Report
Reference
Retour d'expérience énergétique sur le quartier des Vergers à Meyrin (Genève) - Rapport intermédiaire
SCHNEIDER, Stefan, et al.
Abstract
L'écoquartier des Vergers est un projet ambitieux qui s'inscrit dans la ligne de la politique énergétique du canton de Genève, dont l'objectif est de réduire l'empreinte carbone du parc immobilier. Les 33 bâtiments du quartier sont labélisés Minergie A ou P et sont connectés à un réseau de chaleur alimenté par une pompe à chaleur centralisée de 5 MWth, ce qui constitue la pompe à chaleur la plus puissante du Canton. L'Université de Genève, sous mandat des Services Industriels de Genève, de la Ville de Meyrin et de l'Office Cantonal de l'énergie, effectue un retour d'expérience sur ce quartier pour une période de 4 ans. Ce rapport intermédiaire présente les résultats obtenus à mi-mandat après la collecte de 2 ans de mesures. Le focus est mis sur un aspect de ce retour d'expérience, à savoir la demande thermique et électrique des bâtiments du quartier. Pour des raisons de disponibilité des données, l'évaluation des besoins thermiques annuels se fait sur la partie du quartier raccordée au réseau de chauffage à distance depuis le 1er octobre 2018. Pour les 23 bâtiments du périmètre, [...]
SCHNEIDER, Stefan, et al. Retour d'expérience énergétique sur le quartier des Vergers à Meyrin (Genève) - Rapport intermédiaire. Genève : 2020, 76 p.
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Groupe Systèmes Energétiques
Département F.-A. Forel des sciences de l'environnement et de l'eau Institut des Science de l’Environnement
Uni Carl Vogt – 66, bd Carl Vogt – CH 1211 Genève 4 www.unige.ch/sysener
Retour d’expérience énergétique sur le quartier des Vergers à Meyrin (Genève)
Rapport intermédiaire
Stefan SCHNEIDER Pauline BRISCHOUX Dario SANTANDREA Pierre HOLLMULLER
Mai 2020
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Remerciements
En premier lieu, nous tenons à remercier nos partenaires de projet pour leur intérêt et pour le financement de cette étude : les Services Industriels de Genève, la Ville de Meyrin et l’Office cantonal de l’énergie.
Particulièrement nous remercions Michaël Owsianicki et Fabio Almeida pour le temps qu’ils ont consacré à la mise en place de la transmission des données nécessaires à cette analyse ; Olivier Balsiger de la Ville de Meyrin qui nous a également fourni de nombreux éclairages sur la genèse du projet de l’écoquartier des Vergers. Merci également à Géraldine Chollet de l’OCEN pour sa participation régulière aux groupes de suivis et son intérêt.
De manière générale nous remercions les membres du groupe de suivi pour leur assiduité aux réunions et leurs apports constructifs précieux qui nous servent de fil de conduite pour mener à bien ce suivi énergétique.
Merci spécialement aux répondants qui nous ont donné accès à des données détaillées de leurs bâtiments.
Nous ne les nommons pas explicitement ici pour des raisons de confidentialité.
Nous tenons également à remercier Eric Pampaloni pour tout le temps consacré à la récolte de données complémentaires et aux relevés manuels qui nous sont très utiles.
Merci à nos collègues du groupe « Système énergétiques » de l’Université de Genève avec qui le partage de nos résultats donne toujours suite à des discussions vives et stimulantes.
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Résumé
L’écoquartier des Vergers est un projet ambitieux qui s’inscrit dans la ligne de la politique énergétique du canton de Genève, dont l’objectif est de réduire l’empreinte carbone du parc immobilier. Les 33 bâtiments du quartier sont labélisés Minergie A ou P et sont connectés à un réseau de chaleur alimenté par une pompe à chaleur centralisée de 5 MWth, ce qui constitue la pompe à chaleur la plus puissante du Canton. L’Université de Genève, sous mandat des Services Industriels de Genève, de la Ville de Meyrin et de l’Office Cantonal de l’énergie, effectue un retour d’expérience sur ce quartier pour une période de 4 ans. Ce rapport intermédiaire présente les résultats obtenus à mi-mandat après la collecte de 2 ans de mesures. Le focus est mis sur un aspect de ce retour d’expérience, à savoir la demande thermique et électrique des bâtiments du quartier.
Pour des raisons de disponibilité des données, l’évaluation des besoins thermiques annuels se fait sur la partie du quartier raccordée au réseau de chauffage à distance depuis le 1er octobre 2018. Pour les 23 bâtiments du périmètre, l’énergie soutirée au réseau de chauffage à distance est de 5.9 GWh, dont au moins 3.6 GWh sont attribués au chauffage et 1.9 GWh à l’ECS. En extrapolant au quartier complet, on obtient une demande de à 9.7 GWh. Ceci est proche de l’estimation faite initialement lors du dimensionnement du concept énergétique.
Une forte disparité de demande thermique est observée entre les bâtiments, puisque les besoins totaux pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire varient de 32 kWh/m2.an à près de 110 kWh/m2.an. Les besoins mesurés sont ensuite comparés avec les besoins théoriques. Seule une minorité des bâtiments ont une demande pour le chauffage proche de la demande théorique du justificatif thermique et le plus énergivore a une demande trois fois supérieure. Parmi les 15 bâtiments pour lesquels les valeurs théoriques sont disponibles, environ la moitié a un indice de dépense de chaleur inférieur à la valeur admissible pour la période d’étude. De plus, le seuil de 150% de l’indice de dépense de chaleur admissible est dépassé pour 2 bâtiments, ce qui pourrait conduire à la réalisation d’un audit énergétique si cette tendance persiste.
La demande de chaleur moyenne pour la préparation d’ECS s’élève à 26.1 kWh/m2.an ou 1’220 kWh/hab.an, représentant en moyenne 41% de la demande totale de chaleur du bâtiment. Ces valeurs sont inférieures à la moyenne d’un benchmark effectué sur des bâtiments résidentiels collectifs genevois ainsi qu’à la demande correspondante à la norme SIA. Des disparités sont cependant observées entre les bâtiments. Il semblerait qu’une corrélation existe entre la consommation et le propriétaire/régie, et donc potentiellement la conception et la régulation choisie pour les systèmes d’ECS.
A partir des factures d’électricité, une analyse de la consommation de 14 bâtiments montre que les ménages privés et les services des communs d’immeubles consomment moins que la moyenne genevoise. Pour les ménages, la consommation moyenne est de 1.9 MWh/an.logement aux Vergers alors qu’elle est de 2.3 MWh/an.logement pour le résidentiel collectif genevois. Ceci montre que les ménages sont équipés d’appareils électriques performants. Quant aux communs d’immeuble, ils consomment en moyenne 1.14 MWh/an.logement, soit presque moitié moins que la moyenne genevoise qui se situe à 1.94 MWh/an.logement.
