La piscine de demain sera passive pour être ludique et consommer moins

Par Alain GARNIER Directeur Scientifique & Innovation - Bureau d'Etudes GARNIER Ingénierie des Fluides

Après bien des recherches, des réalisations, des modélisations et des contrôles de performances, après un benchmark (étude comparative) d’une cinquantaine de piscines en Europe suivi d’une analyse de consommations, nous vous proposons de découvrir ce que pourrait-être la piscine de demain.

La circulaire n° 2004-139 du 13 Juillet 2004 relative à l'enseignement de la natation dans les établissements scolaires des premiers et seconds degrés. Il semble raisonnable de prévoir au total 45 à 60 séances de natation sur l’ensemble de la scolarité pour atteindre un réel « savoir-nager ».

Si on applique cette circulaire, on manque à peu près de 65% de piscines en France.

La piscine est un bon exercice de transfert thermique pour un énergéticien, ce qui permet de bien se roder pour les futurs BEPAS et BEPOS. Ce bâtiment, le plus énergivore de tous, échappe pourtant à la réglementation thermique. Quand vous payez un ticket d’entrée entre 2,50 € et 4,50 €, le prix de revient global est en fait de 17 € à 20 €, ce sont vos impôts locaux qui paient la différence …

Les piscines réalisées durant ces dernières années ont su réduire de façon importante la consommation d’énergie finale, grâce à la valorisation de l’énergie fatale. On a ainsi, sur des piscines parfaitement isolées et très étanches à l’air, fait régresser l’énergie thermique et finale de 3 600 kWh/m².bassin* à 2 440 kWh/m².bassin*, soit un gain de 35% grâce à une déshumidification thermodynamique avec la valorisation de son énergie fatale.

Le système de déshumidification thermodynamique peut être, soit de type à compression mécanique électrique : groupe de production d’eau glacée eau-eau, soit de type à absorption : machine à absorption à réchauffage indirect. L’avantage va à la machine à absorption, malgré 5% de moins en performance, car elle a une durée de vie de 21 à 25 ans au lieu de 7 à 10 ans. Elle permet également une alimentation en energie renouvelable, si on se raccorde sur un réseau de chaleur biomasse ou biogaz.
* Pour 140 00 entrées par an et avec une utilisation de 100 h par semaine.

Les équipements thermiques et électriques seront plus performants, et la piscine sera de plus en plus passive de façon à bénéficier, grâce au rayonnement UV, d’un chauffage solaire de la halle des bassins, du réchauffage de l’eau de ses bassins, et aussi pouvoir être éclairée de façon naturelle pour réduire la consommation d’énergie finale et primaire.

Comme une partie majeure de cette énergie sera renouvelable, on parlera alors de piscine passive (PEPAS).

Si on veut aller encore plus loin en énergie renouvelable
On installera une machine à absorption à réchauffage indirect, pour les raisons évoquées plus loin. Le bouilleur de cette machine à absorption à réchauffage indirect pourra être alimenté en chaleur depuis un réseau alimenté par une chaufferie collective, fonctionnant en EnR (biomasse, biogaz, etc ..).

Il pourra l’être également une partie de l’année, par des capteurs solaires à tubes sous vide, dans les zones bien ensoleillées. Le bouilleur a besoin d’une température d’eau de 88°C avec un minimum à 70°C. Ce type de capteur présente un rendement supérieur aux capteurs plans vitrés lors de journées couvertes, et monte en température très rapidement et même avec quelques heures de soleil, il sera en mesure de chauffer l'eau nécessaire aux besoins thermiques.


Facteurs d’influence sur les consommations
La consommation d’énergie thermique de la piscine dépend en grande partie de l’ensoleillement, de la fréquentation des baigneurs et de leur propreté. Dans une procédure de marchés publics de type REM ou CREM, donner des indicateurs de performance sans en faire référence n’a pas de sens.
La fréquentation est évolutive dans les premières années, le temps de fidéliser toutes les catégories de baigneurs. Il n’est pas étrange de démarrer avec 140 000 entrées et de passer à 200 000 quelques années après.

Les piscines 2020 seront parfaitement isolées et très étanches à l’air, de façon à ne consommer en énergie thermique et finale que 1 720 kWh/m².bassin* au lieu de 3 600 kWh/m².bassin*, soit un gain de 50%.
Cette consommation réduite sera le fait, de la valorisation de l’énergie fatale et du recours à l’énergie renouvelable.

