Par Alain GARNIER - ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims
Une piscine se présente comme un gouffre de consommations. De plus, l'absence de réglementation thermique fait qu'elle représente le bâtiment le plus énergivore de tous, jusqu'à 2800 kWh/m² de plan d'eau pour les piscines existantes !
Le bon sens nous conduit à réagir même en l'absence de réglementation thermique, et de se projeter d'ores et déjà vers des conceptions de piscines basse consommation, voire à énergie passive, à l'horizon 2020. La piscine du futur sera ainsi BBC ou BEPAS, c'est une certitude.
La présente chronique livre les points clefs pour une conception et réalisation de piscines publiques du futur ! Elle ne représente qu'un extrait de l'ouvrage complet et détaillé intitulé « Le guide de construction des Piscines publiques à basse consommation d'énergie et d'eau » qui sortira prochainement aux Editions Parisiennes.
Sommaire :
- 2°/ Piscine du futur : formes et orientation
- 2.1 - Architecture active de la piscine du futur
- 2.2 - Puits de lumière actif de la piscine du futur
- 3°/ Chauffage solaire passif
- 3.1 - Chauffage de la piscine et du hall bassins en priorité
- 3.2 - Principe général du fonctionnement du chauffage en Hiver
- 3.3 - Les solutions de traitement d'air
1°/ Une piscine n'est pas condamnée à rester un gouffre de consommations
La consommation d’énergie d’une piscine est astronomique, elle est, rappelons-le, pour les piscines existantes d’environ 2800 kWh/m² de plan d’eau (chauffage, déshumidification par modulation du débit d’air neuf et production d’ECS des douches comprises), et piscines neuves, d’environ 1850 kWh/m² de plan d’eau. Même en l’absence de réglementation thermique, le constat actuel permet de dégager un potentiel d’économies d’énergie de l’ordre de 40 à 45% pour les nouvelles piscines et de 35 à 40% dans les piscines existantes.
Le graphe ci-dessous montre une évolution des économies possibles en fonction du concept et système mis en œuvre. Il en ressort que l’économie la plus importante provient de l’utilisation de systèmes thermodynamiques au moyen d’une pompe à chaleur capable de déshumidifier l’air du hall des bassins et de le chauffer, capable de chauffer l’eau de bassin, chauffer les bâtiments, chauffer l’eau chaude sanitaire, …. Proviendra dans tous les cas du recours aux énergies renouvelables au travers du chauffage passif, ou du recours à un réseau de chaleur faisant appel à plus de 50% d’énergie renouvelable.
Evolution de l'efficience énergétique des systèmes énergétiques utilisés dans les piscines - Doc. A. GARNIER
2°/ Piscine du futur : formes et orientation
2.1 - Architecture active de la piscine du futur
- Toiture shed avec pentes transparentes. Paroi Sud transparente. Désurchauffe par les exutoires de fumée intégrés aux sheds.
- Toiture pyramide transparente sur ses 4 pentes. Parois également transparentes. Désurchauffe par l’exutoire de fumée situé en partie haute de la toiture.
- Toiture avec pente transparente en Texlon (Vector Foiltec), à formes graphiques structurées, à géométrie variable. Paroi Est, Sud et Ouest transparentes. Désurchauffe par les ventilateurs d’extraction de fumée en haut de toiture.
Le bâtiment serait en architecture passive, le maximum de chaleur et de lumière gratuite viendrait de la toiture.
La toiture serait donc en pente et transparente pour recevoir les rayonnements solaire en hiver. Elle serait constituée de formes graphiques structurées et à géométrie variable permettant un dosage intelligent du rayonnement solaire à l’intérieur du bâtiment (Exemple : Texlon® Vario). Sa pente permettrait une ventilation transversale et naturelle en été en se servant de la stratification et de l’effet de cheminée.
