Etude de cas d’un système d'hybridation dans un établissement scolaire de Toulon

Par Frédéric VERGES, Chargé de mission chez GRDF

Dans le cadre de la transition énergétique, les établissements scolaires sont de plus en plus sollicités pour expérimenter des solutions de chauffage innovantes et plus respectueuses de l'environnement. L'hybridation est une solution envisagée. La ville de Toulon, soucieuse de décarboner son parc immobilier, a fait de l'école Claude-Debussy un site pilote pour cette technologie hybride. Cegibat accompagne la mise en œuvre de ces solutions en milieu scolaire.

Contexte de l’hybridation dans les établissements scolaires : l’école Claude-Debussy

L’hybridation des systèmes de chauffage, en associant une chaudière gaz à condensation et une pompe à chaleur (PAC), s’impose comme une solution incontournable pour répondre aux enjeux actuels de la transition énergétique. Cette technologie hybride permet d’allier efficacité énergétique et réduction des émissions de CO2, particulièrement dans des environnements à forte demande comme les établissements scolaires. Conscients des besoins spécifiques liés à la rénovation de leur parc immobilier, notamment dans le respect des exigences du décret tertiaire, de nombreuses collectivités locales explorent de nouvelles solutions pour décarboner leurs installations tout en garantissant des performances de chauffage optimales.

Dans cette optique et sur la proposition de GRDF, la ville de Toulon a lancé un projet novateur en choisissant l’école Claude-Debussy, située dans le quartier de La Rode, comme site pilote pour une expérimentation d’hybridation chaudière-PAC. Ce projet vise à évaluer comment une telle configuration peut être adaptée aux contraintes techniques et réglementaires des bâtiments scolaires après le succès des expérimentations sur les bâtiments résidentiels, tout en assurant une réduction notable des consommations énergétiques.

L’école Claude-Debussy est le site qui a retenu les attentions en raison des différents critères auxquels elle répondait. En effet, pour permettre des résultats probants, le site devait disposer d’une puissance électrique adaptée à la future installation afin d’éviter la réalisation de travaux de raccordement trop importants qui auraient pu faire exploser la facture globale. Il fallait également que la future PAC soit disposée sur un emplacement respectant la tranquillité du voisinage en évitant les nuisances sonores.

Pour finir, la chaufferie se devait d’être à la fois accessible, vaste et suffisamment loin des zones utilisées par les enfants. Jean-Marc Cermelli, directeur transition énergétique et environnement à la ville de Toulon, s’est assuré du respect de l’intégralité de ces paramètres. La PAC air/eau monobloc a donc été mise en place à proximité de la chaufferie existante, dans un espace sécurisé.  

Hybridation du système en conservant la chaudière actuelle

Arnaud Poitau, manager opérationnel chez Dalkia, chargé de l’exploitation-maintenance de l’établissement en question, souligne que les anciennes chaudières de l’école avaient été remplacées en 2015 par une chaudière gaz à condensation de 180 kW. Cette dernière a donc été conservée et une PAC air/eau monobloc de 26 kW lui a été couplée.

Avant de réaliser la mise en œuvre de cette installation, une étude a été menée par le Costic, (Comité scientifique et techniques des industries climatiques) afin de vérifier les chances de réussite de cette expérience. 

Cédric Beaumont, directeur technique de ce comité indique que “ Notre mission portait spécifiquement sur l’aspect instrumentation ainsi que sur l’évaluation des performances. Nous nous sommes appuyés sur le schéma hydraulique envisagé par la maîtrise d’ouvrage. Dès l’appel d’offres, nous avons proposé un plan de comptage de principe, amené à être transposé sur le schéma d’exécution.”

Pour mener à bien l’expérimentation, le Costic a fourni un compteur d’énergie thermique pour chaque départ des trois circuits de chauffage afin de mesurer :

• l’énergie primaire consommée par la PAC sur son circuit,
• l’énergie utile produite par la pompe à chaleur en aval de la bouteille de découplage,
• l’énergie utile produite par la chaudière.

Un compteur gaz et un électrique viennent compléter cette installation afin d’avoir un visuel précis de l’ensemble des consommations et productions d’énergie. Le Costic a également fourni une sonde de température intérieure et une sonde extérieure. Enfin, un débitmètre équipe chacun des trois circuits hydrauliques. 

Taux de couverture : un critère d’efficacité pour un chauffage hybride

Le taux de couverture de la PAC reflète la part de la demande énergétique totale prise en charge par cet équipement par rapport à la chaudière. À l’école Claude-Debussy, afin d’optimiser ce taux de couverture, plusieurs configurations d’hybridation ont été mises en œuvre et testées. Chaque circuit de chauffage ayant des besoins distincts en fonction de l’utilisation des différents espaces du bâtiment.

Ainsi, trois principales configurations ont été étudiées pour évaluer les performances de la PAC :

• Configuration 1 (mono C1) : hybridation sur le retour du circuit radiateur principal (56 kW), alimentant la majeure partie des locaux ;
• Configuration 2 (partielle C1 + C2) : hybridation sur le retour des circuits radiateurs 1 (56 kW) et 2 (14 kW), destinés à des espaces plus réduits orientés au sud ;
• Configuration 3 (mono Ca) : hybridation sur l’ensemble des circuits radiateurs 1 et 2, ainsi que le circuit CTA (40 kW), qui dessert la centrale de traitement d’air du réfectoire.

 Conclusion de l’expérimentation sur le site pilote Debussy

Emmanuel Duparc, ingénieur systèmes au sein du département R&D d’Atlantic a réalisé une analyse complète suite à l’utilisation du système de chauffage hybride sur une saison. Il souligne l’importance de la régulation des réseaux. Il faut noter que la PAC dispose d’une loi d’eau qui lui est propre, tout comme la chaudière et chaque réseau qui compose le système et qui est fonction des différentes parties de la structure. Ainsi, il est important, à terme, de supprimer le fonctionnement en parallèle des réseaux afin qu’il y ait une régulation primaire (maître) qui soit en mesure de faire parvenir une consigne à la régulation secondaire (esclave) qui est celle de la PAC.

Parmi les trois cas de figure mis à l’essai, il est prouvé que l’hybridation partielle sur les réseaux C1 et C2 est le modèle le plus intéressant en termes de performance. Ceci s’explique notamment par l’intermittence du circuit CTA. Dans d’autres configurations, ce fonctionnement intermittent peut altérer les performances du système.

De plus, est mis en exergue l’impact du circuit 3, c'est-à-dire le CTA du réfectoire, sur les performances générales.

Ainsi, le taux de couverture pour cette hybridation partielle peut même être plus intéressant qu’en cas de raccordement mono-réseau. Il faut pour ce faire, que les circuits soient régulés et que le débit de retour des circuits en lien avec la PAC ne soit pas impacté par le circuit à haute température. Ceci est encore plus vrai car le CTA du réfectoire se base sur des créneaux horaires bien définis.

Selon les cas de figure déterminés, les taux de couverture de la PAC pour les circuits 1 et 2 seront différents :

• maintien constant de la chaudière à 70°C : dans ce cas, le taux de couverture théorique est estimé à 33 %, soit 21 % de l’installation globale ;
• maintien constant de la chaudière à 50°C offrant un taux de couverture de 54 %, soit 35 % de l’installation totale ;
• maintien de la chaudière à 70°C durant 6 heures par jour : taux de couverture théorique estimé à 74 %, soit 46 % de toute l’installation.

 Pour la saison de chauffe à venir, Cédric Beaumont explique que “les suivis se concentreront davantage sur les bilans énergétiques et la performance”.