- Récupération de la chaleur de réjection, provenant du condenseur de la machine à absorption et récupération enthalpique de la chaleur de l’air humide et vicié rejeté.

- Energie renouvelable : chauffage solaire de l’air et de l’eau et free chilling permettant de déshumidifier l’air de la piscine.

^{* Pour une fréquentation de 140 000 baigneurs par an, 100 h d’ouverture par semaine, sans ralenti, de couverture des bassins la nuit et d’une surface des plans d’eau de 635 m².}

Notons que pour une fréquentation de 200 000 baigneurs par an, 100 h d’ouverture par semaine, sans ralenti, de couverture des bassins la nuit et une surface des plans d’eau de 635 m², la consommation en énergie thermique et finale passe à 1 880 kWh/m².bassin*.

Le besoin calorifique le plus important dans une piscine avec une fréquentation moyenne sera la déshumidification et le chauffage du hall des bassins. Avec une fréquentation maximum, ce sera le réchauffage de l’eau chaude du bassin. Ce constat guidera notre choix de solution ainsi que la taille des systèmes, de façon à valoriser toute la chaleur de réjection (énergie fatale).

Les solutions à mettre en place pour avoir moins de chloramine
La propreté des baigneurs à une grosse influence sur celle de l’eau, et donc sur l’air avec ses conséquences sur son énergie thermique. Les MNS ne peuvent pas systématiquement contrôler que les douches sont utilisées par les baigneurs à leur entrée dans la halle.

Du savon sera mis à leur disposition et des messages rappelleront l’obligation de se doucher et pourquoi. Il n’est pas question de doucher les baigneurs de façon automatique, mais de faire de la prévention en se faisant aider par des moyens électroniques : bracelets connectés, LEDs suiveuses, qui rappelleront au baigneur « l’oubli ».

La quantité d’eau nécessaire est au minimum de 15 à 25 l/baigneur à 40°C, les 31 l/baigneur conseillé étant rarement atteints même avec une deuxième douche en sortant. Avantage indirect : la déshumidification thermodynamique permettra de piéger 1/3 de la chloramine et de l’évacuer dans les condensats rejetés sur le réseau d’égouttage.

Les solutions premières pour réduire encore un peu plus la consommation d’énergie :

La nuit, on limitera l’évaporation des bassins par des fonds mobiles qui remontant en surface, serviront de couverture thermique.
On pourra ainsi réduire la ventilation de la halle des bassins au strict minimum, et ne conserver que le chauffage des plages pour éviter de descendre en-dessous du point de la condensation (21,5°C).
On pourra régler n’importe quelle profondeur de bassin selon les besoins, et ce, par rapport à l’animation ou l’activité proposée. (Doc FUTURA PLAY)

Le but d’une piscine passive, c’est de diminuer la consommation d’énergie, tout en restant dans une zone de température acceptable.
La halle des bassins, aura des parois très transparentes pour laisser entrer le rayonnement solaire, surtout en hiver ou en France il est à une hauteur d’environ 25° (latitude - déclinaison de 23,5°).
L’éclairage sera naturel et apportera un gain de plus de 65% (70h d’ouverture par semaine).
En été, la hauteur du soleil sera d’environ 72° (latitude - déclinaison de 23,5°), on tolérera que la température dans la halle puisse monter de +10°C et que la température extérieure avec une incidence sur l’eau de +2°C.
La surchauffe d’été pourra être combattue par :

• Des pares soleils ou une sérigraphie sur les vitrages verticaux et horizontaux,
• Un free cooling naturel et/ou mécanique,
• Un free chilling permettant de rafraîchir la piscine en cas de surchauffe extrême.

Schéma de principe d’une solution globale : PEPAS avec équipements hybrides de déshumidification et mix énergétique (doc. A. GARNIER)

Les conséquences du soleil
Les équipements performants de traitement d’air devront tenir compte qu’une piscine passive n’a pratiquement pas d’autre inertie thermique que l’eau des bassins. On aura des variations rapides de températures et donc d’hygrométrie relative (mais pas spécifique) et de lumière.

On pourra être amené à couper la machine à absorption, du fait d’un fort ensoleillement en hiver, qui empêcherait de valoriser sa chaleur de réjection. Dans ce cas, il faudra prévoir un autre système de déshumidification performant, ne recourant pas au renouvellement d’air.

