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12 maart 2020

Le mariage parfait entre l’activation du noyau de béton et la géothermie

Un climat intérieur confortable peut rarement s’obtenir sans chauffer ou rafraîchir l’espace. Le CSTC – et plus particulièrement le groupe de recherche Smart-Geotherm –  a effectué une recherche sur les méthodes de captage de l’énergie thermique (froide ou chaude), son stockage temporaire et sa restitution à la demande pour rafraîchir ou réchauffer. D’après les résultats, il ressort clairement que la géothermie combinée à l’activation du noyau de béton peut être une technologie efficace et d’avenir pour obtenir un climat de vie et de travail idéal, été comme hiver.

 

Géothermie

La géothermie est le captage de la chaleur du sous-sol. La température du centre de la Terre atteint quelque 5.000°C. En Belgique, à partir d’une profondeur de 18 mètres règne une température d’équilibre de 10° à 12°C. Dans le sous-sol ‘non profond’ -jusque 500 m – se trouve également une quantité considérable d’énergie thermique qui se renouvelle constamment. La récupération de chaleur dans les couches terrestres les plus proches (jusque 2.500 m) est appelée ‘géothermie peu profonde’. A partir de 2.500 m, il est question de ‘géothermie profonde’. Dans les deux cas, la pompe à chaleur joue un rôle dans le processus de captage. Cette partie de la géothermie est cruciale pour le lien positif avec l’activation du noyau de béton.

Principe générale d’une installation de pompe à chaleur

Dans les essais de cette recherche, il a seulement été question de géothermie peu profonde. Nous n’aborderons pas ici les différents systèmes en application – ouvert ou fermé. Vous pourrez les lire sur smartgeotherm.be (en néerlandais exclusivement) ou dans BETON 229 (2015).

Facteur de gain de la pompe à chaleur

Le facteur de gain d’une pompe à chaleur (Coefficient of Performance, en abrégé COP) indique combien d’énergie est générée avec 1kWh d’énergie consommée. La consommation d’une pompe à chaleur est principalement déterminée par la différence de température à obtenir entre la source de chaleur et le système de distribution de chaleur. Plus la différence est faible, plus le COP est élevé.

Dans le chauffage par le plafond et par le sol la température du système d’alimentation sera beaucoup plus basse (30 à 40 °C) qu’avec des radiateurs et convecteurs (50 à 70°C). Avec l’utilisation de la géothermie, la température de la source de chaleur est relativement élevée. La différence étant faible, il en résulte que le COP de la pompe à chaleur en combinaison avec la géothermie et l’activation du noyau de béton peut atteindre 5,7. Dans le cadre de cette étude, le COP a été limité à 5, soit la valeur définie par la norme.

Une pompe à chaleur est donc particulièrement adaptée à des systèmes de distribution de chaleur qui fonctionnent à des températures faibles ou très faibles

Stockage de chaleur

Un paramètre important pour pouvoir utiliser le chauffage par le sol à de basses températures d’alimentation, est la capacité thermique de la surface de destination. Le stockage thermique n’est possible que si le matériau en question peut stocker suffisamment d’énergie et peut la retenir une certaine période, pour la restituer plus tard à la surface, en fonction de la température de l’espace. Nous appelons cela l’’inertie thermique’ ou la ‘masse thermique’. En cela il est également important que la masse thermique soit ‘accessible’ pour l’énergie thermique. Concrètement, il est indispensable de se passer de matériaux de finition isolants, de planchers surélevés ou de faux plafonds. Le matériau doit pouvoir ‘rayonner’ la chaleur (ou le froid).

Le béton a une capacité suffisante de stockage temporaire de la chaleur. La vitesse avec laquelle l’acier se réchauffe ou se refroidit est, par exemple 15 fois plus grande que celle du béton. C’est ainsi que l’utilisation de l’inertie thermique peut réduire les besoins en chaleur et rendre inutile la demande en rafraîchissement complémentaire. Mais si le bâtiment a une capacité thermique insuffisante, ou ne peut pas suffisamment évacuer l’énergie stockée pendant la nuit, il est possible d’activer thermiquement la masse du bâtiment.