De plus, un bilan électrique plus détaillé est effectué sur 8 bâtiments pour lesquels les répondants ou propriétaires ont accordé l’autorisation d’accéder aux courbes de charge de production électrique de la centrale solaire photovoltaïque. Des indicateurs de performance tels que le taux de couverture solaire et le taux d’autoconsommation sont comparés pour deux typologies de valorisation : le regroupement d’autoconsommateurs et la valorisation uniquement pour les services des communs d’immeuble. En général, les taux d’autoconsommation sont proches des valeurs attendues pour la première typologie, avec des valeurs allant de 40% à 70%. De plus, la production photovoltaïque permet dans ce cas de couvrir environ un tiers des besoins d’électricité du bâtiment. Pour la seconde typologie (communs d’immeuble), les taux d’autoconsommation sont très faibles, de l’ordre de 2%. Ces valeurs viennent du fait que, pour les exemples
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étudiés, la centrale solaire est connectée aux allées du bâtiment dont la consommation électrique des communs d’immeuble est la plus faible. Cela minimise donc grandement le potentiel d’autoconsommation.
Dans la suite de ce retour d’expérience, l’attention sera principalement portée sur les aspects du projet qui n’ont pas encore été traités dans ce rapport, à savoir : (i) le bilan énergétique de l’ensemble de la chaîne de production, distribution et utilisation de la chaleur, (ii) la pertinence de la concurrence entre la production centralisée et décentralisée par pompe à chaleur et (iii) l’aspect économique du projet.
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Table des matières
Remerciements ... iii
Résumé ... v
Acronymes ... ix
Symboles ... x
Introduction générale ... 1
Contexte de l’étude ... 2
1. Le rôle des réseaux thermiques dans la transition énergétique ... 2
2. Le développement des PAC sur CAD en Europe ... 3
3. Contexte genevois de l’approvisionnement thermique des bâtiments ... 6
4. L’écoquartier des Vergers comme projet pilote sur Genève ... 8
4.1 Les objectifs de durabilité ... 8
4.2 Le développement immobilier des Vergers ... 9
4.3 Le concept énergétique ... 10
4.4 Estimation initiale des besoins énergétiques du quartier ... 13
5. Planning du suivi énergétique ... 13
Partie A : Bilan thermique des bâtiments du quartier des Vergers ... 15
1. Description des sous-stations ... 15
2. Analyse de la demande énergétique ... 19
2.1 Périmètre de l’étude ... 19
2.2 Méthodologie ... 19
2.3 Résultats ... 30
3. Synthèse de la Partie A ... 40
Partie B : Bilan électrique des bâtiments du quartier des Vergers ... 41
1. Description des installations photovoltaïques ... 41
2. Benchmark électrique des Vergers ... 44
2.1 Données et méthodologie ... 44
2.2 Résultats ... 46
2.3 Benchmark, conclusion ... 49
3. Bilan PV et autoconsommation ... 50
3.1 Données et méthodologie ... 50
3.2 Résultats ... 53
3.3 Bilan PV, conclusion ... 56
Conclusions générales ... 57
Perspectives... 58
Annexes ... 59
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Liste des figures ... 61 Liste des tableaux ... 62 Bibliographie ... 64
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Acronymes
CAD Chauffage à distance
CAD-BT Chauffage à distance basse température, désigne le réseau des Vergers CADIOM Chauffage à distance par l’incinération des ordures ménagères aux Cheneviers CAD-SIG Chauffage à distance haute température des SIG
COP Coefficient de performance ECS Eau chaude sanitaire FAD Froid à distance
HEPIA Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève IDC Indice de dépense de chaleur
LEn Loi sur l’énergie
OCEN Office cantonal de l’énergie
OCSTAT Office cantonal de la statistique
OFEN Office fédéral de l’énergie
PAC Pompe à chaleur
PDER Plan directeur des énergies de réseau
PLQ Plan localisé de quartier
PV Photovoltaïque
REn Règlement d’application de la loi sur l’énergie ReX Retour d’expérience
SIA Société suisse des Ingénieurs et des Architectes SIG Services Industriels de Genève
SITG Système d’information du territoire à Genève SRE Surface de référence énergétique
SST Sous-station
UNIGE Université de Genève
VDF Ventilation double flux
ZIMEYSA Zone industrielle de Meyrin-Satigny
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Symboles
𝐼𝐷𝐶 Indice de dépense de chaleur réel calculé pour le chauffage et l’ECS
𝐼𝐷𝐶𝑎𝑑𝑚 Indice de dépense de chaleur admissible pour le chauffage et l’ECS, issu des justificatifs thermiques
𝑃𝐺𝑄ℎ,𝑡𝑜𝑡 Ecart de performance en chauffage entre les besoins réels (𝑄ℎ,𝑡𝑜𝑡) et les besoins théoriques (𝑄ℎ,𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡)
𝑃ℎ𝑤𝑤,𝐶𝐴𝐷 Puissance soutirée au CAD des Vergers pour le chauffage et l’ECS 𝑄𝐴𝑐ℎ𝑎𝑡 Electricité soutirée au réseau
𝑄𝐴𝑢𝑡𝑜 Electricité autoconsommée par le bâtiment qui héberge la centrale solaire
𝑄ℎ,𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡 Besoins de chaleur théoriques pour le chauffage avec débit d'air neuf standard selon la norme SIA 380/1:2009, issus des justificatifs thermiques
𝑄ℎ,𝑙𝑖𝑚 𝑆𝐼𝐴 Besoins de chaleur limites pour le chauffage calculés selon la norme SIA 380/1, issus des justificatifs thermiques, c’est-à-dire la valeur maximale de 𝑄ℎ,𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡 autorisée pour que le bâtiment soit conforme à la norme SIA
𝑄ℎ,𝑡𝑜𝑡 Besoins de chaleur réels pour le chauffage, incluant l’énergie soutirée au CAD et, si applicable, l’énergie produite par la PAC sur air vicié
𝑄𝑃𝑉,𝑁𝑒𝑡 Production nette d’électricité photovoltaïque
𝑄ℎ𝑤𝑤,𝐶𝐴𝐷 Chaleur soutirée au CAD des Vergers pour le chauffage et l’ECS 𝑄ℎ,𝐶𝐴𝐷 Chaleur soutirée au CAD des Vergers pour le chauffage
𝑄𝑤𝑤,𝐶𝐴𝐷 Chaleur soutirée au CAD des Vergers pour l’ECS
𝑄ℎ𝑤𝑤,𝑃𝐴𝐶 Chaleur produite par la PAC sur air vicié pour le chauffage et l’ECS 𝑄𝑤𝑤,𝑃𝐴𝐶 Chaleur produite par la PAC sur air vicié l’ECS
𝑄𝑤𝑤,𝑆𝐼𝐴 Besoins de chaleur pour l’ECS théoriques, selon la norme SIA 380/1:2009 𝑄𝑉𝑒𝑛𝑡𝑒 Electricité vendue au réseau
𝑇𝑜 Température de non-chauffage du bâtiment
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Introduction générale
Dans le canton de Genève, le secteur résidentiel est responsable d’environ un quart des émissions totales de CO2 [1]. Afin de réduire cet impact environnemental, la politique énergétique prévoit de réduire la consommation énergétique des bâtiments et d’augmenter la part d’énergie renouvelable utilisée pour l’approvisionnement en chaleur.