Les systèmes thermodynamiques comportent une multitude de sécurités mise en place par les constructeurs, dans le but de protéger leurs machines. C’est ainsi que sur une machine à absorption, on devra utiliser toute la chaleur de réjection, au risque de passer en sécurité avec redémarrage au bout de 15 mn. On ne va quand même pas installer un dry adiabatique pour la dissipation de la chaleur de réjection. Une régulation devra donc être prévue, afin de réduire la puissance du bouilleur et de là, la production de froid, apte à déshumidifier et donc la chaleur de réjection à valoriser.

Les solutions à mettre en place pour rendre plus performants les équipements
Si les chaudières et brûleurs fonctionnent au gaz, ils seront à condensation, avec un rendement pouvant atteindre 107% sur PCI.

Si les chaudières sont à 3 piquages, les circuits basse température seront ramenés sur le condenseur et le circuit haute température (bouilleur de la machine à absorption production d’ECS) sur l’échangeur à haut rendement.

Si les chaudières sont à 2 piquages, les circuits seront raccordés en série et/ou en dérivation, en commençant par ceux à haute température, et en finissant par ceux à basse température.

Schéma de principe d’un système de production de chaleur avec chaudière gaz 2 ou 3 piquages, où tout est fait pour condenser (doc. A. GARNIER)

Les chaudières et brûleurs auront une modulation de puissance de 10 à 100%. Ce qui, dans le cas de 2 chaudières et brûleurs, permettra une modulation de puissance de 5 à 100%, plus proche des besoins d’été, et apte à moduler la puissance de la production de chaleur très rapidement en fonction des besoins très influencés du soleil. Après les deux vidanges obligatoires par an, on réchauffera les bassins en 72 ou 112 h au lieu de 48 h, comme c’est le cas actuellement. Les chaudières et brûleurs seront moins puissants et plus proches des besoins courants, ce qui permettra d’avoir un meilleur rendement de génération et donc moins de pollution (NOx), du fait de la suppression d’une partie des courts cycles.

On pourra profiter de la puissance excessive de la chaufferie, du fait du réchauffage des bassins pour raccorder dessus un îlot énergétique ou un éco-quartier. Cette mutualisation des moyens permet de réduire le coût de travaux et d’exploitation.

Les piscines 2020 bénéficieront d’un éclairage naturel, elles pourraient ainsi arriver à ne consommer en énergie électrique et finale, que 850 kWh/m².bassin (+ 50 si ozone), soit un gain de 30 à 35%. Sous condition que l’on recourt à des moteurs de pompes et de ventilateurs à débit variable et que l’on arrête les installations de traitement d’air et l’éclairage en période d’inoccupation de la piscine.

Jusqu’à présent on savait que dans une piscine, l’eau et l’air étaient très liés (trichloramine - renouvellement d’air, évaporation - humidité, etc ...), l’étape suivante sera d’associer cette condition à la PEPAS (ensoleillement - réactivité des équipements, température élevée – désurchauffe, etc ...).

C’est un tout nouveau concept de système déshumidification des piscines qui vous est présentée ci-après, il correspond à une solution hybride de 3 systèmes autonomes ou complémentaires engagés en fonction des conditions atmosphériques :

• En hiver : l’air extérieur est froid et sec, l’ensoleillement est peu généreux surtout en durée journalière. La consommation d’énergie thermique est maximale, faible en électricité et en déshumidification et maximale en éclairage. La tarification gaz augmente peu, mais électrique beaucoup.
• En demi-saison : l’air extérieur est tempéré et humide, l’ensoleillement est très variable, c’est la période la plus compliquée en maintien des performances.
• En été : l’air extérieur est chaud et parfois très humide, l’ensoleillement est élevé, surtout en durée journalière. La consommation d’énergie thermique est faible (parfois on pourra même fonctionner en free cooling) et faible en électricité, du fait d’un éclairage naturel plus soutenu. La tarification gaz diminue et électrique également.

Les équipements performants de traitement d’air, devront tenir compte de ses variations. L’un des plus gros besoins en énergie thermique, est le chauffage et la déshumidification pour maintenir la température à 27°C, et l’humidité à 15 g/kg air sec (27°C - 67% HR). Un seul système de déshumidification thermodynamique n’est pas envisageable en PEPAS, car il sera vite insuffisant ou en arrêt technique, du fait de la non utilisation de sa chaleur de réjection.