La toiture serait composée de capteurs solaires photovoltaïques transparents (Exemple : Texlon® Solaire). Ils pourraient être raccordés au réseau électrique après conversion par des onduleurs s’il y avait revente au fournisseur de l’électricité produite, ou en autoconsommation.
Le Texlon® solaire peut être intégré aux systèmes Texlon® Vario, ce qui permet de créer à la fois des enveloppes climatiques dynamiques capables d’exploiter l’énergie solaire tout en faisant varier leurs propriétés de transmission de la lumière et de chaleur solaire.
L’éclairage serait naturel et devrait couvrir plus de 65% des besoins annuels.
Les parois vitrées latérales seraient disposés en façade Nord (coté locaux annexes) ainsi et surtout à l’Est et à l’Ouest.
2.2 - Puits de lumière actif de la piscine du futur
Un puits de lumière serait disposé au centre du bâtiment pour revigorer le manque d'éclairage naturel en fond de piscine ainsi que pour les locaux annexes et en sous-sol. Ce puits de lumière permettrait également de capturer la stratification de chaleur de façon à pouvoir réaliser un chauffage solaire actif en plus du passif. La toiture en pente formerait une visière pare soleil au Sud de façon à éviter les problèmes de surchauffe en Eté. Un chien assis serait disposé en toiture pour revigorer le manque d'éclairage naturel au Sud du à la visière.
9 h solaire en Hiver
12 h solaire en Hiver – Hauteur du soleil entre 14 et 24°
15 h solaire en Hiver
Ce type de bâtiment bioclimatique permettrait en utilisant les couvertures de bassins et un système de déshumidification thermodynamique de gagner énormément en consommation d'énergie.
Le recours à des couvertures de bassins permettrait durant les périodes de fermeture au public, de couper le traitement d'air et de n'utiliser que le chauffage statique apporté par le plancher chauffant des plages.
Lors de la remise en régime du chauffage, il n'y aurait aucun problème pour permettre de rétablir le confort ambiant. Le sol serait déjà chaud (28°C) pour le confort des pieds des premiers arrivants et le réchauffage de l'air soufflé étant assuré par le traitement d'air serait pratiquement instantané.
3°/ Piscine du futur – Chauffage solaire passif
3.1 - Chauffage de la piscine et du hall bassins en priorité
La toiture transparente du hall bassins et peut être même celle du solarium sera réalisée à partir de coussins constitués de trois parois en Téflon serties dans des cadres en aluminium. Ces coussins sont fabriqués par Vector Foiltec à partir de plusieurs couches d'un copolymère modifié, l'éthylène-tétrafluoroéthylène (ETFE).
Chaque couche de film affiche une transparence de 90 à 95%.
Le coefficient U de ces coussins est de 1,96 W/m²K pour 3 feuilles, de 1.47 pour 4 feuilles.
Afin de contrôler la surchauffe dans le hall, on modifiera la zone d'ombre au sol en faisant varier la pression d'air (± 200 g/cm²) dans les coussins.
Center Parcs domaine du lac de l'Ailette. Doc. Bet GARNIER
Doc. VECTOR FOILTEC coussins gonflables à indice solaire variable
Position ouverte : les sondes mesurant le rayonnement solaire et la température commandent un gonflement de la chambre à air supérieure, afin de permettre à la lumière de traverser les motifs graphiques.
Position fermée : lorsque les températures à l'intérieur et l'énergie apportée par le soleil augmentent, la chambre à air inférieure est gonflée, ce qui réduit la quantité de lumière et de chaleur solaire qui pénètre dans le bâtiment.
3.2 - Principe général du fonctionnement du chauffage en Hiver
Comme on le voit, l'énergie solaire tiendra une place importante dans les besoins calorifiques de la piscine : chauffage, production d'eau chaude sanitaire mais aussi et surtout déshumidification. C'est sur ce dernier besoin que l'on recherchera le plus possible à économiser de l'énergie car c'est le principal (> 60% actuellement).
