Climatisation d'hôpital par plafond rayonnant sur nappe

Par Olivier FABRE - Ingénieur BET SUDEQUIP

L’hôpital LENVAL à Nice, réputé pour ses soins en pédiatrie s’est doté d’un concept de climatisation de haute qualité énergétique et environnementale. Deux objectifs ont été atteints : un respect strict des règles d’hygiène et de confort optimisé avec panneaux rayonnants et une efficacité énergétique maximale avec une climatisation douce utilisant directement l’énergie gratuite de l’eau de nappe à disposition.

1 - Problématique

Dans les services hospitaliers réputés sensibles : blocs opératoires, soins intensifs, stérilisation, réanimation… des normes d’hygiène établissent clairement les principes à respecter et les résultats à obtenir en termes d’installation de traitement d’air.

Dans les autres services et notamment les services d’hébergement, aucune exigence n’existe en termes de traitement d’air en dehors des réglementations communes à tous les types de bâtiments : Règlement Sanitaire Départemental, Code du Travail, …
Les solutions sont nombreuses mais présentent toutes des avantages et inconvénients à adapter en fonction des projets.

2 - Solutions traditionnelles

La technique la plus classiquement utilisée aujourd’hui pour ces locaux est le ventilo-convecteur, mais, poussées notamment par la préoccupation majeure des responsables d’établissements de santé de lutter contre les infections nosocomiales, d’autres solutions sont développées : Volume d’Air Variable (VAV), poutres froides, plancher chauffant-rafraîchissant, plafond rayonnant, spilotair, varilair,…etc.

La solution retenue en secteur hospitalier, en plus des traditionnels coûts d’investissement et d’exploitation, doit également être un compromis entre les différentes contraintes suivantes :

• . Solution simple en termes de maintenance, l’accès dans certains services ou certaines zones du bâtiment étant très compliqué et parfois quasi impossible
• . Solution limitant les risques de contaminations bactériologiques (filtres, bac à condensats…)
• . Contraintes liées à l’application des textes réglementaires et notamment de sécurité incendie dans des zones de locaux à sommeil ou dans des services pouvant ou non être traités en compartimentage.

3 - Plafond rayonnant sur nappe

a) Hôpital dans un contexte urbain contraignant

La construction de l’actuel établissement de l’hôpital LENVAL de Nice date de 1992 et s’inscrit dans un contexte urbain difficile et contraignant.
Implanté en centre ville sur la prestigieuse Promenade des Anglais, ce bâtiment en R+8 avec 3 niveaux de sous-sol devait s’intégrer dans une parcelle restreinte où le coût du m² impose une optimisation de l’espace et notamment des zones techniques.

En ce qui concerne la production frigorifique du bâtiment, deux caractéristiques principales du projet ont fait s’orienter le Maître d’Ouvrage vers une solution de groupes froids à condensation par eau. Tout d’abord, l’impossibilité d’implanter sur le site des groupes à condensation à air (héliport en terrasse, bâtiment occupant toute l’emprise du terrain, contraintes acoustiques liées à la proximité du voisinage…), mais également la présence sous l’hôpital d’une nappe phréatique en liaison directe avec la mer toute proche.

Ont donc été mis en place trois groupes froid à condensation à eau de type TRANE implantés en local technique à l’entresol et possédant une puissance frigorifique unitaire de 770 kW (évap : 7/12°C, cond : 32/27°C).

Le refroidissement du réseau condenseur a été réalisé par un pompage sur nappe d’eau saumâtre par l’intermédiaire de trois échangeurs à plaques en titane d’une puissance unitaire de 975 kW (primaire : 60 m³/h – 15/29°C, secondaire : 103 m³/h – 32/24°C). Un by-pass du pompage sur nappe a été réalisé sur le réseau eau de ville en cas de colmatage des puits de forage.

En matière de chauffage, le parti pris a été, étant donné les besoins importants en Eau Chaude Sanitaire de ce type d’établissement et la présence d’un circuit radiateur, de prévoir une chaufferie gaz permettant des régimes d’eau chaude compatibles avec ces deux types de réseau, ce que n’aurait pas permis une pompe à chaleur sur eau de nappe.

Le chauffage et la production d’ECS sont donc assurés par trois chaudières DE DIETRICH d’une puissance unitaire de 650 kW alimentées en gaz naturel et équipées de brûleurs modulants à air soufflé CUENOD.

