu’à environ 60°C (en réchauffant le retour réseau) et le second échangeur qui récupère essentiellement la chaleur latente de l’eau contenue dans les fumées en les condensant (grâce au réservoir d’eau tiède). Le point de rosée du gaz naturel étant d’environ 57°C, la température du réservoir de 20-30°C permet d’atteindre une très bonne efficacité de condensation et d’augmenter le rendement global de la chaudière.
En terme environnemental, le fait de condenser à basse température augmente la quantité de condensats et les besoins de neutralisant pour le traitement de ces condensats.
3.1.2 Réservoir
Le réservoir de 800 m3 permet un découplage hydraulique entre la récupération de l’énergie des fumées et le système de PAC/sondes géothermiques. Ce réservoir était avant 2011 la citerne à mazout (voir Figure 3). L’intérieur a été refait, permettant une très bonne étanchéité et très peu de pertes de chaleur dans le sol. Un modèle de perte a montré sur le bilan annuel global une perte plus faible qu’un pourcent.
Des calculs simplifiés permettent d’affirmer que le stock d’énergie des sondes géothermiques1 est au moins 250 fois plus grand que le stock d’énergie du réservoir2. Ce qui signifie que le réservoir fonctionne comme un stock tampon de type journalier3 mais pas comme un stock saisonnier. Ce réservoir permet de contrôler la température réellement injectée dans les sondes géothermiques (maximum 20°C dans les sondes et maximum 30°C dans le réservoir – SIG, 2013).
3.1.3 Sondes géothermiques
La place à disposition pour les sondes géothermiques était limitée par la taille de la parcelle 4080 ainsi que par les parkings déjà construits sur le nord de cette parcelle (voir Figure 3).
Ainsi, les sondes géothermiques ne pouvaient être installées qu’autour de l’immeuble 7-9 Deux-Communes. Il a finalement été réalisé 45 sondes de 300 mètres dont seules 44 sont fonctionnelles (soit 13'200m de longueur de sondes). L’espacement moyen est de 10 à 15 mètres selon les sondes étant donné la configuration complexe du périmètre à disposition.
Les simulations effectuées en 2010 avec le logiciel PileSim avaient évalués un dimensionnement optimal des sondes à 300m avec 40 unités, un espacement moyen de
1 Rayon de 3m autour des 44 sondes de 300m ≈ 373'000 m3 de terrain à 2.3 MJ/m3/K, soit 860 GJ/K
2 Réservoir d’un volume de 800'000 litres à 4.18 kJ/kg/K ≈ 3.35 GJ/K
3 Energie de la récupération de gaz journalière ≈ 2’050 kWh (de 580 à 4'500), soit 7.4 GJ/jour
10m et une PAC de 240 kW avec un COPA de 3 (PAHUD, 2010). L’objectif de ce type de simulations est de dimensionner le système pour rester à l’intérieur des limites prédéfinies par la norme SIA 384/6, laquelle exige un calcul avec des températures minimales pour le fluide caloporteur après 50 ans de fonctionnement (SIA, 2010). Cette exigence conduit de facto à dimensionner le champ de sondes géothermiques pour qu’il soit épuisé après 50 ans de fonctionnement. Cependant, selon l’usage réel ou à la fin de la période, il est toujours possible de redimensionner différemment le système pour le faire perdurer au-delà de 50 ans. Le terme « épuiser » ne signifie donc pas que les sondes ne peuvent plus être utilisées après 50 ans. Une utilisation moins intensive des sondes est toujours possible par la suite Un test de réponse thermique du terrain a été effectué en 2010 avec une sonde test (SWISS GEO TESTING, 2010). La conductibilité thermique moyenne de la couche de terrain était de 2.38 W/m/K avec une température moyenne initiale de 16.5°C.
Les sondes géothermiques sont de type double-U avec des tubes en polyéthylène. A Laurana-Parc, le fluide caloporteur est de l’eau (sans antigel).
