Une rénovation bureaux basse consommation réussie

Par Irène ARDITI et José NAVETEUR de l'AIVCF

Rénover une ancienne école en immeuble de bureaux en atteignant moins de 45 kWhep/m² shon.an sur le poste chauffage, ventilation et rafraîchissement, c'est possible. EDF R&D a assuré le suivi de cette installation particulièrement performante en Franche Comté.

La société Habitat développement local (HDL) a acquis l'ancienne école Jean-Jaurès (2 036m² shon) à Besançon, et l'a en partie agrandie pour y installer ses bureaux et créer un pôle regroupant différentes structures départementales oeuvrant pour l'habitat. L'activité de cette société est, entre autres, de rénover des bâtiments et de les louer. Soucieuse des enjeux liés au développement durable, HDL souhaitait aussi montrer à ses clients qu'elle maîtrisait l'efficacité énergétique de la façon la plus crédible qui soit : en se l'appliquant à soi-même.

Le bureau d'études Image et Calcul, basé à Besançon, s'est donc vu confier la mission de réhabiliter ce site avec un objectif ambitieux: ne pas dépasser une consommation de 50 kWhEp/m² shon.an (Ep: énergie primaire) sur le poste chauffage, ventilation et climatisation (CVC), dans une région connue pour ses hivers rigoureux (température de base - 13 °C) et des étés souvent chauds. La barre était donc placée haut en termes d'efficacité énergétique… La réalisation du chantier a été confiée à l'entreprise l'Est Énergie, basée à Besançon. Les sondes géothermiques verticales ont été réalisées par l'entreprise Mannfor, également locale.

1°/ Minimiser tous les besoins : chaleur, froid et éclairage

ancienne école Jean-JaurèsLes déperditions pour les conditions de base sont de 65 kW, soit 32W/m² shon. L'isolation renforcée des parois opaques – une partie de l'isolation est faite par l'extérieur – conduit à des coefficients U de l'ordre de 0,27W/m².°C. En plus des 20 cm de laine minérale, l'isolation du toit est complétée par 8 cm de laine de bois (U: 0,14W/m².°C). L'objectif est ici de renforcer l'inertie thermique de la toiture pour le confort d'été. En effet, en plus de sa faible conductivité thermique, la laine de bois bénéficie d'une masse volumique et d'une capacité thermique élevées. L'onde de chaleur provenant du toit, en été, est ainsi retardée de cinq à sept heures, alors que le personnel a quitté les bureaux.

Les fenêtres sont en aluminium avec des doubles vitrages argon (Uw: 2 W/m².°C). Leur surface est limitée, en moyenne, à 28% de la surface des façades. Ces vitrages sont un bon compromis entre un faible facteur solaire (38%) pour limiter les apports solaires, et une transmission lumineuse élevée (70 %) pour favoriser l'éclairage naturel. Les parois intérieures des bureaux sont d'ailleurs équipées, en zone haute, de panneaux translucides permettant à la lumière de pénétrer dans les couloirs centraux. Pour minimiser les consommations d'éclairage, des détecteurs de présence ont été installés dans toutes les circulations et locaux techniques. Ils pilotent aussi le CVC des locaux de réunions.

2°/ Installer des matériels à haute efficacité

Les terminaux de diffusion sont des modules de type poutres actives fermées (photo 2). Ce sont des cassettes sans ventilateurs qui ne nécessitent ni filtres ni bacs de condensats. Leur maintenance en est grandement simplifiée. Ces cassettes sont prévues pour fonctionner avec une température haute en été (17 °C) et basse en hiver (35 °C). L'air prétraité en centrale est amené dans les poutres via des buses qui, par induction, entraînent l'air sur les batteries. Les déperditions liées au renouvellement d'air sont réduites au minimum: la ventilation double flux est équipée d'un échangeur rotatif à haute efficacité (centrale Gold du constructeur Swegon affichant une efficacité de 80%) (Photo 3). Les deux ventilateurs hélico-centrifuges sont équipés de variateurs de vitesse. Le revêtement hygroscopique du récupérateur permet une humidification de l'air neuf en hiver et sa déshumidification en été.