Dans les deux premières phases de construction de l’hôpital datant de 91 et 99, à l’exception des zones de blocs opératoires et certains locaux stériles à ambiance contrôlée, tous les locaux du bâtiment ont été traités par des ventilo-convecteurs.

Lors des derniers travaux de réhabilitation dans l’existant et devant le souhait de la Maîtrise d’Ouvrage et des services techniques de mettre en place un système de traitement beaucoup moins contraignant en termes de maintenance et plus compatible avec les exigences hospitalières, la technique du spilotair (société SPIREC) a donc été proposée par l’équipe de Maîtrise d’œuvre. Cette solution a été retenue grâce à ses nombreux avantages :

• Absence de filtres et de ventilateur sur l’équipement terminal (maintenance très limitée et niveau sonore très faible)
• Air repris ne passant ni sur la batterie, ni sur le filtre (qualité d’air ambiant)
• Absence de stagnation des condensats évacués en permanence sous pression (absence de prolifération bactérienne dans les bacs à condensats)

Cette solution adoptée pour le service de réanimation néonatale pour les qualités évoquées ci-dessus ne pouvait néanmoins être appliquée à grande échelle du fait de son coût d’investissement (environ 40% supérieure à une solution de ventilo-convecteurs 4 tubes) et de la nécessité de locaux techniques importants (le local technique CTA du service alimentant en air primaire les Spilotairs occupant environ 50 m² pour un service de 820 m²).

Elle a réellement trouvé son intérêt dans un service où l’accès pour la maintenance est très contraignant, 95% de la maintenance étant réalisé au niveau de cette CTA implantée à l’extérieur du service.

Pour la dernière extension de l’hôpital, le Maître d’Ouvrage a souhaité que soit mis en œuvre une technique de traitement d’air alliant les avantages du Spilotair en termes d’hygiène, de qualité d’air et de simplicité de maintenance, et étant moins consommatrice en surface de locaux technique.

b) Plafond rayonnant chauffant et rafraîchissant

Pour ces raisons ainsi que pour les avantages évoqués plus loin, la solution proposée et retenue par la Maîtrise d’œuvre a été une solution de plafond rayonnant chauffant – rafraîchissant.

Le système est constitué de serpentins de canalisations alimentées en eau à température proche de l’ambiance (Eté : 16/19°C ; Hiver : 32/35°C) émettant des frigories ou des calories par effet radiatif et convectif.

Les serpentins sont :

Soit constitués de nattes de tuyaux capillaires en polypropylène ou en cuivre posées sur un plafond suspendu métallique à bacs perforés et recouvertes d’un isolant.	Soit constitués de nattes de tuyaux capillaires en polypropylène mises en place sous dalle dans un enduit plâtre ou ciment.

Avantages de la solution :

• . Confort optimal quel que soit le mode chaud ou froid
• . Puissance moyenne rayonnée au m² nettement supérieure à un plancher rafraîchissant (pas des serpentins plus faible : homogénéité de la température de surface plus importante : puissance rayonnée plus importante), ainsi qu’une inertie du système bien plus faible limitant les risques de condensation
• . Sensation de confort procurée par le rayonnement sans déplacement d’air et sans génération de bruit
• . Système d’hygiène accru : pas d’air recyclé, pas de filtre, pas de bac à condensats
• . Faible maintenance et gain de consommation lié à l’absence de pièces en mouvement : économies d’exploitation et retour sur investissement rapide
• . L’effet de rayonnement permet d’assurer un confort total avec des températures d’air intérieures plus modérées et une auto adaptation de la puissance émise aux charges internes : économies d’exploitation et retour sur investissement rapide
• . Régime d’eau glacée (16/19°C) optimisant le COP (Coefficient de Performance) des groupes de production : économies d’exploitation et retour sur investissement rapide
• . Réduction des consommations des moteurs électriques (pour apporter la même quantité de chaleur, les volumes à véhiculer sont 1000 fois plus importants en air qu’en eau)

Inconvénients de la solution :

• Nécessité d’une ventilation de type double flux pour l’air hygiénique permettant de diminuer l’hygrométrie dans le local afin d’éviter les problèmes de condensation
• Puissance émise limitée à 80 à 90 W/m² en froid compatible avec une activité chambre ou bureau mais pas pour des zones de locaux plus énergivores
• Coût d’investissement environ 20% supérieur à une solution ventilo-convecteur 4 tubes