Activation

En intégrant dans le noyau du plancher ou de la paroi en béton des conduites d’eau, l’énergie thermique stockée peut être évacuée rapidement, ce qui augmente la capacité de refroidissement de la masse. On parle d’activation du noyau de béton (ANB) 

L’activation du noyau de béton fonctionne en autorégulation. Selon que la différence entre la température de la pièce et la température de la surface du béton augmente, la capacité de stockage ou de restitution de la chaleur augmente.

Le transfert de chaleur s’arrête donc aussi lorsque la pièce risque de devenir trop froide (refroidissement) ou trop chaude (chauffage). Dans l’autre sens, la capacité disponible augmente lorsque la pièce devient trop chaude en phase de refroidissement ou trop froide en phase de chauffage

Pendant la saison de rafraichissement les avantages de hautes températures d’alimentation peuvent être importants si grâce à l’activation du noyau de béton le ‘free geocooling’ peut être utilisé. Si, pour refroidir le bâtiment seule la pompe de circulation doit tourner et que de l’eau de l’échangeur de chaleur peut être utilisée sans passer par le système de refroidissement, un ratio très élevé d’efficacité énergétique (REE) peut être atteint. Pour chaque unité d’énergie électrique utilisée, il y a, selon la situation spécifique, de 10 à 20 unités de chaleur qui peuvent être évacuées. 

Ce refroidissement géothermique fonctionne aussi avec d’autres systèmes, comme le refroidissement par le sol, le plafond ou parfois avec des poutres surdimensionnées, mais alors, la température de l’eau de refroidissement ne peut malgré tout pas dépasser 18°C.

Etude de cas

L’intérêt crucial du COP de la pompe à chaleur dans le captage de la chaleur du sol d’une part et la caractéristique de la capacité de stockage de chaleur du béton, d’autre part, permettent de supposer que l’activation du noyau de béton au moyen de la géothermie constitue un système HVAC durable et d’avenir. Grâce à sa grande surface d’échange de chaleur, si on la compare avec des radiateurs, une faible différence de température entre le système d’alimentation (l’ANB) et l’espace suffit.

Les chercheurs de Smart-Geotherm ont réalisé une étude limitée sur le stockage thermique dans différentes circonstances. Pas de manière statique comme dans la PEB, encore moins selon un programme dynamique de simulation de bâtiment, qui nécessite beaucoup de paramètres et de données. Comme solution intermédiaire, ils ont choisi un modéle réduit qui peut être focalisé sur l’influence des résistances de chaleur (R) et capacités de chaleur (C) dans le système climat-air zonal- paroi-et-système d’émission

Pour cette étude de paramètres limitée, ils appliquent un tel modèle RC à un espace de bureau ouvert avec un étage intermédiaire d’une tour de bureaux et avec différents paramètres, à savoir l’activation du noyau de béton par rapport à des radiateurs, une structure légère par rapport à une structure en béton, avec ou sans refroidissement de nuit.

La figure 1 montre la consommation d’énergie du cas étudié, avec les différentes alternatives. La figure 2 montre   le coût annuel de l’énergie pour les différentes alternatives.

Consommation d’énergie annuelle pour un système de chauffage rapide sans ventilation de nuit

En janvier et décembre la demande brute en chauffage (y inclus les pertes d’alimentation et de réglage) est de 8 % plus élevée pour une structure lourde, mais celle-ci est largement récupérée au printemps (mars-mai) et en automne (septembre-octobre), ce qui permet de réduire les besoins en énergie tant pour le chauffage que le refroidissement, grâce à un meilleur tamponnage des gains de chaleur. 

Sur l’année entière, grâce à la structure lourde, 11,5 % d’énergie en moins est consommée pour le chauffage et 17,7 % en moins pour le refroidissement. 

