Les ressources renouvelables de chaleur sont nombreuses, mais sont liées à des contraintes de lieu et de niveau de température. La température de la chaleur issue de rejets industriels, de cours d’eau, de géothermie de faible profondeur ou même superficielle est souvent trop basse pour être directement injectée dans un CAD qui transportera la chaleur vers son usager final. Pour cette raison, les pompes à chaleur constituent un maillon clé du système qui élèvera la température au niveau requis.
Pour que ce processus soit le plus efficace possible, une attention particulière doit être portée aux niveaux de température, à la fois de la source d’énergie et du réseau de chaleur. En effet, plus l’écart entre la température de la source et la température de production de la PAC est faible, meilleure sera sa performance. Un des objectifs est donc d’avoir un CAD avec un niveau de température le plus bas possible.
1 Ecoheat4U illustration. https://www.euroheat.org/our-projects/ecoheat4eu/
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Cela permet alors non seulement de disposer de conditions d’opération favorables pour la PAC, mais aussi de limiter les pertes de chaleur de distribution [9].
Le niveau de température est conditionné par la nature du bâtiment connecté. Des bâtiments récents, munis d’une enveloppe thermique performante et de chauffage au sol peuvent se contenter d’une température d’alimentation du CAD de 30 - 40oC, alors que des bâtiments faiblement isolés munis de radiateurs peuvent nécessiter jusqu’à plus de 70°C [10]. On comprend donc aisément le défi lié à la connexion d’un parc immobilier très hétérogène, dont le corollaire est que le niveau de température requis pour l’ensemble du CAD correspondra à celui du « pire » bâtiment. Dans le cas de l’écoquartier des Vergers, tout le parc est composé de bâtiments neufs labélisés Minergie A ou P, équipés de chauffage au sol. Le niveau de température du CAD alimentant ce parc peut donc être faible pour le chauffage. Il reste cependant une contrainte liée à la production et au stockage de l’ECS, qui quant à elle requiert un niveau de température plus élevé afin d’éviter la prolifération de légionelles. Selon la norme SIA 385/1:2011 [11], l’eau à la sortie des ballons de stockage des bâtiments doit pouvoir atteindre 60°C. Ceci implique donc d’avoir d’une température d’alimentation du CAD d’environ 65°C.
En Europe, et particulièrement dans les pays scandinaves, l’usage de PAC pour approvisionner les réseaux de chaleur se développe dans le but de valoriser de la chaleur issue de sources très diverses. En Suède par exemple, près de 7% de la demande de chaleur des réseaux est actuellement fournie par des PAC. De plus, entre 2001 et 2016, 65 PAC de plus de 1 MWth ont été installées sur des réseaux de chaleur, comptabilisant environ 353 MWth répartis sur 7 pays européens [9].
Les données issues d’une étude portant sur 94 réseaux de chauffage à distance alimentés par des PAC [12]
ont permis de réaliser la Figure 3. Parmi les 21 champs caractérisant chaque projet, seuls ceux décrits dans le Tableau 1 ont été utilisés. Les valeurs prévues pour le projet des Vergers ont également été ajoutées à cette base de données afin de le positionner dans un cadre plus large. Pour cela, la température moyenne de la ressource et la température de distribution du CAD sont supposées égales à 12oC et 50oC (mode chauffage), respectivement, ce qui correspond donc à une élévation de température moyenne de 38oC.
Tableau 1 : Champs principaux extrait des données de l’étude sur les CAD alimentés par PAC
En complément, une efficacité technique a été calculée, égale au rapport entre le COP et le COP Carnot selon l’équation (1) pour chaque projet. La différence de température (Delta T) pour l’évaluation du COP Carnot correspond à l’écart entre la température de distribution du CAD (𝑇𝐶𝐴𝐷,𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟) et la température moyenne de la ressource (𝑇̅𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒).
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡= 𝑇 𝑇𝐶𝐴𝐷,𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟 (1)
𝐶𝐴𝐷,𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟 − 𝑇𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒
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Figure 3 : COP (à gauche) et efficacité technique (à droite) de différentes installations de PAC sur CAD en fonction de l’élévation de température entre la ressource d’énergie et la distribution du CAD (Delta T). Les valeurs des Vergers correspondent aux valeurs
projet en mode chauffage [13].
