Éco-quartier ou l’îlot à énergie positive: solution BEPOS d'avenir

Par nos consultants et experts techniques.

4 Juillet 2019

Par Alain GARNIER ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims.

Cette chronique montre à la fois l’intérêt de mutualisation des énergies pour obtenir un ensemble collectif dit BEPOS, soit à énergie positive, et les précautions qui permettront d’arbitrer les techniques de conception. Le document complet de .. pages est disponible en téléchargement gratuit en fin de chronique.

Parc d’activités commerciales et de loisirs de Mont-De-Marsan (îlot à énergie positive)
Grégoire GENAUX architecte AWO et BET GARNIER Energie & Fluides à Reims

Avantages et inconvénients de la solution Eco-Quartier

Sur le plan construction, la solution éco-quartier permet bien des avantages :

Elle est très performante au niveau environnemental et énergétiquement, l’habitant payerait moins de charges.
Elle permet de pouvoir recourir à une synergie énergétique, c’est à dire :

La puissance de la production de chaleur sera plus faible et le coût de travaux sera donc moins cher du fait du foisonnement des besoins.
La multiplication des sources de pollution sera évitée.
La tarification énergétique sera plus intéressante du fait du regroupement des contrats (bois, gaz, électricité).

Elle permet de réaliser des BEPOS à prix raisonnable grâce à une grande possibilité de choix d’énergie primaire et de réaliser des productions d’électricité en commun.
Elle permet de recourir plus facilement à la biomasse ou au biogaz du fait de la plus grande taille de la production de chaleur ce qui induit une meilleure rentabilité financière.
Elle permet de faire classer les réseaux en leur assurant un meilleur avenir.
Elle permet de recourir plus facilement à un mix énergétique.
Elle permet de recourir plus facilement à des systèmes à base d’énergies renouvelables et fatales.
Elle permet de par sa taille, d’avoir un secours dans les énergies et les matériels de production.
Elle permet d’avoir moins de nuisances (bruit, pollution, etc.) grâce à l’utilisation de matériels de production plus sophistiqués et éloignés des bâtiments à desservir.
Elle permet d’avoir moins de contraintes réglementaires : la production centralisée est plus simple que de construire différentes chaufferies de plus de 2000 kW notamment dans des ERP.

Elle comporte malgré tout, quelques inconvénients :

Le montage administratif est plus complexe du fait d’entités différentes et bien souvent avec phasage sur plusieurs années et un mélange du public et du privé.
À la construction l’éco-quartier est plus cher, surtout à cause des réseaux. Une étude de faisabilité sera nécessaire.
La planification des projets ne facilite pas toujours la mise en place d’une production de chaleur avec un mix énergétique. Il faut trouver des systèmes extensibles ou des offres packagées et de plus en plus souvent aujourd’hui en passer par des tiers investisseurs.
Lorsque les besoins calorifiques sont faibles comme c’est de plus en plus le cas, les réseaux de chaleur assez longs, le projet aura du mal à être rentable.
Même dans le cas où on a l’opportunité de récupérer de l’énergie fatale venant de bâtiments industriels, le projet d’un réseau de chaleur aura du mal à être rentable s’il s’agit d’alimenter de l’habitat ou du tertiaire éloigné.

Premières réflexions à avoir pour concevoir un Eco-Quartier composé de bâtiments à basse consommation d’énergie

On ne peut pas réaliser des Éco-quartiers à n’importe quel prix ; une étude de faisabilité objective sera nécessaire.
On ne pourra pas atteindre le niveau BEPOS rien qu’en isolant nos bâtiments ; l’Éco-quartier pourra en partie limiter les surcoûts des compléments indispensables : façade double peau, brise-soleil, production de chaleur ou d’électricité solaire, etc.
On devra ventiler beaucoup plus nos logements (santé et confort d’été).
On ne pourra plus investir à la fois dans un chauffage et dans une ventilation dans nos logements, il faudra n’en choisir qu’une qui la plupart du temps sera la ventilation tempérée.
On sera obligé de prévoir des moyens de rafraîchissement car en BEPOS la température de début d’inconfort à 27°C sera rapidement dépassée.
On sera petit à petit contraint à en passer par des offres packagées si l’on veut diminuer les coûts des productions et des logements, réduire les délais d’étude et de construction et garantir une performance.

Les besoins calorifiques sont de plus en plus faibles et l’inconfort d’été de plus en plus fort

Témoignage personnel d’un habitant en appartement passif :

« J’habite un duplex en passif au dernier étage d’un immeuble, j’ai 4 parois extérieures très bien isolées par l’extérieur et une grande véranda à l’opposé de mon escalier de façon à créer une convection naturelle et transversale dans l’ensemble des pièces.