Ce maintien du taux d’humidité était obtenu encore ces dernières années, par l’introduction d’air extérieur plus sec que celui à l’intérieur et l’extraction d’air humide. Ce système a un gros défaut, c’est d’avoir à réchauffer l’air neuf qui est introduit en grande quantité, de plus, quand il pleut, on introduit de l’air plus humide que celui dans la halle, et on condense en détruisant le bâtiment.

Pour maintenir le taux d’humidité à la valeur requise, et en s’affranchissant des conditions atmosphériques extérieures, le plus pertinent et de recourir à une déshumidification thermodynamique plus par free chilling, ce qui permettra d’avoir un minimum d’air hygiénique, plutôt que d’introduire de l’air neuf sec, qu’il faudra réchauffer avec beaucoup d’énergie thermique.

Déshumidification et préchauffage thermodynamique
Si les générateurs de froid, nécessaires à la déshumidification sont bien dimensionnés, ils devront fonctionner plus de 6 000 h/an. En terme de coût global, la solution thermodynamique par « machine à absorption à réchauffage indirect » est mieux placée qu’un « groupe d’eau glacée à compression électrique », car la machine offre plus de chaleur de réjection, et elle a une meilleure durée de vie (21 à 25 ans au lieu de 7 à 10 ans).

De plus, la machine à absorption à réchauffage indirect, est une excellente solution de développement durable car son bouilleur pourra toujours être alimenté en chaleur par une source EnR.

Le free chilling en piscine expliqué de façon simple

1. Pour déshumidifier l’air d’une halle de piscine, il existe une solution peu énergivore, c’est de faire condenser sa vapeur d’eau par le froid et d’évacuer le condensat plutôt que de renouveler l’air dans de grosses quantités et d’avoir à le réchauffer.

2. Pour faire condenser de la vapeur d’eau, il faut faire passer l’air qui en est chargé, au travers d’une batterie suffisamment froide.

3. Pour déshumidifier l’air d’une piscine à 27°C et 15 g/kg d’air sec, de l’eau glacée à 13°C suffit.

4. On peut fabriquer de l’eau froide à 13°C à l’aide d’un aéroréfrigérant sec, recourant au froid naturel obtenu avec de l’air extérieur sec à 5K de moins (soit ts 8°C) ou à l’aide d’un aéroréfrigérant adiabatique recourant à de l’air extérieur humide à 2K de moins (soit th 11°C, obtenu à ts 15°C et 60% HR par exemple).

5. L’air extérieur sec à 5K de moins, offre une potentialité de refroidissement de 32% et l’air humide à 2K de moins, offre une potentialité de refroidissement de 59% (1).

6. On l’aura compris, il vaut mieux réaliser un free chilling à l’aide d’un aéroréfrigérant adiabatique recourant à de l’air extérieur humidifié, mais pour cela, il faut de l’eau. Dans le cas d’une piscine, ce n’est pas un problème, il y a celle rejetée en grande quantité toutes les nuits, provenant du lavage des filtres.

7. Comme ce système de free chilling en piscine (2) vient en complément du système thermodynamique, on n’a pratiquement plus besoin d’air neuf hygiénique dans la piscine (60 m³/h baigneur).
Le système thermodynamique, recourt à une machine à absorption à réchauffage indirect dont le bouilleur peut être alimenté au moyen d’un générateur de chaleur (fossile ou biogaz), d’un réseau de chaleur (biomasse, etc ...), voire de capteurs solaires thermiques avec stockage à haute température.

Avec cette solution hybride, on arrive à plus de 50% de gain d’énergie thermique, qui de plus, est couverte en partie en énergie fatale valorisée et en énergie renouvelable.
^{(1) Météo de Paris
(2) La potentialité en free chilling est calculée avec un pas d’une heure (8600 lignes).
(3) Dépôt de brevet à l’INPI.}

Les solutions engagées en fonction des saisons pourront alors être celles-ci :

• En hiver : solaire passif de l’air et de l’eau + préchauffage de l’air neuf au moyen déshumidification thermodynamique par machine à absorption à réchauffage indirect par chaufferie ou réseau de chaleur, avec valorisation de sa chaleur de réjection pour le chauffage, le réchauffage de l’eau des douches et des bassins et appoint par chaufferie ou réseau de chaleur.
• En demi-saison : déshumidification thermodynamique et free chilling.
• En été : free chilling* et free cooling mécanique et naturel. Pour obtenir une production de froid par free chilling sur une durée plus grande, on forcera l’aéroréfrigérant à fonctionner en adiabatique à partir de l’eau perdue venant du lavage des filtres de la piscine.