Le système de déshumidification sera donc principalement thermodynamique et fonctionnera grâce aux énergies renouvelables (couplage solaire et/ou biomasse).
Fonctionnement du chauffage et de la déshumidification en Hiver avec recours à une production de chaleur d'appoint
Suivant le bilan thermique réalisé par la GDB, on pourra se trouver en tout air neuf et tout air rejeté (free-cooling) ou alors avec une partie d'air recyclée afin d'avoir recours le moins possible à la production de chaleur complémentaire pouvant fonctionner aux énergies fossiles.
Même avec un recyclage d'une partie de l'air, on surveillera le taux de la trichloramine et du CO2. Dans les deux cas, nous obtiendrons une qualité de l'air permettant d'obtenir un classement « très performant ».
Fonctionnement de chauffage et de la déshumidification en Hiver
avec un fonctionnement total en EnR
Suivant le bilan thermique réalisé par la GDB, on pourra avoir recours à la production de chaleur complémentaire. Celle-ci fonctionnera de préférence en biomasse (bois, paille, tourteaux de colza, HVP, algues, méthanisation, etc.), en cogénération, en PAC sur eaux usées, et parfois même ce sera un « mix énergétique ».
Les éco-quartiers se mettent en place et, on pourra imaginer de commencer de fonctionner avec une chaufferie propre à la piscine et par la suite se raccorder sur un réseau de chaleur biomasse ou autre EnR.
Le choix d’une machine à absorption pour réaliser la partie thermodynamique est un plus important, car son bouilleur accepte toutes les sources de chaleur et toutes énergies. C’est donc une solution Développement Durable par excellence.
3.3 - Les solutions de traitement d'air
Notre choix se portera vers un concept global qui puisse permettre de fonctionner au maximum en énergie renouvelable avec un appoint le moins polluant possible.
Pour cela, on réalisera une piscine bioclimatique qui met en œuvre un bâtiment passif et des équipements performants capables de recourir aux EnR à bon escient.
- Le bâtiment sera capable de se chauffer grâce à un système de chauffage solaire passif,
- L’air neuf nécessaire à la déshumidification ainsi qu’à l’hygiène sera préchauffé au moyen d’un chauffage solaire actif,
- Des récupérateurs de chaleur enthalpiques éviteront les pertes énergétiques sur le rejet d’air vicié et humide qui est le poste le plus important,
- Enfin, des pompes à chaleur, de type machines à absorption à réchauffage indirect, couplées au stockage de capteurs solaires à haute température permettront de finaliser le confort.
Pourquoi cette solution ?
- L’énergie la moins chère et la moins polluante est celle que l’on ne consomme pas.
- Les machines à absorption produisent du froid pour déshumidifier à un coût moindre que le système par modulation du débit d’air neuf. En même temps elles fonctionnent en pompe à chaleur et produisent plus de kWh de réjection de chaleur que le système à compression mécanique.
- Les capteurs solaires à haute température peuvent être installés à peu près partout,
- La contrainte d’avoir habituellement une capacité importante en stockage solaire n’en est pas une en piscine ou il existe déjà des bacs tampons de grands volumes pour les débordements de bassins,
- Les capteurs solaires à haute température peuvent chauffer les bâtiments en direct sans en passer par le bouilleur de la pompe à chaleur à peu près partout,
- Les machines à absorption à réchauffage indirect ont une durée de vie de 21 à 25 ans,
- Les machines à absorption à réchauffage indirect peuvent être installées dans la chaufferie ou dans le local de traitement d’air, elles n’exigent pas de local technique spécifique,
- Les machines à absorption à réchauffage indirect ont un coût de maintenance moindre que les autres systèmes à compression mécanique,
- Les machines à absorption à réchauffage indirect peuvent être alimentées soit par la chaufferie soit depuis un réseau de chaleur biomasse pourvu que son bouilleur soit alimenté au minimum à 75°C,
- Les machines à absorption ont peu de besoin électrique ce qui permet parfois de s’affranchir d’un transformateur ou de rester en « tarif jaune ».