Je peux vous certifier qu’en hiver, mes besoins en chauffage sont très faibles et peuvent être couverts en majeure partie par les apports internes (veilles des appareils électroniques et occupants) ainsi que par les apports externes (soleil).
J’en suis à mon deuxième hiver sans avoir mis en service mon chauffage et sans être descendu en dessous de 19°C ; mon appartement a été le plus souvent entre 21 et 25°C. La réalisation de logements passifs peut donc être un frein à des projets d’Éco-quartiers avec des réseaux extérieurs longs aussi EnR soient-ils…

Mon problème est que j’avais pressenti, c’est de désurchauffer mon logement à partir de la demi-saison et parfois même en hiver quand je reçois des invités. Des châssis ouvrants efficaces situés en bas en en haut de ma véranda me permettent heureusement de désurchauffer tout mon duplex la nuit, grâce à une ventilation naturelle transversale mise en mouvement par le double effet de cheminée ascendant et descendant obtenu par la véranda et l’escalier.

De jour, la véranda continue d’être désurchauffée grâce aux ouvrants. Je ferme les portes de communication de la véranda avec l’intérieur et rien qu’avec l’inertie thermique et les occultations, la température de 27°C n’est pas franchie, même lorsqu’il y a des pointes extérieures à 35°C. Avec ce système de free cooling peu contraignant, je n’ai qu’une dizaine de jours par an de surchauffe ».

Les éco-quartiers : oui mais avec discernement

Réaliser des BEPOS à n’importe quel prix n’est pas raisonnable. Les énergéticiens doivent être en partie des économistes et savoir s’arrêter à temps en ce qui concerne la complexité technique, car les coûts de travaux et de maintenance peuvent devenir insoutenables.

Comme toujours posons-nous les questions fondamentales, à savoir :

Est-ce que ce sera vendable (coût de l’immobilier) ?
Est-ce que ce sera supportable (coût du loyer ou du remboursement du prêt, plus les charges).

La solution d’Éco-quartier n’est pas intéressante à tous les coups, il faudra tenir compte :

Du coût global des travaux : production + réseaux + sous-stations + bâtiments (seuil d’équilibre).
De nos futures consommations d’énergie liées au chauffage. Serons-nous contraints de réduire nos consommations de façon réglementaire ou à partir d'un système de bonus-malus comme il en existe pour l’automobile ?
Des choix énergétiques qui seront mis à disposition dans un futur proche.
Du rapport énergie primaire/énergie finale pour les différentes énergies (fossiles, renouvelables, fatales).
De la monotone des besoins thermiques.
Des tarifs saisonnalisés ou flottants de certaines énergies.

Informations déterminantes

Nos consommations de chauffage et d’eau chaude sanitaire dans les futurs quartiers ou anciens rénovés vont diminuer pour atteindre 25 à 70 kWhep/m2.an en habitat.
A l’horizon 2030, c’est le secteur du bâtiment (résidentiel et tertiaire) qui contribuera majoritairement à cette baisse de la consommation pour plus de 50 % (15 Mtep), grâce à la rénovation de 500 000 logements par an en moyenne.
Entre 2010 et 2050, le secteur du bâtiment devra participer à hauteur de 40% à la baisse de la consommation énergétique.

Mtep

Afin d’atteindre le « facteur 4 » à l’horizon 2050 dans le secteur du bâtiment (résidentiel et tertiaire), il sera nécessaire d’amplifier considérablement les objectifs du Grenelle au-delà de 2020. Le véritable enjeu se situera au niveau du parc existant pour lequel des objectifs ambitieux en matière de réhabilitation énergétique devront être fixés.

Pour ce parc, le niveau de performance visé est de 25 kWhep/m2.an pour les cinq usages réglementés (chauffage, refroidissement, eau chaude sanitaire, éclairage, auxiliaires), que ce soit pour les bâtiments résidentiels ou ceux relevant du secteur tertiaire.

Le réseau de gaz naturel par exemple recevra 56% de biogaz (EnR) en 2050. Nous aurons donc acquis une part d’énergie renouvelable sans le savoir … De plus la Ministre Mme Ségolène Royal confirmait en Juin le projet de loi sur la Transition Energétique et proclamait de ramener la part du nucléaire à 50% de la production d’électricité en 2025 et de porter en 2030 la part des énergies renouvelables à 32% de notre consommation énergétique finale, soit 40% de l’électricité produite. ( Projet de loi de la Transition Energétique : les grands axes )

Source ADEME Scénario 2030-2050

Dans ces conditions sera-t-il rentable ?

rubiks cube D’alimenter des maisons individuelles ou des petits bâtiments d’habitation qui auront une température de non chauffage voisine de 5°C et/ou encore des bâtiments de type tertiaire à basse consommation, qui eux, ne fonctionneront que 40h par semaine ?