Les plafonds froids requièrent des températures d’eau extrêmement modérées pour limiter les phénomènes de condensation. C’est cette particularité qui conduit à un effet autorégulateur inconnu avec les autres systèmes de climatisation. Il y a en effet modulation automatique des apports selon les besoins :

1) modulation selon le nombre de personnes :

L’autorégulation résulte de ce que la température de plafond est généralement de l’ordre de 17 à 20°C, avec des températures de local comprises entre 20 et 25°C, et des températures de peau de 32°C pour les occupants. La différence de température s’établit donc à environ 14°C pour les personnes contre seulement 3 à 5°C pour le local : c’est avec les occupants que les échanges thermiques seront les plus importants : lorsque ceux-ci s’absentent du local, il y a baisse automatique et instantanée de l’émission froide du plafond.

2) modulation selon la température du local :

Lorsque la température du local varie, l’émission s’adapte : elle est d’autant plus forte que la température est plus élevée (comme c’est souvent le cas en été). A contrario, il est rigoureusement impossible qu’une éventuelle défaillance de la régulation puisse conduire à des températures ambiantes trop faibles : la température du local ne peut descendre en-dessous de la température de plafond, soit 17 à 20°C.

En ce qui concerne les phénomènes de condensation, deux paramètres de l’installation permettent de résoudre ce problème :

• . Les tubes capillaires sont espacés de seulement 1 cm, assurant ainsi, sans ailettes, une excellente homogénéité des températures de surface du plafond. Cette homogénéité permet d’obtenir un très faible écart entre la température moyenne du plafond et sa température la plus basse. La température la plus basse doit être limitée à la température de rosée de l’air intérieur, soit environ 15°C. Le plafond permet donc d’obtenir une température moyenne plus basse, c’est à dire une émission froide relativement élevée.
• . L’installation de plafond rayonnant a été couplée avec une ventilation double flux prétraitée permettant, outre la récupération d’énergie sur l’air extrait et le traitement acoustique de l’amenée d’air neuf hygiénique, d’assécher suffisamment l’air neuf insufflé pour permettre de travailler sur le plafond avec une température de rosée très basse.

4 - Climatisation économique avec eau de nappe

Le véritable aspect novateur de l’installation de l’hôpital LENVAL vient du type d’alimentation en eau glacée de ces émetteurs.
En effet, étant donné les régimes d’eau glacée utilisés avec les plafonds rayonnants (16/19°C), il est apparu que ceux-ci pouvaient être directement - via un échangeur à plaques en titane - alimentés par le pompage sur nappe alimentant les condenseurs des groupes froids existants.

Le pompage sur nappe existant, mesuré sur une saison entière durant les études, a montré une température de puisage fluctuant toute l’année entre 13°C et 15°C, base sur laquelle l’échangeur à plaque primaire a été dimensionné.
Malgré tout, un échangeur secondaire monté en série et raccordé sur le réseau d’eau glacée 7/12 °C de l’hôpital a été mis en place comme appoint ou remplacement de l’échangeur principal en cas de dérive de la température de puisage, de colmatage des puits de puisage ou de maintenance sur ceux-ci.

Extrait de schéma de production avec captage eau de nappe
Les plafonds rayonnants à droite peuvent être alimentés par l’énergie gratuite de la nappe.
L’eau glacée des groupes assurent le secours




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En résumé …

Cette installation apporte donc tous les avantages en termes d’hygiène et de maintenance limitée listés avant et essentielle pour un service hospitalier mais apporte également de par son raccordement direct sur eau de mer un avantage indéniable en termes de consommation d’énergie.
Il n’y a plus de consommations liées à la production frigorifique, la seule consommation étant celle des pompes de circulation de type à débit variable.
Avec un climat de type méditerranéen et des besoins en froid majoritaires, le temps de retour sur investissement par rapport à une solution 4 tubes a été estimée à moins de 2 ans.
A l’heure, de la RT 2005, de la prochaine RT 2010 et des actuelles discussions de Copenhague, c’est l’exemple même de la climatisation gratuite et non polluante qui semble être une solution pleine d’avenir…

Olivier FABRE – Ingénieur BET SUDEQUIP
Responsable du service Fluides, Olivier FABRE est spécialisé dans les projets hospitaliers de haute qualité énergétique et environnementale
www.gingergroupe.com