ANB avec structure légère ou lourde

Nous voyons à peine une différence entre les immeubles de bureaux avec des parois légères ou lourdes. Les planchers et les plafonds sont de toute manière lourds puisque l’activation du noyau de béton est utilisée. L’activation thermique de la structure de béton (ATSB) constitue donc ainsi le gros de la capacité de chaleur et les parois ne jouent plus qu’un rôle limité. (Figure 13)

Comparaison de l’ANB avec système d’alimentation rapide

La différence entre structure lourde et légère est pertinente, lorsqu’un système d’alimentation rapide est utilisé. Avec les systèmes d’alimentation rapides, une structure lourde donne une différence en coût d’énergie de 16 % par rapport à une structure légère (100-84)

Comme l’activation du noyau de béton est pilotée de sorte que le chauffage et le refroidissement le même jour soit contrée et que la masse de béton travaille le plus possible de manière passive, nous voyons la différence se réduire au cours des saisons intermédiaires. Sur toute la durée de la saison de chauffage, les bureaux avec ATSB n’ont qu’un besoin supplémentaire de chaleur de 6% pour les structures légères et de 18 % pour les structures lourdes. Lors des saisons de refroidissement, les ATSB prestent même 10 % mieux que les systèmes de refroidissement dans une structure légère, mais encore 10 % moins bien que les bâtiments lourds où la masse thermique peut être utilisée passivement.

Effet du refroidissement de nuit en cas d’ANB

En été, la capacité de chaleur d’un bâtiment tant léger que lourd est pleinement utilisée et chargée. Nous pouvons essayer de décharger la structure par le biais d’une ventilation de nuit. Celle-ci doit faire en sorte que la structure perde sa chaleur au profit de l’air plus froid, de sorte que dès le matin la capacité de tamponnage libérée puisse de nouveau être utilisée.

Pour les structures légères, la température baissera relativement rapidement au cours de la nuit. Il faudra faire en sorte que la nuit, le thermomètre ne descend pas sous la température de confort, faute de quoi, le matin le chauffage devra être remis en service.

Dans une structure lourde une capacité de chaleur importante est disponible et la température baissera plus lentement durant la nuit. La ventilation de nuit pourra ainsi se poursuivre toute la nuit pour enlever beaucoup plus de chaleur de la structure. Le jour, une plus grande capacité de tamponnage redevient disponible pour capter les gains de chaleur.

Un rafraîchissement passif supplémentaire via la ventilation de nuit est une option qui peut rendre service à un bureau avec ATSB ; elle améliore dans ce cas surtout l’équilibre entre les besoins en chaleur et en refroidissement, ce qui peut être favorable aux installations géothermiques. Un système de stores performant pourrait permettre un résultat équivalent.

Si nous étudions l’effet de la ventilation de nuit sur les structures légères et lourdes, chaque fois équipées d’ANB, nous constatons une légère augmen-tation de 2 % des besoins de chauffage, mais une réduction de respectivement 42 et 44 % des besoins en refroidis-sement.

Conclusion générale

L’étude de cas – que nous avons résumée ici – montre qu’avec des système d’alimentation rapides une structure lourde génère par rapport à une structure légère une différence de coût d’énergie de 16%

La ventilation de nuit permet de réduire le coût en refroidissement des structures légères de 23%. Dans les structures lourdes, ce coût diminue de 47%. Plus important encore est que l’utilisation de l’activation du noyau de béton, permet de réduire le coût en énergie jusqu’à 61% par rapport aux systèmes rapides. Il n’y a dans ce cas pratiquement plus de différence entre les structures légères et lourdes. Grâce à l’utilisation d’éléments activés, la capacité de tamponnage thermique présente dans les sols en béton est suffisante. Même l’application de la ventilation de nuit ne provoque qu’une différence relativement faible dans le coût énergétique annuel total. En règle générale, nous pouvons conclure de cette étude de cas de Smart-Geotherm que l’activation du noyau de béton, si elle est bien appliquée et combinée à la géothermie, peut être une technologie particulièrement efficace qui disive par trois les coûts liés à l’énergie. Elle offre aussi une grande capacité de tamponnage, qui augmente la flexibilité de la production de chaleur et de froid. Lorsque, dans l’avenir, les prix de l’électricité fluctueront en fonction de l’offre, il sera relativement facile de glisser de quelques heures la mise en service de la production de chaleur ou de froid.