4°/ Piscine du futur – Fonctionnement en Hiver
Les fonctions à assurer sont :
- Déshumidification du hall des bassins
- Chauffage et réchauffage de l’air servant à ventilation hygiénique ainsi qu’à la déshumidification complémentaire du hall des bassins
- Réchauffage de l’eau des bassins
- Réchauffage de l’eau d’appoint des bassins
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire
On aura recours au réseau de chaleur biomasse en hiver afin d’assurer :
- La déshumidification thermodynamique : alimentation du bouilleur de la machine à absorption,
- Chauffage complémentaire du hall des bassins et des locaux annexes (en plus du solaire passif, du solaire actif ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage complémentaire des bassins (en plus, du solaire passif, du solaire thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire (en plus, du solaire passif, du solaire thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
Cette solution d’architecture bioclimatique à « vecteur air avec couplage solaire », permettra d’obtenir un gain d’énergie important et donc de réduire considérablement le recours aux énergies fossiles.
La gestion du stockage solaire sera réalisée d’après un bilan thermique entre les besoins calorifiques et la capacité thermique du stockage solaire
La prévision météorologique (température, ensoleillement, nébulosité, vent et pluie) sera rapatriée et stockée en permanence sur le poste de supervision.
Le programme de « Gestion Intelligente des Energies » analysera le profil des besoins calorifiques ainsi que les apports prévisibles du bâtiment par les énergies renouvelables.
Il effectuera les corrections appropriées de rendement et d’inertie du bâtiment et des équipements et en fonction de la charge thermique présente dans les deux tampons, il déterminera la charge solaire que l’on pourra accumuler dans ceux-ci.
On cherchera à maintenir une charge thermique correspondant au bilan thermique d’au moins 72 h (voire plus). On calculera cette capacité en tenant compte des apports uniquement internes et on supposera qu’il n’y a pas de soleil. Bien entendu les capacités de stockage ne seront pas les mêmes suivant ces durées de réserve de fluide chaud.
Profil de la production solaire et des besoins calorifiques
Zone en rose : stockage solaire à réaliser
Ligne en bleu : température extérieure
Ligne en vert : température extérieure – apports internes
Ligne en rouge : température extérieure – (apports internes + apports externes)
Avec un fluide thermique (assimilé à de l’huile végétale) de capacité thermique massique comprise entre 2,93 kJ/kg.K et 3,60 kJ/kg.K de -20°C à +100°C, des tampons thermiques parfaitement isolés, une température de stockage minimum de 25°C, un facteur de sécurité de 10 % tenant compte de l'encrassement des échangeurs.
5°/ Zoom sur la Gestion Dynamique du bâtiment ou GBD
La Gestion Dynamique du Bâtiment (GDB) sera indispensable :
- Pour utiliser en priorité les énergies renouvelables,
- Pour stocker et gérer les énergies renouvelables,
- Pour anticiper les relances et coupures des équipements bioclimatiques,
- Pour assurer un confort d’hiver et d’été, quelles que soient les conditions météorologiques, l’ensoleillement, l’inertie du bâtiment et celle des équipements thermiques,
- Pour programmer les besoins, lisser la production et les mises en services
- Pour faciliter la maintenance et les tâches d’entretien préventif,
- Pour maintenir les performances à leur plus haut niveau.
La GDB enregistrera les valeurs significatives (météo, températures, consommations, etc.), analysera et réalisera une corrélation avec les indicateurs de performance en vue du maintien et de la réduction (intelligente) des consommations d’énergie et la prévention des dérives.
La gestion de la température et de l'éclairage artificiel des pièces sera réalisée au moyen des sondes de température et de présence. La GDB éditera des rapports de consommations et de dérives tels que :
Doc. SAUTER
Les données météo seront anticipées pour la gestion optimum des énergies en jeu, disponibles et stockables.