L’ambitieux projet de l’écoquartier des Vergers à Meyrin constitue un exemple de quartier durable en accord avec les objectifs de réduction de gaz à effet de serre. Ce quartier dispose en effet d’un approvisionnement en chaleur pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire (ECS) basé presque à 100% sur des ressources renouvelables. De plus, l’ensemble des bâtiments qui le compose sont certifiés Minergie-A ou P et produisent eux-mêmes de l’électricité grâce à des installations photovoltaïques (PV) en toiture et en façade pour un des bâtiments.
L’Université de Genève (UNIGE), sous mandat des Services Industriels de Genève (SIG), de la Ville de Meyrin et de l’Office Cantonal de l’énergie (OCEN) effectue un retour d’expérience (ReX) sur ce quartier sur une période de 4 ans. Le but est d’examiner le système en situation d’usage réel afin de mettre en évidence ses points forts et faibles, de dégager des pistes d’amélioration possibles et d’évaluer le potentiel de généralisation d’un tel concept. Ce rapport intermédiaire présente les résultats obtenus à mi-mandat après la collecte de près de 2 ans de mesures liées aux bâtiments. Bien que davantage d’analyses aient été effectuées à ce jour, il se concentre principalement sur les performances énergétiques des bâtiments du quartier, à la fois thermiques et électriques.
Dans un premier temps, cette étude est placée dans le contexte européen, suisse et enfin genevois. Le rôle des réseaux thermiques dans la transition énergétique en Europe et en particulier à Genève montre que des projets tels que l’écoquartier des Vergers seront appelés à se développer. La genèse du quartier ainsi que son concept énergétique sont ensuite résumés.
Puis, le retour d’expérience à proprement parler est organisé en deux parties. La Partie A présente une analyse de l’aspect thermique du projet, en particulier de la consommation d’une sélection de sous-stations connectées au réseau de chaleur du quartier. Les performances mesurées des bâtiments sont comparées aux performances théoriques des justificatifs thermiques, ce qui offre un éclairage intéressant sur l’écart de performance de bâtiments neufs certifiés Minergie.
La Partie B traite de la consommation et de la production électrique PV d’une partie des bâtiments. En se basant sur des factures SIG, un benchmark général des diverses consommations par secteur d’activité (activités commerciales, ménages privés et services communs d’immeuble) est établi, puis comparé aux moyennes cantonales. Ensuite, une analyse détaillée des courbes de production PV et de consommateurs connectés à la centrale permet d’obtenir des taux de couverture et d’autoconsommation, et ainsi d’évaluer la performance de ces installations.
Enfin, la conclusion de ce rapport résume les résultats obtenus et expose les prochaines études prévues pour la suite de ce retour d’expérience.
Afin de garantir l’anonymat, les bâtiments sont représentés par des codes X1 à X33. Sur demande, un propriétaire/répondant peut contacter l’Université de Genève pour connaître le code correspondant à son bâtiment.
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Contexte de l’étude
1. Le rôle des réseaux thermiques dans la transition énergétique
Au niveau européen, l’énergie finale utilisée pour le chauffage des bâtiments et la production d’ECS représente en moyenne 45% [2] de la consommation totale en 2015. Cette étude faisant partie de Heat Roadmap Europe montre également que la production de chaleur était basée à 66% sur la combustion de carburants fossiles. Réduire les émissions de CO2 liées à la production thermique représente donc un enjeu important. En 2018 la consommation des ménages privés suisses représente presque un tiers de la consommation totale [3] (voir Figure 1). Le chauffage domestique et la production d’ECS représentent 32.4%
des 226 TWh d’énergie finale consommée par la Suisse (en incluant le tourisme à la pompe et le trafic aérien international). Ces chiffres mettent en évidence les enjeux climatiques liés au parc immobilier suisse.
Figure 1 : Consommation d’énergie Suisse pour 2018 décomposée par secteur [3]
Les villes, caractérisées par une forte densité de demande énergétique, sont propices au développement des réseaux thermiques puisqu’il est alors possible d’en tirer les avantages suivants : une fourniture d'énergie à un prix abordable; un substitution facilitée d’énergies fossiles par des ressources alternatives; un développement qui profite à l’économie locale; une amélioration de la qualité de l'air; une réduction des émissions de CO2 et une part accrue d’énergie renouvelable dans le mix énergétique [4]. Entre autres, ces avantages sont liés au fait que les réseaux de chaleur permettent de transporter de la chaleur issue de ressources multiples (Figure 2) jusqu’à l’utilisateur final. Cette vision multi-ressources représente un élément-clé dans l’optique d’accroître la part d’énergie renouvelable, de gagner en flexibilité et d’améliorer l’efficacité.
Ces dernières décennies, les réseaux thermiques connaissent un développement croissant et s’imposent comme une infrastructure fiable pour réduire la dépendance vis-à-vis des énergies fossiles. En Europe, 12%
des besoins de chaleur sont distribués par 6’000 réseaux thermiques selon [2] et [5]. En Chine, cette part représente 30%, avec une longueur cumulée de réseaux ayant doublée entre 2005 et 2011 [4]. En Russie, le chauffage urbain fournit 50% de la demande. La barre des 50% a été également dépassée durant l’année 2010 en Suède [6]. D’autres villes telles qu’Amsterdam, Gothenburg, Londres, Botoşani, Paris, Munich, Milan, Vilnius, Gènes, Varsovie font partie des « Top 45 » villes championnes qui ont installé au total plus de 36 GW de réseau thermique urbain [4].
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Figure 2 : Le chauffage à distance comme réseau multi-ressource pour la distribution de chaleur1
Malgré cette dynamique positive on constate deux choses. Premièrement, un fort potentiel de réduction des émissions de CO2 inexploité. En effet, selon [5] moins de la moitié de la chaleur issue de l’incinération des déchets est actuellement valorisée en Europe. De plus, en Russie 60% des réseaux thermiques auraient besoin d’être réparés ou remplacés afin de réduire les pertes de chaleur [4]. En Chine, les centrales thermiques alimentées en grande partie par du charbon sont encore en cours de modernisation.