La Figure 3 représente le COP (à gauche) et l’efficacité technique (à droite) de chaque installation en fonction de l’élévation de température entre la ressource et le CAD. La taille des points est proportionnelle à la puissance thermique nominale de la PAC et leur couleur indique la température d’alimentation du CAD.
Certaines valeurs ne sont à priori pas réalistes comme celles affichant une efficacité technique de plus de 75%. Elles sont probablement dues à un Delta T inexact ou non représentatif par rapport au fonctionnement réel de l’installation. Néanmoins dans l’ensemble les données montrent une bonne cohérence avec un COP inversement proportionnel à l’élévation de température. L’efficacité technique augmente aussi avec le Delta T ce qui est intuitivement compréhensible.
Les puissances des PAC des projets présentés sont très diverses, allant de quelques MWth à plusieurs dizaines de MWth. Avec 5 MWth, la PAC des Vergers se situe donc dans la fourchette basse de puissance comparée à des capacités de 100 MWth comme celle de Gothenburg. De plus, elle produit de la chaleur à une température relativement faible (50°C), ce qui est le cas de peu d’installations pour cette étude, bon nombre d’entre elles alimentant des CAD à 80-90°C.
Avec une valeur projet de 4.6 en mode chauffage [13], le COP prévu pour la PAC des Vergers fait partie des plus élevés puisque moins d’une dizaine de projets parmi les 94 présentent des valeurs supérieures. De plus, le COP moyen sur l’ensemble des cas de la Figure 3 est de 3.8. L’efficacité technique de la PAC des Vergers se situe quant à elle dans la moyenne avec une valeur de 55% contre 57% en moyenne.
Ainsi, la PAC des Vergers est plutôt une petite installation, alimentant un réseau à basse température avec une efficacité technique proche de la moyenne et un COP élevé grâce à la faible différence de température entre la ressource et le CAD.
Exemples de CAD alimentés par PAC en Suisse
En Suisse, de plus en plus de projets de PAC sur CAD ont vus le jour. Par exemple, le réseau multi-ressources de Riehen qui utilise une PAC pour permettre une meilleure valorisation d’une ressource géothermique de basse enthalpie [14]. Il y a également le premier retour d’expérience proposé dans le projet REMUER consistant à rénover la centrale du quartier Laurana-Parc [15] afin d’intégrer des sources de chaleur renouvelables au réseau. La chaufferie alimentait auparavant le CAD du quartier principalement par des chaudières à mazout. La rénovation, accompagnée d’une extension du CAD, a permis de remplacer ces chaudières par des chaudières à gaz avec récupération de la chaleur de condensation des fumées, ainsi
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qu’une PAC prenant sa source dans un champ de sondes géothermiques. A moyen terme (10-15 ans), il serait envisageable de réaliser une substitution par d’autres ressources énergétiques renouvelables locales (géothermie moyenne profondeur et hydrothermie) [16].
Le quartier Greencity à Zurich, livré en 2020, est le premier quartier durable de la ville selon les principes de la Société à 2000 watts [17]. Tous les bâtiments d’habitation (750 logements) visent les labels Minergie (Rénovation) et Minergie P-ECO et les bâtiments de bureaux quant à eux sont labellisés LEED Core & Shell, niveau Platine. D’ici 2020, il est prévu de couvrir la totalité de la demande thermique (surface nette de 161'500 m2, 5.8 GWh/an selon [18]) avec des énergies renouvelables [19]. La distribution de chaleur et de froid repose sur un réseau d’anergie alimenté par des PAC puisant leur source dans des eaux souterraines et des sondes géothermiques. La chaleur récupérée en été est stockée dans le sol, puis réutilisée en hiver, afin d’équilibrer les charges tout au long de l’année. De plus, l’électricité photovoltaïque non consommée localement peut être injectée dans le réseau ou utilisée pour recharger des véhicules électriques [17].
D’autres projets suisses sont également décrits dans les fiches de l’Annexe 47 de l’IEA HPT [20]. Par exemple, le quartier résidentiel de « Hintere Haumatt », dans le canton de Berne, où deux PAC utilisent l’eau de la rivière comme source d’énergie pour chauffer 187 appartements et 57 ateliers. Ou encore le projet
« Oberfeld, Ostermundigen », pour lequel une centaine de logements labélisés Minergie P-ECO sont chauffés par une PAC géothermique sur CAD. De plus, les puits géothermiques sont alimentés par la chaleur de panneaux PV/T dans le but de stocker de l’énergie et d’augmenter le rendement de la PAC.