synthese du projet de fin...

GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

SYNTHESE DU PROJET DE FIN D’ETUDES

CONCEPTION DE CENTRALES DE PRODUCTION D’ENERGIE UTILISANT LES CALORIES DES EFFLUENTS D’UNE STATION D’EPURATION

Projet de Fin d’Etudes réalisé à CRUDELI

par Damien FELIX

Tuteur Institutionnel : A. JEGOU

Tuteur Entreprise: G. GAUDIN

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

MAI 2012

Fiche d’objectifs La société CRUDELI travaille actuellement sur un projet de mise en œuvre d’une

boucle d’eau de récupération d’énergie sur les eaux d’une station d’épuration, afin d’alimenter un ensemble immobilier de bureaux et de logements.

L’évolution de la réglementation thermique et la politique énergétique internationale liée

au Grenelle de l’Environnement incitent de plus en plus les maîtres d’ouvrage et maîtres d’œuvre à se tourner vers les énergies renouvelables afin de concevoir des bâtiments durables et moins énergivores. C’est ce contexte qui pousse aujourd’hui l’investisseur Bouygues Immobilier et son partenaire institutionnel, la Ville de Marseille, à développer un quartier durable et à valoriser l’énergie contenue dans les eaux usées.

L’objectif est de produire de l’énergie destinée au chauffage, au rafraîchissement et à

l’eau chaude sanitaire, en utilisant les calories de la station de traitement des eaux usées de la SERAM située sur la commune de Marseille. Le principe est de mettre en œuvre un réseau d’eau tempérée grâce à un échangeur alimenté au primaire par les eaux usées dont la température et le débit sont connus. La production est de type décentralisée par bâtiment. Cette boucle d’eau alimente chacune des sous-stations situées dans les bâtiments et dans lesquelles sont installées des machines thermodynamiques eau/eau.

En tant que partenaire, CRUDELI apportera son savoir faire d’installateur dans la

construction des centrales de production et l’optimisation de ce concept de boucle sur eaux usées pour les futurs utilisateurs.

Objectif : - Identification des besoins. - Synthèse et exploitation des données (débits et températures des eaux usées, temps

de fonctionnement de la station d’épuration). - Dimensionnement des installations (échangeurs, réseau hydraulique, pompes à

chaleur, productions eau chaude sanitaire, pompes). - Etude financière (détermination des coûts fournitures et main d’œuvre). - Gestion des interactions avec les autres corps d’état (lot Electricité pour bilan

électrique des équipements, lot VRD pour réseaux enterrés…). - Analyse financière du projet avec proposition commerciale.

Remerciements : Je tiens à remercier l’ensemble des équipes du groupe Nexilis pour leur disponibilité, le

partage de leur savoir faire et leur accueil durant ce projet de fin d’études.

La clôture de la formation par ce stage me permet de remercier l’INSA de Strasbourg et le COSTIC pour la qualité de la formation qu'ils nous ont dispensée durant ces trois années et l’investissement personnel de tous les intervenants dans le développement et la reconnaissance de la filière Génie Climatique et Energétique.

Résumé La réglementation thermique 2012 impose des règles plus contraignantes concernant

les performances énergétiques des bâtiments. Elle oblige les promoteurs à chercher de nouveaux systèmes pour diminuer les consommations d’énergie des bâtiments qu’ils conçoivent. Ce projet d’études a pour objectif de leur proposer une solution d’économies d’énergies pour de nouvelles constructions. Le principe de base est l’installation de machines thermodynamiques à condensation par eau pour produire le chauffage, la climatisation et l’eau chaude sanitaire. La particularité du dispositif est l’alimentation des machines par un réseau d’eau tempérée qui récupère ou évacue les calories sur les effluents de la station d’épuration de Marseille, qui est la plus grande station enterrée du monde. Le périmètre du projet d’études comprend la conception, et dimensionnement des installations, l’étude des économies d’énergie, et la vente du dispositif auprès des promoteurs immobiliers.