De réaliser des réseaux de chaleur sur des kilomètres pour alimenter des bâtiments qui seront isolés dans les prochaines années ? Ne vaudra-t-il pas mieux les isoler, les chauffer principalement en passif avec un appoint en énergie fatale ou fossile ?

Ne peut-on pas réaliser, comme l’ont fait les allemands à titre expérimental, des maisons individuelles, des petits bâtiments d’habitation ou encore des bâtiments de type tertiaire, en solaire collectif avec un stockage de grande capacité et des réseaux de chaleur exclusivement en EnR sur des kilomètres ?

Les habitations peuvent recevoir de la chaleur (énergie fatale) provenant de l’industrie ou du tertiaire lorsque ces derniers sont proches, mais est-ce que le modèle français est prêt à mélanger l’habitat à l’industrie ? Non, par contre le mélange de l’habitat à du tertiaire ou encore le mélange du tertiaire à de l’industrie est admis et ce serait une bonne solution pour réaliser des transferts thermiques.

Déjà ne serait-il pas plus intéressant de mélanger les bâtiments tertiaires entre eux. Certains rejettent leur énergie fatale alors que dans le même temps d’autres ont des besoins d’énergie thermique toute ou partie de l’année.

Exemples :

Un data center dissipe sa chaleur de réjection provenant de sa production de froid à côté d’une zone d’activités qui en a besoin : piscine, bureaux, commerces, etc.
Une production de vapeur HP pour une buanderie de Centre Hospitalier rejette sa chaleur de revaporisation alors qu’il y a des besoins de production d’eau chaude sanitaire toute l’année dans ce même établissement ou d’autres proches.
Etc.

Les Data Center

Un double problème :

Ils sont gourmands en énergie électrique
Toute la chaleur ayant servi au refroidissement (énergie fatale) est dissipée à l’extérieur.

Les Data Center consomment environ 2% de l'énergie mondiale et entraînent une émission de CO2 conséquente, l'électricité est produite à partir de charbon et de nucléaire.

Si aucune statistique officielle n'existe pour quantifier les besoins énergétiques globaux des Data Center, leur augmentation ne fait aucun doute. A l'échelle européenne, la consommation de 56 milliards de kWh en 2008 passera à 104 milliards de kWh en 2020.

Un constat :

L'impact environnemental pèse peu face aux impératifs économiques alors que la consommation d'électricité est pourtant le premier poste des dépenses. Il y a une course aux économies d'énergie pour proposer des loyers de serveurs moins chers que la concurrence. L'efficacité énergétique globale est un facteur décisionnel de plus en plus important pour les clients qui choisissent leur Data Center, en raison de l'augmentation des coûts de l'énergie.

Les besoins en climatisation sont responsables parfois de la moitié de la consommation d'énergie électrique.

Plusieurs solutions de réduction du PUE :

Une solution performante permettant de réduire la part de la consommation d’énergie électrique destinée à la climatisation existe actuellement : il s’agit du refroidissement des serveurs effectué par des circuits étanches dans lesquels circulent de l'eau déminéralisée plus des additifs (watercooling). Le secondaire de l’échangeur évacue la chaleur au moyen d’un double forage dans l'aquifère est parfois à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Ce système permet de maintenir à environ 25°C.

Le "watercooling" permet d’évacuer jusqu’à 70% de la chaleur dégagée par les serveurs ; un système de ventilation se charge des 30% restants.

Cette technologie coûte chère, mais le résultat est là : le Power Usage Effectiveness (PUE), l'indicateur le plus utilisé pour comparer la consommation des centres de traitement de données, descend à 1,13 – l'optimum étant de 1. En clair, cela signifie que pour 1 kWh d'électricité utilisée par les serveurs, il ne faut dépenser que 0,13 kWh supplémentaire dans le refroidissement du bâtiment, l'éclairage, etc.

D’autres solutions tout aussi performantes pourraient être mises en œuvre, il s’agit :

De la sectorisation des différents équipements des serveurs, car l’élévation de la température ambiante de 1°C permet jusqu'à 4% d'économie d’énergie et de coût d’énergie liée à la climatisation.
De l’abaissement de la température d’eau chaude de réjection ou de l’élévation de la température de production de l’eau glacée, car elle permet une économie d’énergie et de coût d’énergie liés à la climatisation de 3% par degré de gagné.