Schéma de principe d’une solution globale : PEPAS avec préchauffage de l’air neuf dans la FDP exposée au soleil et rejet d’air vicié dans FDP non exposée au soleil (doc. A. GARNIER)

En été, on protégera la toiture transparente du rayonnement solaire.

Schéma de principe d’une solution globale : PEPAS avec contrôle du rayonnement solaire (sérigraphie amovible) et free chilling mécanique et naturel avec lors des pointes de température free chilling (doc. A. GARNIER)

Un plan de comptage permettra de pouvoir contrôler en permanence les indicateurs de performance, en surveillant non seulement les dérives, mais en optimisant les énergies gratuites et augmentant les performances.
C’est un concept global qui répond bien aux buts recherchés qui sont :

• D’obtenir un coût global réduit,
• De diminuer la consommation d’énergie finale
• De recourir au maximum aux énergies renouvelables,
• De valoriser les énergies fatales,
• De réduire la consommation d’énergie fossile et électrique, et donc de se mettre à l’abri des fluctuations internationales en matière de coût.
• De pouvoir être installé dans les projets neufs comme existants, sans de grosses contraintes.
• D’avoir une maintenance simple.
• De pouvoir contrôler en permanence les indicateurs de performance grâce à un plan de comptage.

Analyse fonctionnelle du système de déshumidification
Les mises en service et arrêts des différents générateurs de froid (aéroréfrigérant adiabatique et machine à absorption), devront être faits en fonction de la charge en froid, par rapport à leur puissance, la potentialité en EnR, à la valorisation de la chaleur fatale. Pour optimiser le coût du kWh chaud et du kWh froid utile, dans bien des cas on aura à réaliser un mix énergétique, au travers de l’engagement de plusieurs systèmes ensembles.

Analyse fonctionnelle de l’engagement des systèmes

Il est à remarquer que le système de déshumidification par modulation du débit d’air neuf ne fonctionnera qu’en dernier recours dans la saison estivale de façon à ne pas avoir à réchauffer l’air. On pourra aussi utiliser le free chilling pour rafraîchir.

Cette mutualisation des moyens, permettra de réduire le coût des travaux et d’exploitation. On pourra, s’il y a des besoins en chaleur à proximité, profiter de la puissance excessive de la chaufferie de la piscine (du fait du réchauffage des bassins), pour raccorder dessus un réseau de chaleur MT ou/et BT alimentant un îlot énergétique. Ce denier pourra, peu à peu être regroupé avec d’autres pour former un éco-quartier.

Schéma simplifié d’une synergie énergétique d’un îlot énergétique avec des productions de chaleur et de froid partagées et un mix énergétique (doc. A. GARNIER)

On pourra également, s’il y existe une production de froid à proximité ayant de la disponibilité en hiver et une partie de la demi-saison, se passer de la machine à absorption. Au travers du réseau de froid de l’ilot énergétique, on alimentera nos batteries de déshumidification. On pourra également, s’il existe un réseau de chaleur BT, alimenter les besoins de réchauffage d’eau chaude sanitaire et d’eau du bassin.

Principe de l’ilot énergétique (doc. A. GARNIER)

On pourra aussi, s’il existe des besoins en froid à proximité, continuer de faire fonctionner la machine à absorption en été, au moment ou l’on n’en n’aura plus besoin pour la déshumidification du hall des bassins, pour raccorder dessus, un réseau de froid alimentant un îlot énergétique. Ce denier pourra réaliser la climatisation de bureaux, salles ERP, centres commerciaux, maison de retraite, etc ... La chaleur de réjection sera conservée pour les besoins de réchauffage d’eau chaude sanitaire et d’eau du bassin.

Par Alain GARNIER
Directeur Scientifique & Innovation - Bureau d'Etudes GARNIER Ingénierie des Fluides

SOURCES ET LIENS

www.be-garnier.fr
alain.garnier@be-garnier.fr

→ Prix de l’Eco-Efficacité, catégorie « Projet » en 2009, décernée par Ademe, Effinergie, CSTB, CoSTIC, Cegibat, ICO, CFP à Lille.
→ Trophée GAZosphère 2012 - Prix de la technique décerné par GRDF.
→ Prix de l’innovation sponsorisé par le CSTB dans le cadre du Festival FIMBACTE 2015

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