Abstract Design of power plants energy supply using the calories of a

wastewater-treatment plant’s effluents The thermal regulations act 2012, imposes a stricter set of rules concerning the

energy performances of buildings. This compels property developers to seek out new innovations in order to reduce the energy consumption of the buildings which they design. This study aims to propose to them a solution of energy savings for their new constructions. The basic principle of this study relies on the installation of thermodynamic water-based condensation machines to produce the heating, the air conditioning and the domestic hot water. The uniqueness of the system mostly relies on the machines ́ water supply. Indeed, this will be achieved through a network of temperate water which filters calories of the effluents of the Marseille wastewater-treatment plant, which is the biggest underground wastewater-treatment plant in the world. The area of this study includes the design and sizing of the installations, the evaluation of energy savings and the sale of this system to the property developers.

FELIX Damien JEGOU Armel

1 Conception de centrales de production d’énergie utilisant les calories des effluents d’une station d’épuration

Sommaire

INTRODUCTION .......................................................................................................... 2 1. CONTEXTE DE L’ETUDE .................................................................................... 3

1.1. CONTEXTE GEOPOLITIQUE ................................................................................... 3 1.2. CONTEXTE TECHNIQUE ........................................................................................ 4

2. LES DIMENSIONNEMENTS DU RESEAU D’EAU TEMPEREE ......................... 7

2.1. BILAN THERMIQUE GLOBAL. .................................................................................. 7 2.2. DIMENSIONNEMENT THERMIQUE DE LA BOUCLE ..................................................... 7 2.3. DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE DE LA BOUCLE D’EAU ..................................... 10 2.4. DIMENSIONNEMENT LOCAL DE POMPAGE ............................................................ 11

3. MODIFICATION DES PLANS ............................................................................ 13

3.1. PRESENTATION DE LA BOUCLE OUVERTE ............................................................ 13 3.2. PREMIERE PROPOSITION .................................................................................... 15 3.3. DEUXIEME PROPOSITION .................................................................................... 16

4. ETUDE ENERGETIQUE DU RESEAU D’EAU TEMPEREE .............................. 17

4.1. LES DONNEES NECESSAIRES A L’ETUDE .............................................................. 17 4.2. ETUDE DES BESOINS DES BATIMENTS ................................................................. 20 4.3. MUTUALISATION DES BESOINS AU NIVEAU DU LOCAL D’ECHANGE ......................... 22 4.4. ETUDE DES CONSOMMATIONS ELECTRIQUES ....................................................... 24 4.5. PRESENTATION DES RESULTATS ET COMPLEMENT D’ETUDES ............................... 26 4.6. CRITIQUE DE L’ETUDE ........................................................................................ 28

5. ETUDE FINANCIERE ......................................................................................... 29

5.1. INVESTISSEMENTS ............................................................................................. 29 5.2. EXPLOITATION DU RESEAU ................................................................................. 29 5.3. BILAN FINANCIER PREVISIONNEL ......................................................................... 30

CONCLUSION ........................................................................................................... 34 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................... 35 SOMMAIRE DES ANNEXES ..................................................................................... 36



Introduction La population urbaine a atteint en 2000 le seuil de 50% de la population mondiale,

(60 % prévu en 2030), ce qui justifie amplement l’intérêt porté aux problèmes de notre environnement urbain. Centre de l’activité économique, les villes consomment la majeure partie des ressources de la planète, mais sont également responsables de l’essentiel de la pollution. C’est pourquoi l’aménagement urbain est une priorité absolue qui implique des décisions à long terme.

La demande de services tel que la climatisation augmente déjà rapidement, et

augmentera davantage en raison de l’évolution de la densité de population, de l’accroissement du parc d’équipements informatiques et de l’étanchéité des enveloppes de bâtiments. Pour faire face à ces défis, les réseaux urbains représentent la manière la plus efficace de gérer l’énergie, à la fois au niveau de l’économie, de la rationalisation de la distribution, de la pollution et de la consommation d’eau.