Deuxièmement, il existe une forte disparité du pourcentage de chaleur distribuée par réseau en Europe. Dans des pays comme la Suisse, la France et l’Allemagne cette part varie entre 6% et 12%. Par exemple, à Genève 9% (430 GWh) de la chaleur totale est distribuée par réseau de chauffage à distance (CAD) [7]. Au contraire, au Danemark et en Lituanie, plus de 60% de la population est chauffée via des réseaux urbains d’énergie.
Etant donné leur potentiel de réduction des émissions de CO2 important, les réseaux thermiques font ses dernières années l’objet d’une attention accrue y compris en Suisse, comme l’illustre par exemple le projet
« Réseaux thermiques » de Suisse Energie [8]. Au niveau du canton de Genève, une forte volonté politique agit désormais en faveur de leur développement afin d’atteindre les objectifs énergétiques et climatiques.
En effet, en 2014, 90% de la chaleur produite pour le chauffage et l’ECS dans le canton était issue de ressources fossiles. Ceci a mené les SIG, en collaboration avec l’Université de Genève, à élaborer des stratégies pour leurs prestations thermiques à l’horizon 2035 [7]. Les différentes approches proposent notamment de délivrer 16 à 40% de la demande de chaleur à l’aide de réseaux de chaleur. De plus, le Canton élabore actuellement un plan directeur des énergies de réseau (PDER) afin de planifier le développement des réseaux urbains d’énergie et de favoriser l’intégration de sources d’énergie renouvelables.
2. Le développement des PAC sur CAD en Europe
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.
3. Contexte genevois de l’approvisionnement thermique des bâtiments
Le projet DataRen [21] a pour objectif de faire une modélisation spatio-temporelle de la demande d’énergie et des ressources renouvelables. Grâce à cela, il offre une caractérisation précise de la demande énergétique des bâtiments genevois pour le chauffage et la préparation d’ECS. Dans le cadre de ce projet, une collaboration entre les SIG, l’HEPIA et l’UNIGE a abouti sur un modèle thermique qui vient compléter la couche IDC des SITG [22]. Le modèle de calcul [23] combine les informations de la couche IDC, les factures SIG de gaz et une extrapolation statistique pour estimer les 22% de la demande thermique qui n’est pas rapportée par les IDC.
La Figure 4 montre la répartition des 5.51 TWh d’énergie finale par époque de construction des bâtiments obtenue à l’aide de ce modèle. Cette estimation se base sur l’inventaire 2019 du cadastre des bâtiments et est normalisée en degrés-jours de référence de la directive de calcul de l’IDC de l’OCEN [24]. Cette énergie finale est décomposée en pertes, liées au rendement des chaudières, et en énergie utile pour le chauffage et l’ECS. Les carrés noirs représentent l’IDC moyen de chaque catégorie exprimé en kWh/m2.an. On constate une amélioration progressive de la performance moyenne des bâtiments depuis les années 1980, avec un indice moyen qui passe d’un maximum de 150 kWh/m2 à 80 kWh/m2. Un enjeu de taille réside donc dans la rénovation du parc existant.
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Figure 4 : Energie finale pour le chauffage des bâtiments genevois par époque de construction (axe de gauche) et IDC moyen (axe de droite) normalisés suivant les degrés-jours de référence de la directive de calcul de l’IDC [24]
La répartition par agents énergétiques de ces 5.51 TWh d’énergie finale est présentée à la Figure 5 (gauche).
Pour environ 10% de l’énergie, l’agent n’a pas pu être déterminé pour la raison suivante : lorsque l’IDC n’est pas connu, les estimations sont effectuées par EGID (allées de bâtiment). Les chaudières étant souvent partagées entre plusieurs allées du même bâtiment, il n’est alors pas possible de déterminer l’agent pour les EGID sans chaudières. Pour les 90% restants, on voit que le mazout et le gaz répondent à la grande majorité de la demande. De plus, la part CAD est couverte à environ 50% par du gaz. Si l’on suppose que 90% des 542 GWh ayant un agent indéterminé sont également couverts par du gaz ou du mazout, alors on arrive à une fraction de 92% d’énergie fossile pour la production de chaleur de l’ensemble des bâtiments genevois. Il est à noter que les consommations de gaz et de mazout obtenues sont proches des chiffres de la table T 08.03.1.01 de l’OCSTAT [25].
Figure 5 : Energie finale pour le chauffage des bâtiments du parc immobilier genevois par agent (à gauche) et répartition de chaleur produite par PAC par époque de construction (à droite) normalisés suivant les degrés-jours de référence de la directive de calcul de
l’IDC [24]
Bien qu’environ 90% de l’énergie pour le chauffage et la préparation d’ECS soit actuellement issue des énergies fossiles, on assiste à une augmentation importante de la production de chaleur par PAC. Comme le montre la Figure 5 (droite), la quantité de chaleur annuelle produite par PAC connait une forte croissance pour les bâtiments construits après 2000.
Le scénario normatif des travaux de prospective d’évolution du marché de la chaleur à l’horizon 2035 [7]
prévoit en effet une baisse à 62% de la fraction de la demande couverte par des énergies fossiles (voir Tableau 9, scénario EE&RES). Le chemin vers cet hypothétique mix énergétique requière notamment un fort
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développement des réseaux de chaleur qui seraient alimentés à 1/3 par des PAC centralisées. L’écoquartier des Vergers, avec un CAD de quartier alimenté par une PAC centralisée, s’inscrit parfaitement dans ce scénario et représente un pas décisif vers cette transition de l’approvisionnement des bâtiments en chaleur.
4. L’écoquartier des Vergers comme projet pilote sur Genève
L’écoquartier des Vergers situé à Meyrin (GE) est un projet innovant fondé sur des principes de développement durable. L’élaboration de son plan localisé de quartier (PLQ) a débuté en 2007 et a été accepté dans sa version finale en 2015 [26]. C’est un projet important pour la commune de Meyrin, non seulement de par son ampleur puisque sa construction va engendrer une augmentation de 15% de sa population, mais aussi par les objectifs fixés. Voulu comme un projet exemplaire, de nombreuse actions ont été entreprises, notamment le développement du projet à l’aide de démarches participatives permettant d’impliquer les différents acteurs : habitants actuels de la ville, futurs habitants du quartier, constructeurs, etc. [27].
Ce quartier totalise 1'350 logements ainsi que des activités répartis sur 33 bâtiments, tous certifiés Minergie A ou P. Chaque bâtiment est à la fois consommateur de chaleur pour le chauffage et l’ECS via un réseau de chauffage à distance et producteur d’électricité grâce à des panneaux photovoltaïques placés en toiture. Une partie de l’électricité produite est autoconsommée sur place par les bâtiments et le reste est injecté dans le réseau électrique. Le CAD du quartier est en majeure partie alimenté par une pompe à chaleur de source hydrothermale. De plus, le réseau haute température CAD-SIG, dont la chaleur est issue pour la moitié de la valorisation des déchets, vient compléter la production de la PAC en cas de besoin. Le CAD des Vergers est donc presque basé à 100% sur des ressources renouvelables.