3.1.4 PAC
La pompe à chaleur installée à Laurana-Parc est une PAC à condensation avec compresseur à vis de la marque Carrier (30HXC 080 – option 150 version haute température non réversible). Le liquide frigorigène est du R134a, hydrocarbure halogéné de formule brute C2H2F4. C’est un composé de la classe des hydrofluorocarbures (HFC) qui n’a pas d'impact sur la couche d'ozone mais qui contribue à l'effet de serre en cas de fuites4.
Cette PAC possède 6 étages de puissance en tout (puissance minimum de 19%), une puissance calorifique nominale de 327 kW et un COP nominal de 4.30. Cette puissance nominale dépend en réalité de la température d’entrée d’eau à l’évaporateur (côté source froide) et de la température de sortie au condenseur (côté accumulateur). Elle est calculée par le constructeur avec des températures standard de 10°C côté évaporateur et de 45°C côté condenseur. La température de sortie maximum au condenseur est théoriquement de 63°C. La température d’entrée maximum à l’évaporateur est théoriquement de 16°C.
Les performances en conditions réelles de la PAC installée à Laurana-Parc montrent une température d’entrée moyenne dans l’évaporateur plus élevée (de l’ordre de 14-16°C) et une température de sortie au condenseur d’environ 60°C, ce qui devrait aboutir à une puissance calorifique nominale de 338 kW et un COP nominal de 3.45. C’est cette puissance nominale de 338 kW qui est pris en compte dans la suite de ce rapport.
3.1.5 Accumulateur
4 Potentiel de réchauffement global (GWP) de 1'430
Dans le cas de Laurana, on observe que le débit côté condenseur est à peu près le même que côté évaporateur et correspond aussi au débit sortant du réservoir (débit passant dans les sondes géothermiques). Ce débit est d’environ 55 m3/h du réservoir à l’accumulateur lorsque la PAC fonctionne.
3.1.6 Réseaux Laurana et Trois-Chênes
Comme expliqué dans l’historique (voir partie 2.1), deux réseaux hydrauliquement séparés sont alimentés par la même chaufferie : le réseau Laurana et le réseau Trois-Chênes.
L’extension en cours du réseau Trois-Chênes explique que ses caractéristiques changent au fur et à mesure du temps.
On donne ci-après quelques caractéristiques générales des réseaux au début et à la fin du suivi énergétique (1er octobre 2014 et 30 septembre 2015 – voir Tableau 1).
Unité LAURANA Trois-Chênes
Tableau 1 : caractéristiques des réseaux Laurana et Trois-Chênes5
Pour clarifier la terminologie, trois types de puissances mentionnées sont définies ici :
Les puissances souscrites par les SST correspondent aux puissances facturées par SIG à chaque sous-station comme taxe de base. Autrement dit, il s’agit pour le gestionnaire de réseau de réserver cette capacité de production pour chaque client final.
Les puissances installées en SST (ou capacité nominale) sont généralement plus élevées que les puissances souscrites, le gestionnaire de réseau conservant ainsi une marge de manœuvre pour gérer son réseau.
5 Logements et habitants issus de la couche OCS_POPULATION_ADRESSE du SITG.
Enfin, la puissance consommée par chaque SST à une température de référence (souvent -8°C ou -10°C) est évaluée via la signature énergétique du bâtiment.
A noter que lors de la mise en service en 2011, la puissance souscrite sur Laurana-Parc était de 2’920 kW. Suite à des plaintes de certains propriétaires et à l’analyse des puissances consommées (voir partie 3.4.2), cette puissance a été réduite à 2'660 kW dès mai 2014 (soit avant le début de l’année 14-15).
Les longueurs de réseaux sont faibles par rapport aux puissances souscrites (et donc aux énergies vendues), ce qui implique une densité élevée (7.3 MWh/m tracé/an ; voir partie 3.2.3) liée au caractère très urbain de ces réseaux. A titre d’information, la moyenne suisse est de 3.5 MWh/m tracé/an (EUROHEAT&POWER, 2015).
En terme de logements et d’habitants, le ratio de l’ensemble du périmètre est d’environ 2.2 hab/log, avec une moyenne de 40 m2 SRE/hab, ce qui est plus faible que la moyenne cantonale mais standard pour ce type de grands ensemble des années 60-80 (KHOURY, 2015).