On pourrait aller plus loin et récupérer la chaleur de réjection provenant de la climatisation pour chauffer un éco quartier ou un ilot énergétique.

Quel combustible pour la chaufferie et quels types de réseaux ?

Chaufferie biomasse réalisée par la ville de Reims,
alimentant les quartiers « Murigny » et « Croix Rouge », ainsi que le CHU.

Une chaufferie centralisée pour un Éco-quartier représentera une opportunité intéressante de recourir à la biomasse (bois de chauffage ou déchets combustibles des commerces) ou encore au biogaz. Cette solution permettra de produire de la chaleur en énergie renouvelable.

On pourra même avec ces combustibles utiliser une cogénération ou trigénération, ce qui permettra de produire en plus de l’électricité et du froid en énergie renouvelable.

Dans quelques cas où la monotone des besoins ne sera pas satisfaisante, on aura peut-être à recourir à un mix énergétique. A la vue des coûts, il ne faudra pas se tromper et une étude de faisabilité s’avèrera nécessaire.

Les besoins de chaleur assumés par une chaufferie centralisée pour un Éco-quartier seront-ils destinés uniquement au chauffage et à la production d’eau chaude sanitaire ?

Oui, s’il s’agit de bâtiments d’habitation,
Non, s’il s’agit de bâtiments tertiaires car les besoins en eau chaude sanitaire sont faibles exigeant du rafraîchissement ou de la climatisation (bureaux, commerces, etc.) ou encore de la déshumidification comme c’est le cas dans les piscines.

S’il y a en plus un besoin de froid pour assurer :

Le rafraîchissement ou la climatisation de bureaux, de commerces ou de salles de spectacles.
La déshumidification thermodynamique de piscines,

On pourra recourir à des machines à absorption à réchauffage indirect dont la source de chaleur du bouilleur sera la production de chaleur. Cela permettra de produire du froid en énergie renouvelable.

Au fur et à mesure de ces réflexions, on s’en doute, on pourra avoir plusieurs types de réseaux :

Un réseau de chaleur (énergie renouvelable ou/et fossile)
Un réseau de froid (énergie renouvelable ou/et fossile)
Un réseau de chaleur de réjection (énergie fatale)

Plus rarement on aura un réseau extérieur d’eau chaude sanitaire, car on aurait alors un rendement de production et de distribution très faible et on créerait des risques sérieux de légionellose.

A-t-on besoin de chaleur de réjection à haute température pour créer un réseau spécifique ?

Non, car on pourrait avoir un réseau BT (35 à 45°C) qui couvrirait les besoins en hiver de bâtiments tertiaires (commerces et services) ou encore les besoins annuels tels qu’une piscine ou des maraichers.

La logique en matière de production de chaleur et de froid à base d’Energie Renouvelable est la suivante :

Avec du bois nous produisons de la chaleur.

Avec de la chaleur, nous produisons de l’eau chaude pour le chauffage, l’eau chaude sanitaire, l’eau des bassins.

Avec de la chaleur nous pourrons produire du froid.

Avec du froid, nous produisons de l’eau glacée pour la climatisation et la déshumidification de la piscine.

Avec de l’air extérieur humide et à l’aide d’aéroréfrigérants adiabatiques, nous pourrons produire de l’eau glacée (free chilling). Ces aéroréfrigérants consomment de l’eau deux mois par an, mais ils pourront être alimentés par les eaux de nettoyage des filtres de piscine, de forage, ou de pluie.

Avec cette eau glacée, nous assumerons en hiver et en demi-saison tous les besoins de climatisation et de déshumidification de la piscine. En été, et seulement lors des pics de température, nous aurons besoin d’un complément thermodynamique.

La logique en matière de production de chaleur et de froid à base d’Energie Fatale est la suivante :

Avec la chaleur de réjection des machines à absorption, nous mettons à disposition sur le site de l’Éco-quartier de l’eau chauffée à 35°C.

Avec cette eau chauffée à 35°C, nous assumons tout ou partie des besoins de chauffage, une partie de la production d’eau chaude sanitaire, tout ou partie du réchauffage d’eau des bassins de piscine.

Schéma de la synergie énergétique entre productions et besoins des bâtiments constituant l’Eco-Quartier
Doc A. GARNIER

Synthèse Fonctionnement

Plage de fonctionnement de la production de froid en free chilling ou/et en thermodynamique
Doc A. GARNIER

Où placer la chaufferie centralisée ?

Il faudra choisir l’emplacement des productions de chaleur et de froid en fonction des plus forts besoins de façon à réduire le linéaire de réseau extérieur et les pertes de distribution induites.