Les sections suivantes décrivent plus précisément les objectifs de durabilité fixés pour le quartier, son développement immobilier ainsi que son concept énergétique, sur lequel se focalisera ce rapport.
4.1 Les objectifs de durabilité
Les objectifs d’un écoquartier est d’amener une plus-value du point de vue social et environnemental. Une de ses vocations est par exemple de faciliter échange et solidarité entre habitants, à la fois sur un plan interculturel et intergénérationnel. Pour garantir également un succès du point de vue environnemental, ce quartier est pourvu de bâtiments à très haut standard énergétique, d’une production de chaleur renouvelable et de production locale d’énergie.
Les objectifs les plus importants listés dans le chapitre 5 de [28] sont les suivants :
Aller au-delà du label Minergie et viser l’obtention du label Minergie A (𝑄ℎ𝑤𝑤 ≤ 35 kWh/m2.an).
Utiliser un CAD urbain à basse température alimenté par une PAC centralisée avec source froide sur aquifère. Inclut de la récupération de chaleur fatale des activités industrielles voisines.
Privilégier des matériaux indigènes ou recyclés et des entreprises locales. Minimiser l’usage du béton afin de limiter l’impact de l’énergie grise.
Usage de LED pour locaux communs – consommation en énergie électrique < 10 kWh/m2.an.
Installation dans les logements d’éclairage et appareils électro-ménager de classe A+++.
Sensibilisation et information des occupants.
Affichage des consommations électriques par logement.
Réduction de la consommation en eau potable issue du réseau SIG (-30% par rapport aux consommations habituelles).
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4.2 Le développement immobilier des Vergers
Les informations suivantes ont été extraites de la page officielle de l’écoquartier Les Vergers [29].
Les origines « modernes » de Meyrin remontent à 1922, lorsque se construit la première piste d'aviation de Cointrin. En passant par l’arrivée du CERN en 1954 et à partir des années 1960, Meyrin vit une métamorphose complète. La Commune est choisie par les autorités genevoises pour devenir la 1ère cité satellite de Suisse, construite selon des idées urbanistiques inspirées par Le Corbusier. Le petit village de 3’200 habitants se transforme en une ville de plus de 14’000 habitants qui grandira encore pour héberger 22'000 personnes en 2010. Les nouveaux arrivants, essentiellement des jeunes couples avec enfants, s’investissent dans l’élaboration d’une qualité de vie à Meyrin, transformant cette commune en l’une des plus peuplées et multiculturelle du canton de Genève.
La construction de l’écoquartier des Vergers constitue une nouvelle étape clé dans l’histoire de Meyrin : c’est celle d’un champ d’arbres fruitiers qui deviendra un lieu de vie, d’activités et de partage.
Entre 2014 et 2020, 33 bâtiments ont vu le jour, totalisant environ 1'350 logements ainsi que des surfaces d’activités. Actuellement, quelques bâtiments sont encore en travaux ou en cours de raccordement au CAD et devraient à priori être habités d’ici la fin de l’année 2020. La Figure 6 montre un plan des bâtiments du quartier avec leurs propriétaires et superficiaires respectifs. Le PLQ comprend trois secteurs : Arbères, Vergers et Sports [30].
Figure 6 : Plan de l'écoquartier Les Vergers avec localisation des bâtiments par superficiaires des droits à bâtir de la commune et propriétaires privés [30]
Secteur des Arbères : 13 bâtiments situés au nord du PLQ avec des gabarits allant de R+4 à R+8. Une partie des bâtiments est entièrement destinée aux logements, l’autre est mixte avec des activités au rez-de- chaussée.
Secteur des Vergers : 14 bâtiments situés au sud du PLQ avec un gabarit uniforme de R+4. Une partie des bâtiments est entièrement destinée aux logements, l’autre est mixte avec des activités au rez-de-chaussée.
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Secteur des Sports : 3 bâtiments longeant la route de Meyrin avec un gabarit de R+11 à R+13. L’ensemble des 3 immeubles est mixte. Comprend également 3 bâtiments d’utilité publique incluant école, crèche et salle de sport.
Le plan localisé de quartier No 29'674 [26], arrêté le 23 mars 2015, octroyait initialement 138’939 m2 de droits à bâtir répartis sur 30 bâtiments à usage résidentiel collectif ou mixte. A ce périmètre initial se sont ajoutés 3 bâtiments d’utilité publique. Le total de la surface de référence énergétique de l’ensemble des logements chauffés a été initialement estimée à 162'673 m2 [31]. Après récolte des valeurs de SRE des certificats Minergie et de la couche IDC des SITG [22], il a été possible de consolider les données et de recalculer la SRE totale du quartier. La valeur obtenue s’élève à 170'831 m2.
4.3 Le concept énergétique
Le réseau de chaleur à distance (CAD) des Vergers est présenté sur le schéma de la Figure 7. Il est alimenté par une pompe à chaleur eau-eau Friotherm de 5 MWth maintenant le réseau à 50°C pour assurer le chauffage des bâtiments. Deux fois par jour, la température du CAD est portée à 65oC pour la charge des réservoirs tampons d’ECS situés au sein des bâtiments (batch d’ECS). L’énergie produite par la PAC centralisée est soit délivrée directement aux SST, soit stockée dans deux réservoirs de 20 m3 chacun.
La Figure 8 illustre la régulation de la température du CAD. Sur la gauche, les deux élévations de température journalières correspondent aux batch d’ECS et ont chacune une durée de deux heures. Elles ont lieu de 5h à 7h, le matin et le soir. Le détail d’un batch est décrit sur la droite de la Figure 8, avec en traitillé la température de l’eau provenant du ballon d’ECS de la SST en phase de préchauffage (A) et en finalisation de la charge (B).
L’objectif de ces batch est de maintenir la température du CAD aussi basse que possible le long de la journée et de satisfaire les exigences de température élevée pour la préparation de l’ECS pour une courte durée seulement. Cela permet à la fois de limiter les pertes de chaleur de distribution du réseau et d’optimiser les performances de la PAC. Selon les données du constructeur, le COP de la PAC centralisée est de 4.6 en mode chauffage (50oC) et de 3.6 en mode ECS (65oC) [13].