Les indicateurs de performance ainsi que certificat de performance énergétique de la piscine (quand il y en aura un) seront calculés automatiquement à l'aide du serveur.
6°/ Piscine du futur – Fonctionnement en demi-saison
Les fonctions à assurer en demi-saison, sont :
- Déshumidification du hall des bassins
- Réchauffage de l’air servant à ventilation hygiénique ainsi qu’à la déshumidification complémentaire du hall des bassins
- Réchauffage de l’eau des bassins
- Réchauffage de l’eau d’appoint des bassins
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire
En demi-saison, si l’ensoleillement est suffisant, on n’aura plus recours au réseau de chaleur biomasse mais simplement aux EnR, lesquelles permettront :
- La déshumidification thermodynamique : alimentation du bouilleur de la machine à absorption depuis les capteurs solaires,
- Chauffage complémentaire du hall des bassins et des locaux annexes (en plus du solaire passif, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage complémentaire des bassins (en plus, du solaire passif, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire (en plus, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
* ou leur stockage
7°/ Piscine du futur – Fonctionnement en été
Durant cette période, on n’aura plus besoin de chauffage. Au contraire on cherchera à réaliser un free cooling à l’aide d’une ventilation naturelle ; la déshumidification ne sera donc plus nécessaire.
Fonctions à assurer en été, sont :
- Réchauffage de l’air servant à la ventilation hygiénique ainsi qu’à la déshumidification complémentaire du hall des bassins
- Réchauffage de l’eau des bassins
- Réchauffage de l’eau d’appoint des bassins
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire
En été, si l’ensoleillement est suffisant, on n’aura plus recours au réseau de chaleur biomasse mais simplement aux EnR, lesquelles permettront :
- La déshumidification thermodynamique : alimentation du bouilleur de la machine à absorption depuis les capteurs solaires,
- Chauffage complémentaire du hall des bassins et des locaux annexes (en plus du solaire passif, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage complémentaire des bassins (en plus, du solaire passif, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
- Réchauffage de l’eau chaude sanitaire (en plus, du solaire actif* ou thermodynamique et de la réjection de chaleur provenant du condenseur),
* ou leur stockage
En cas de surchauffe du solarium ou de la façade double peau, les lamelles motorisées seront ouvertes de façon à désurchauffer de volume par ventilation naturelle. Si la chaleur persiste, on pourra se servir de la protection solaire en toiture, offerte par les coussins gonflables à indice solaire variable.
L’évapotranspiration du lierre contribuera au rafraîchissement de l'air et à une régulation de l'hygrométrie.
Durant la nuit, les persiennes en verre seront ouvertes (rafraîchissement nocturne).
S’il y a encore un risque de surchauffe en été, on pourra se servir de la machine à absorption et des capteurs solaires pour réaliser un rafraîchissement du hall et des locaux annexes, l’énergie solaire étant gratuite et la production de celle-ci étant proportionnelle aux besoins frigorifiques.
Le rayonnement aura une hauteur d’environ 64 à 74° à 12 h solaire et d’après les latitudes extrêmes en France. Le débord de toit protégera du soleil des capteurs verticaux de façon à ce qu’il n’y ait plus que ceux sur la toiture en pente qui produisent de la chaleur ; on évitera ainsi de façon simple leur destruction par une surchauffe du fluide caloporteur qui peut atteindre 250°C et monter en pression de façon excessive.
La chaleur davantage servira à réchauffer les bassins ludiques et la pataugeoire. S’il existe des bassins extérieurs, ils seront également chauffés avec les capteurs solaires.
Alain GARNIER
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER 120 rue Gambetta 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.
www.be-garnier.fr
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J'aimerais avoir des informations concernant l'installation et l'utilisation du TEXLON. C'est pour un projet de piscine publique.
Merci de bien vouloir me répondre.