Mise en place d'une poutre froide
Photo 2
Mise en place d'une poutre froide
avant la pose des plaques de faux-plafond

CTA avec échangeur rotatif Swegon
Photo 3
CTA avec échangeur rotatif Swegon

La production d'eau chaude et d'eau glacée est assurée par deux pompes à chaleur (PAC) eau glycolée/eau (Vitocal 300 G du constructeur Viessmann, Photo 4). La puissance calorifique de chacune est de 32,6 kW, la puissance frigorifique de 25,4 kW pour une puissance absorbée de 7,2 kW (COP de 4,5 sous 0 °C/35 °C). En complément, un réchauffeur de boucle électrique de 9 kW est installé en série afin de prendre en compte d'éventuels aléas de mise en oeuvre de l'isolation en réhabilitation.
Les PAC sont raccordées à un champ de dix sondes géothermiques verticales pénétrant chacune à 100 mètres de profondeur (Photo 5). Le dimensionnement du champ de capteurs a été fait sur la base de 50 W/ml. En hiver, l'eau provenant des sondes est ainsi envoyée vers les évaporateurs des PAC. En été, la priorité est donnée au mode géo-cooling: l'eau des sondes alimente la batterie froide de la CTA et, via un échangeur, les modules de confort. Dans ce cas, on rafraîchit sans compression électrique.
En cas de très forte chaleur, la PAC complémente l'apport du géo-cooling.
Le schéma de principe prévoit une évacuation possible des calories provenant du condenseur de la PAC vers les sondes verticales. La quasi-totalité des pompes de circulation sont équipées de variateurs de vitesse. Enfin, en plus de la détection de présence, l'éclairage est du type T5. Le coût des travaux de CVC, avec les sondes géothermiques verticales, ressort à 194 €HT/m² shon.

PAC eau/eau Viessman
Photo 4
PAC eau/eau Viessman

3°/ Un résultat remarquable

Les consommations finales tous usages s'élèvent à 54 kWh/m².an. Le poste CVC, en 2008, représente un tiers des consommations finales avec 17 kWh/m².an, c'est-à-dire 44 kWhEp/m² shon.an. HDL fait mieux que l'objectif fixé des 50 kWhEp/m² shon.an malgré un hiver rigoureux. Les autres usages représentent deux tiers des consommations, soit 37 kWh/m².an, dont dix concernent l'éclairage. ( Figure 1)
Les PAC fonctionnent dans d'excellentes conditions : leur COP machine moyen annuel est de 4,2 et près de 4 en intégrant la consommation de la pompe qui irrigue les sondes géothermiques. Malgré les frimas de l'hiver 2008-2009, l'appoint électrique n'a jamais été sollicité. Les PAC n'ont quasiment pas fonctionné durant l'été, le géo-cooling assurait seul le rafraîchissement. (Figure 2)

Un site "classe A"
En intégrant les consommations d'éclairage, ce site se positionne en classe B d'étiquette énergie, et en classe A en termes d'émissions de gaz à effet de serre. Une solution gaz + groupe froid air/eau (hypothèse d'un rendement de 95% sur PCS) se serait positionnée en classe B vis-à-vis de l'énergie primaire, mais en classe B en termes de gaz à effet de serre. La solution géothermie verticale permet ainsi une diminution de deux tiers des rejets de CO2.

Répartition des consommations annuelles
Figure 1
Répartition des consommations annuelles par usage



Évolution des consommations CVC
Figure 2
Évolution des consommations CVC sur une année (ici de septembre 2008 à août 2009)

2009, encore mieux que 2008 !

Le bilan pour l'année 2009 est le suivant :

- La consommation tous usages passe à 50 kWhf/m².an (129 kWhep)
- La consommation CVC passe à 15 kWhf/m².an (37 kWhep)
- Le COP de la PAC est de 4,5.

4°/ Un coût d'exploitation compétitif

La géothermie verticale prend encore un net avantage sur le fossile en termes de coût d'exploitation: le MWh chaud sorti PAC est de l'ordre de 28 euros HT/MWh (prime fixe incluse; le site est en tarif jaune). Avec une chaudière gaz, il aurait été proche de 45 euros/MWh. Dans ces conditions, les coûts du poste énergie sont particulièrement faibles, ils atteignent 5,6 euros/m² shon.an, tous usages confondus. Le poste CVC représente 1,9 euro/m² shon.an, dont 1,3 pour la PAC. C'est remarquable. Cette opération démontre que la géothermie verticale est un excellent vecteur d'éco-efficacité énergétique. Elle a permis à la société HDL, avec l'implication de tous les intervenants, d'atteindre le niveau d'exigence élevé qu'elle s'était fixé. Trois barres difficiles à franchir en énergie primaire, ont été passées : 45 kWhep/m².an pour le CVC, 70 pour les usages RT et 140 tous usages confondus. À l'aune des différents suivis effectués par EDF R&D et de la littérature actuelle sur le sujet, cette opération de rénovation est selon nous, la plus performante à l'échelle nationale, en termes d'éco-efficacité énergétique.

Quelques chiffres

- Surface totale : 2 036 m² shon
- Consommation totale : 54 KWh/m².an
- Coût énergétique : 5,6 euros/m² shon.an

Coordonné par Irène ARDITI et José NAVETEUR de l'AIVCF
Chronique en partenariat avec la revue CVC (mars/avril 2010) – de l'AICVF - Association des Ingénieurs en Climatique, Ventilation et Froid.

→ SOURCES & LIENS

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