12.5°C
30/45°C
Pompe à chaleur Puits de Peney
Lac des Vernes
ZIMEYSA (clients froid)
FAD et by-pass Evaporateur
13.5°C
11.5°C
13°C
11°C
Echangeur CAD-SIG Vers CAD-SIG Depuis CAD-SIG
Condenseur
Distribution Appoint CAD-SIG
50/65°C
35/50°C
35/50°C 50/65°C 50/65°C
90/120°C 70°C
5 MWth Tampon
2 x 20 m3
Figure 7 : Représentation schématique du système de production et de distribution de chaleur du CAD des Vergers
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Figure 8 : Illustration de la régulation de température du CAD [32]
Lorsque la PAC ne peut pas combler l’intégralité de la demande de chaleur du réseau des Vergers ou lorsqu’elle est en maintenance, l’appoint est effectué par le réseau haute température (HT) CAD-SIG (visible en rouge sur la droite de la Figure 9). Il alimente également la ville de Meyrin en chaleur grâce à la valorisation de l’incinération des déchets des Cheneviers. Les niveaux élevés de température de ce réseau, proches de 100°C, ne permettent pas d’injecter une éventuelle surproduction de chaleur de la centrale des Vergers vers le CAD-SIG HT. Le transfert de chaleur est donc uniquement possible du CAD-SIG vers le CAD Vergers.
Côté source de la PAC, l’utilisation de la chaleur fatale de la zone industrielle de Meyrin et Satigny (ZIMEYSA) joue un rôle de premier ordre pour atteindre les objectifs de durabilité. En effet, comme le montre la Figure 7, la PAC centralisée puise sa source dans l’eau de trois puits situés dans la région de Peney, pompant de l’eau de la nappe d’accompagnement du Rhône. Cette eau est d’abord acheminée vers des clients avec des besoins de froid de la ZIMEYSA par le réseau de froid à distance (FAD) (en bleu sur la Figure 9), où elle permet de refroidir des bâtiments tels que l’Hôpital de La Tour ou HP. Ensuite, l’eau du FAD alimente la centrale thermique des Vergers, et plus particulièrement l’évaporateur de la PAC. Après son passage dans la centrale, l’eau est finalement rejetée dans le lac des Vernes à partir duquel elle retournera dans le Rhône par le Nant d’Avril (traitillé bleu sur la Figure 9).
En prévision d’une connexion de clients supplémentaires et de la réalisation d’une boucle d’anergie dans la zone ZIMEYSA, une augmentation de la taille des conduites FAD a été réalisée sur le parcours entre la ZIMEYSA et les Vergers. Cette réserve de puissance rend possible une future extension de la valorisation actuelle de chaleur. La valeur nominale du débit est de 690 m3/h [30] et varie selon le besoin des clients FAD avec des valeurs comprises entre 840 m3/h en été et 520 m3/h en hiver (voir annexe 2).
Une vision globale de l’interconnexion des différents réseaux de chaud et froid impliqués dans ce projet (FAD, CAD des Vergers et CAD-SIG HT) est disponible sur les plans de la Figure 9.
Le règlement sur l’utilisation des eaux superficielles et souterraines (L2 05.04 - RUESS) fixe le cadre légal pour l’usage de cette ressource. En général il est stipulé que l’apport ou le prélèvement de chaleur ne doit pas modifier la température moyenne de la nappe de plus de 3°C à 100 m du point de restitution des eaux prélevées. Le cas de l’eau des puits de Peney est particulier. D’une part sa température est augmentée dans un premier temps par de clients avec des besoins de froid. Puis l’eau du lac des Vernes est également alimentée par les eaux claires de la cité de Meyrin et retournera au Rhône par le ruisseau du Nant d’avril. Ces éléments feront que la température de restitution de l’eau sera finalement principalement influencée par des facteurs indépendants de la centrale des Vergers, ce qui a permis d’augmenter la différence de température admissible à 5°C. Ceci fixe finalement la limite suivante : la température de l’eau de rejet dans le lac des Vernes ne doit pas être en dessous 7.5°C [33] en moyenne, ce qui correspond une différence de température d’environ 5°C entre eau extraite et eau rejetée.
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Figure 9 : Plan du réseau FAD de la ZIMEYSA
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4.4 Estimation initiale des besoins énergétiques du quartier
Afin de dimensionner le système, une estimation initiale des besoins énergétiques du quartier a été réalisée.
Elle est fondée sur les hypothèses de calcul suivantes [30] :
SRE totale : 164'595 m2
Bâtiments majoritairement certifiés Minergie-A
Energie utile pour le chauffage : 33 kWh/m2.an, soit 2.8 MW de puissance nominale pour 2’000 h/an
Puissance retenue pour la production d’ECS : 3.3 MW
Puissance totale retenue pour le dimensionnement des équipements : 5 MW
Puissance retenue pour les consommations (ECS + chauffage) : 55 kWh/m2.an, soit 4.5 MW
Les besoins thermiques calculés sur base des hypothèses ci-dessus s’élèvent alors à 9 GWh/an (90% PAC et 10% CAD-SIG). Ces valeurs estimées initialement permettent alors d’établir un point de comparaison avec les besoins réels mesurés décrits à la Partie A , section 2.3.
Il est à noter que les besoins théoriques pour le chauffage et l’ECS de bâtiments majoritairement labellisés Minergie A sont de 35 kWh/m2.an calculés selon la norme SIA 380/1, ce qui donne une consommation d’environ 5.76 GWh/an pour l’ensemble du quartier. L’estimation ci-dessus de 9 GWh/an est donc bien supérieure, probablement choisie de sorte à tenir compte d’un écart de performance par rapport aux valeurs théoriques.
5. Planning du suivi énergétique
L’Université de Genève a été mandaté par les Services Industriels de Genève, la Ville de Meyrin et l’Office Cantonal de l’énergie afin d’effectuer un retour d’expérience sur le quartier des Vergers. Les objectifs principaux de ce suivi énergétique sont les suivants :
Donner aux différents acteurs du projet un feedback sur le fonctionnement du système en situation d’usage.
Mettre en évidence les points forts et faibles, dégager des pistes d’amélioration possibles, et étudier le potentiel de généralisation.
Positionner la valorisation par pompe à chaleur de la ressource hydrothermale par rapport à d’autres ressources (avec ou sans pompe à chaleur, de façon centralisée ou non).
En particulier il s’agira de :
Analyser le fonctionnement du système.
Etablir le bilan énergétique sur l’ensemble de la chaîne de production, distribution et utilisation de la chaleur et de l’électricité utilisée pour la thermique.
Analyser les contraintes de fonctionnement en usage réel des modes de niveau de température différenciés selon les besoins de chauffage ou d’ECS.
Evaluer les performances réelles de la PAC.
Analyser la simultanéité de la production d’électricité photovoltaïque avec les besoins d’électricité de la PAC.
Analyser de manière détaillée les besoins thermiques et électriques de 3 ou 4 bâtiments de typologies différenciées (ventilation simple ou double flux, isolation pour standard Minergie-A ou -P, etc..) et comparer leurs performances.