Exemple : une piscine qui a à la fois des besoins de chaud BT et de froid, sera de préférence construite à côté de la chaufferie et de sa production de froid centralisée.

Paramètres à prendre en compte pour réussir sa chaufferie centralisée

Plusieurs contraintes nous amèneront à concevoir nos installations de façon différente :

Les besoins en chaleur pourront-ils évoluer en fonction d’un phasage dans la construction ou la réhabilitation des bâtiments ?
La température du réseau de chaleur sera-elle assujettie à la température extérieure ?

Avec toutefois un talon en été qui correspondra :

Soit, aux besoins calorifiques de la piscine, s’il en existe une (réchauffage des bassins + température minimum de production d’eau chaude sanitaire).
Soit à la température minimum de production d’eau chaude sanitaire des bâtiments habitation.

S’il existe des besoins en froid, les besoins en chaleur seront-ils seulement assujettis à la température extérieure et à l’ensoleillement ?

Où seront-ils également assujettis à l’occupation ou à du matériel de bureautique ou à du process, ce qui risque de nous faire produire du froid en demi-saison et de plus en plus souvent maintenant en hiver.

Sera-t-on obligé de produire du froid toute l’année pour des besoins de déshumidification thermodynamique ?

Exemple : une piscine dont les besoins de déshumidification vont de Septembre à Juin.

Ne serait-ce pas plus approprié de réaliser le froid localement dans la piscine au moyen d’une machine à absorption dont le bouilleur sera raccordé sur le réseau de chaleur ou une chaudière locale ?
Ne serait-ce pas plus approprié de réaliser le froid localement dans la piscine au moyen d’un système de free chilling qui couvrirait les besoins de déshumidification de Novembre à Mars ?

La fraction de la demande annuelle produite par la chaudière principale au bois s'appelle le taux de couverture. Pour l’optimiser, il ne faudra pas dimensionner la chaudière bois sur celle de pointe car cette dernière ne peut guère fonctionner en dessous de 35 à 40% de sa puissance nominale et encore avec un « rendement de chaudière » dégradé.

Pour obtenir le meilleur taux de couverture en bois qui soit, il y a 3 solutions :

Soit installer plusieurs chaudières de puissance unitaire égale en leur donnant celle du talon.
Soit installer des chaudières de différentes puissances dont la plus petite sera égale à celle du talon.

Pour mémoire :

Il ne faudra pas oublier dans ce raisonnement qu’en cas de panne de la chaudière la plus puissante, nous devons assurer un secours par les autres.
La puissance et/ou le fractionnement des chaudières devra aussi parfois tenir compte des besoins actuels et futurs (phasage de construction ou réhabilitation avec isolation de bâtiments).

Monotone de charge des chaudières bois en fonction des besoins saisonniers - Doc. A. GARNIER

Monotone de charge des chaudières bois L’idéal sera d’obtenir un taux de couverture en bois le plus important possible. Cela ne sera rendu possible que si les besoins en chaleur sont répartis sur l’année (monotone de charge ci-dessus).

Ce « lissage » permettra au MO de ne pas avoir à disposer de chaudières de puissances différentes. Ce qui permettra par ailleurs de couvrir l’ensemble des besoins rien qu’en bois de chauffage.

La production de froid à partir du bois combustible est donc un bon moyen de réaliser des chaufferies biomasses rentables.

Si ce « lissage » n’avait pas été rendu possible, on aurait dû faire appel à une chaudière d'appoint plus petite travaillant en mode bivalent avec bien souvent une autre énergie (fossile la plupart du temps).

Et enfin, pour que les chaudières ne soient pas détruites en cas de coupure du réseau électrique, on devra prévoir un groupe électrogène pour décharger le combustible en flamme. On pourra se servir des aéroréfrigérants nécessaires à la production de froid pour refroidir les chaudières ; ces matériels devront être également secourus par le groupe électrogène.

Production de froid centralisé en thermodynamique, architecture bioclimatique, Eco-quartier et mix énergétique, énergies renouvelables et fatales, …, tous ces sujets complémentaires sont traités dans la chroniques complète « Éco-quartier ou l’îlot à énergie positive : solution BEPOS ? » effectuée sous forme d’e-book TELECHARGEABLE GRATUITEMENT !

Téléchargez l’e-book

Par Alain GARNIER
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d’études GARNIER 20 rue Chanteraine à Reims.
Lauréat du premier prix de l'Eco-Efficacité catégorie « concepteurs » en 2009, récompense remise lors de l'UCE (Université du confort et de l'eau) de ICO à Lille.

SOURCES ET LIENS