Comparer les performances du système réel par rapport au projet initial de l’écoquartier.
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Caractériser le taux de couverture en énergie renouvelable, ainsi que sa sensibilité au fonctionnement estival (avec ou sans l’appoint CADSIG).
Analyser le coût de production de la chaleur selon les coûts fixes et variables.
La Figure 10 montre le planning initial du projet. Une première phase a consisté à la récolte de documents permettant d’acquérir une compréhension globale du projet. Le protocole de mesure a ensuite été mis en place après réception des premiers exemples de données au printemps 2018. Après un inventaire des sous- compteurs qu’il est possible de relever manuellement, le protocole est finalisé en septembre 2018 pour 23 sous-stations pour lesquelles un rapatriement automatique de données toutes les 10 minutes fonctionne.
Tous les 6 mois, des groupes de suivis sont organisés afin de faire le point sur le ReX. Ils permettent de présenter l’avancée des travaux et l’échange d’informations entre les différents acteurs impliqués dans le projet.
La fin du projet est prévue pour 2022. Le quartier devant être entièrement bâti aux alentours de l’été 2020, un peu moins de deux années complètes de données incluant l’intégralité des bâtiments seront alors disponibles au moment de la rédaction du rapport final. Si deux ans de mesures de l’ensemble du quartier sont requis, il sera alors nécessaire de poursuivre la récolte de données quelques mois au-delà de la fin de projet initialement prévue.
Figure 10 : Planning du suivi énergétique
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Partie A : Bilan thermique des bâtiments du quartier des Vergers
Cette première partie se focalise sur l’aspect thermique de ce retour d’expérience. Plus précisément, elle présente les résultats d’une analyse de la demande de chaleur des bâtiments connectés au CAD des Vergers.
En complément de la chaleur livrée par le CAD, plusieurs bâtiments possèdent une PAC qui récupère de la chaleur sur l’air extrait du bâtiment pour couvrir une partie de ses besoins. Cette énergie de récupération est également comptabilisée quand les données disponibles le permettent.
Après une description de la typologie des sous-stations du quartier, une analyse globale de la demande énergétique est présentée, incluant la description du périmètre de l’étude ainsi que de la méthodologie adoptée pour la récolte et le traitement des données. La performance réelle des bâtiments est comparée aux besoins théoriques des justificatifs thermiques pour une analyse de l’écart de performance dans du bâti neuf.
1. Description des sous-stations
Les 33 bâtiments du quartier sont raccordés au CAD basse température des Vergers par des sous-stations préfabriquée de type PEWO (voir Figure 12). Chaque bâtiment est équipé de sa propre sous-station. Comme décrit sur le schéma de la Figure 11, elles sont composées d’un échangeur à plaques pour le chauffage et d’une sortie pour la distribution de chaleur pour l’ECS. La régulation de l’alimentation de l’un ou de l’autre de ces éléments se fait à l’aide de deux vannes deux voies en fonction des besoins du bâtiment. Les sous- stations comportent également un compteur d’énergie pour la facturation. Les puissances installées varient en fonction de la taille du bâtiment selon les catégories suivantes : 75 (type A), 140 (type B), 250 (type C) et 430 kW (type D) [31]. La distribution hydraulique se trouvant en aval de la limite de prestation SIG varie d’un bâtiment à l’autre, selon les choix faits par les maîtres d’ouvrage.
Tampon ECS
Compteur CAD
Echangeur chauffage
Echangeur ECS CAD BT
50/65°C
30/45°C
50°C
30°C
35°C
27°C
65°C
45°C
63°C
43°C
ECS 60°C
10/35°C Secteur
chauffage Limite prestation
SIG
Figure 11 : Schéma typique d'une sous-station
16
Figure 12 : Photo d’une sous-station (par A. Roch)
En complément de la chaleur soutirée au CAD basse température, les bâtiments disposent d’un ou plusieurs systèmes de récupération de chaleur permettant de combler une partie des besoins d’énergie. On retrouve à la Figure 13 les différentes typologies de récupération de chaleur utilisées :
Ventilation double flux (VDF) : préchauffage de l’air neuf avec la chaleur de l’air extrait. Soit pour l’intégralité du bâtiment, soit uniquement pour les zones d’activités. La VDF est parfois combinée avec un des autres systèmes de récupération de chaleur qui suivent.
PAC sur air vicié pour l’ECS (PAC ECS) : une pompe à chaleur air-eau utilise l’air extrait comme source pour le préchauffage de l’eau chaude sanitaire (ballon « ECS PAC » sur la Figure 13).
PAC sur air vicié pour l’ECS et le chauffage (PAC ECS-CH) : une pompe à chaleur air-eau utilise l’air extrait comme source pour le préchauffage de l’eau chaude sanitaire (ballon « ECS PAC » sur la Figure 13) et de la boucle de distribution de chauffage.
Le type de récupération de chaleur de chacun des bâtiments du quartier est décrit dans le Tableau 2, ainsi que leurs principales caractéristiques. La Figure 14 montre la répartition des typologies de récupération au prorata des SRE (à gauche) et du nombre de bâtiments (à droite).
Figure 13 : Schéma des principales typologies de systèmes de récupération de chaleur
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Au prorata de la SRE, la typologie VDF est la plus importante et englobe un peu moins de la moitié de la surface totale. La typologie PAC ECS (15 bâtiments sur 33) est la plus représentée au prorata du nombre de bâtiment et de logements dans l’écoquartier. Ce système est considéré comme une alternative intéressante au système VDF, notamment parce qu’il permet de récupérer de l’énergie également l’été. Il peut aussi être intéressant en cas de rénovation car, contrairement à la VDF, il n’est pas nécessaire de poser des gaines supplémentaires pour l’air pulsé. Voici deux exemples d’études qui montrent les enjeux liés à ce système :
Estimation à large échelle du potentiel de récupération de chaleur sur l’air extrait [34]
Deux retours d’expérience sur un système de type PAC ECS sont disponibles dans le rapport du projet COMPARE RENOVE [35]. Le COP saisonnier de ce type d’installation dépend de la température de préchauffage de l’ECS. De très bonnes installations atteignent un COP de 4.8 tout en livrant 70% de la chaleur nécessaire pour la production de l’ECS (Figure 79 du paragraphe B2.3.3 de [35]).
Figure 14 : Répartition des typologies de récupération de chaleur du quartier par SRE (a) et par nombre de bâtiments (b)
L’objectif principal de la présente partie du rapport est d’établir un bilan énergétique annuel de la demande thermique sur un périmètre incluant le plus de bâtiments possible. Les bâtiments étant raccordés au fur et à mesure de leur livraison, le choix d’un périmètre restreint a été effectué selon certaines contraintes détaillées dans la section Partie A 2.1.
En plus des données de consommation réelle, l’accès aux justificatifs thermiques a été possible pour une partie des bâtiments inclus dans ce bilan. Cela a donc permis de mener également une étude sur l’écart de performance de bâtiments neufs, certifiés Minergie, en comparant la demande de chaleur réelle mesurée à la demande théorique des justificatifs thermiques.
SRE Nombre de bâtiments
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Tableau 2 : Principales caractéristiques des sous-stations des bâtiments de l’écoquartier des Vergers avec les catégories de puissance suivantes : 75 (type A), 140 (type B), 250 (type C) et 430 kW (type D) [31]
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2. Analyse de la demande énergétique
Cette section décrit le périmètre d’étude et la méthodologie employée pour réaliser le bilan des besoins thermiques (chauffage et ECS) d’un sous-ensemble de bâtiments du quartier. Les consommations obtenues sont ensuite présentées et les valeurs mesurées sont comparés aux valeurs théoriques.
2.1 Périmètre de l’étude
Certains bâtiments n’étant pas encore raccordés au CAD des Vergers ou habités, il est à l’heure actuelle impossible d’effectuer un bilan annuel sur l’ensemble du quartier. Un périmètre d’étude réduit a donc été sélectionné afin d’obtenir un premier aperçu des performances du quartier. Le choix de 23 bâtiments (Tableau 4) sur les 33 qui composeront le quartier est fondé sur les critères suivants :
Une année de mesure valide est disponible.
Le système de récupération de chaleur est identifié.
La sous-station de raccordement au CAD a été visitée et les compteurs de chaleur présents ont été inventoriés.
Des visites mensuelles ont été effectuées pour relever manuellement des sous-compteurs de chaleur, lorsque le bâtiment en est équipé.
Pour l’ensemble des 23 bâtiments choisis, des données fiables sont disponibles depuis le 1er octobre 2018.
La période étudiée ici s’étend donc du 1er octobre 2018 au 30 septembre 2019 afin d’obtenir une année complète.
Par ailleurs, une analyse comparative de deux périodes hivernales est faite dans le but d’observer l’évolution de la demande thermique. Les deux intervalles de temps choisis pour cette analyse sont les suivants :
Hiver 1 (H1) : du 1er octobre 2018 au 11 mars 2019 (161 jours)
Hiver 2 (H2) : du 30 septembre 2019 au 16 mars 2020 (168 jours)
Les dates ont été choisies suivant les jours pour lesquels des relevés manuels avaient été effectués, d’où le fait que ces deux périodes ne coïncident pas totalement et ne comportent pas exactement le même nombre de jours.
2.2 Méthodologie
Cette section détaille la méthode utilisée pour récolter et traiter les données requises pour estimer la demande thermique des bâtiments du périmètre, à la fois pour les besoins de chauffage et d’ECS. Ensuite, sont explicités les indicateurs utilisés pour comparer cette demande à la demande théorique, dans le but de déterminer si les bâtiments ont une performance qui correspond à leurs valeurs de planification.
Récolte des données
Afin de réaliser cette étude, un certain nombre de données ont été récoltées de sources différentes :
Données détaillées du réseau : Données télé-relevées relatives au CAD des Vergers et aux SST avec une résolution temporelle de 10 minutes.
Relevés mensuels pour la facturation : Relevés mensuels effectués par SIG pour la facturation de la chaleur vendue via le CAD.
Relevés manuels mensuels : Visites mensuelles des sous-stations du périmètre pour compléter les données fournies par SIG avec les compteurs côté secondaires.
Justificatifs thermiques : Demandes théoriques des bâtiments calculées pour les autorisations de construire.
20 Données détaillées du réseau
Pour toutes les sous-stations en exploitation, des fichiers contenant des données télé-relevées avec une résolution temporelle de 10 minutes sont fournis par SIG de manière hebdomadaire. Les points de mesures incluent le compteur de chaleur côté primaire utilisé pour la facturation, la puissance instantanée mesurée par celui-ci, diverses températures et différentiels de pression, ainsi que l’état des deux vannes de régulation de la sous-station (voir Figure 15 et Tableau 3). Suite à une vérification de plausibilité des données, d’éventuelles incohérences ou erreurs sont ensuite communiquées à SIG.
Relevés mensuels pour la facturation
En plus des données détaillées, les relevés mensuels utilisés pour l’établissement de la facturation des clients CAD ont été récoltées auprès de SIG. Ces données ont permis de valider la valeur du compteur de chaleur 𝑄ℎ𝑤𝑤,𝐶𝐴𝐷 transmise automatiquement.
Bâtiment SST
Tampon ECS
Vanne de régulation
Compteur d énergie Capteur de température
Echangeur chauffage
Echangeur ECS CAD BT
50/65°C
30/45°C
50°C
30°C
35°C
27°C
65°C
45°C
63°C
43°C
ECS 60°C
10/35°C Secteur
chauffage Limite prestation
SIG
Taller,prim
Tretour,prim Tretour,Ch
Tretour,ECS
Taller,sec,Ch
Tretour,sec,Ch
VCh
VECS
Qhww,CAD Dprim
Figure 15 : Points de mesure des données récoltées auprès de SIG
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Tableau 3 : Liste des points de mesure des sous-stations
Relevés manuels mensuels
Les données des sous-stations fournies par SIG sont complétées par des relevés manuels pour consolider les résultats obtenus à l’aide de données télé-relevée automatiquement toutes les 10 minutes. Les sous-stations concernées ont été visitées mensuellement afin de noter les valeurs du compteur de facturation SIG et des sous-compteurs de chaleur décrits dans le Tableau 4, lorsqu’ils sont présents. Cela apporte d’une part une certaine redondance dans les données, utile par exemple en cas de problème de communication des compteurs. D’autre part, cela permet de disposer de davantage d’informations sur les consommations des bâtiments, telle que la distinction entre l’énergie soutirée du CAD pour le chauffage ou pour l’ECS, grâce aux sous-compteurs qui ne sont pas télé-relevés.
Les listes des bâtiments du périmètre d’étude ainsi que l’inventaire des compteurs de chaleur à disposition pour chaque sous-station sont présentés dans le Tableau 4. Le schéma de la Figure 16 indique l’emplacement des différents compteurs mentionnés dans ce tableau. Les entrées avec « NA » (Non applicable) correspondent à des bâtiments qui ne sont pas équipés d’une PAC sur air extrait, ce qui rend donc impossible la présence d’un tel compteur de chaleur.
Cette campagne de relevés, ainsi qu’une première évaluation de la demande thermique a fait l’objet d’un travail de Master Universitaire en Sciences de l’Environnement (MUSE) réalisé par l’étudiant Antoine Roch entre octobre 2018 et septembre 2019.