Au niveau national l’objectif est de porter à 23% en 2020 la part des énergies

renouvelables dans la consommation d’énergie finale soit 13% de plus qu’en 2005. Les réseaux tiennent un rôle important dans le développement des énergies renouvelables. Ils permettent d’une part de valoriser de manière optimum la biomasse, la géothermie ainsi que les chaleurs de récupération. A l’horizon 2020 un taux de 50 % d’énergies renouvelables et de récupération devra être atteint sur le parc national des réseaux de chaleur.

Cependant ces réseaux restent très dépendants des énergies fossiles et notamment

de leur coût d’où la recherche de diversification par la production d’énergie par les énergies renouvelables. Il se développe également des solutions alternatives où le réseau est indépendant de toute matière combustible. C’est la solution qui va être présentée dans ce rapport.

Dans notre situation nous ne parlons plus de réseau de chaleur mais de réseau d’eau

tempérée. Le réseau est maintenu à une température oscillant autour des 20°C grâce à des transferts d’énergie avec une source d’énergie stable et inépuisable. Certains ont choisi l’eau de mer, comme la Seyne-sur-mer. Le choix de la ville de Marseille est l’eau des effluents d’une station d’épuration (STEP).



1. Contexte de l’étude

1.1. Contexte Géopolitique Aujourd’hui le concept de réseau gagne du terrain en France. Il est très soutenu par

les lois et les mécanismes d’incitations. Les réseaux qui se développent sont constitués d’une production centralisée combinée à un réseau de distribution et d’un client qui se connecte sur le réseau pour consommer de la chaleur ou du froid. C’est le schéma traditionnel d’un réseau de chaleur ou de froid. Ce que nous cherchons à développer au travers de ce projet est diffèrent.

La tenue de l’euro de football 2016 en France et l’obtention par Marseille de

l’organisation de certaines rencontres dans le Stade Vélodrome ont permis de finaliser le projet de rénovation du stade. Dans le contrat de rénovation les entreprises ont obtenu des droits de construction sur les terrains aux abords du stade. Ce n’est plus seulement un stade qui se rénove mais un quartier qui se construit. Suite à la sensibilisation grandissante quand au problème de réchauffement climatique et surtout aux questions d’indépendance énergétique de la région une dimension écologique et économique ont été apportées au projet.

Régulièrement la région Provence-Alpes-Côte d’Azur est au cœur de l’actualité au

moment des pics de consommation d’énergie en été et en hiver. C’est une région qui produit seulement 5% de l’énergie consommée et qui importe plus de 50% de l’énergie électrique. La région PACA a une forte dépendance énergétique. C’est un point qui a incité la ville à demander des moyens de production d’énergies renouvelables sur ce nouveau quartier. Tous les bâtiments seront labellisés BBC. Un système de récupération des eaux de pluie sera mis en place sur le stade pour assurer l’entretien de la pelouse et des panneaux solaires seront installés en toiture pour produire l’énergie électrique du quartier.

L’histoire de la ville de Marseille est profondément marquée par les pénuries d’eau

qu’elle a subit. Grâce à des ouvrages remarquables elle est désormais riche en eau. Mais toute la population et les élus restent sensibles à la préservation de cette ressource. C’est pour cela que de grands complexes ont été réalisés pour traiter les eaux usées avant leur rejet dans le milieu naturel. Marseille est aujourd’hui équipée de la plus grande station d’épuration enterrée du monde. Elle a une capacité de traitement de 1,8 millions d’habitants et rejette plus de 80 millions de m3 d’eau traitée par an. Cette station d’épuration a la spécificité de se trouver quasiment sous le stade Vélodrome. Après une étude géographique nous pouvons considérer que le nouveau quartier en construction autour du stade Vélodrome se développe sur un fleuve. Connaissant le potentiel énergétique de l’eau il serait dommage de ne pas utiliser cette ressource. L’énergie contenue dans ces rejets est de 90 GWh par an pour un prélèvement d’un degré. La ville a imposé aux entreprises de proposer un projet utilisant cette ressource pour alimenter en énergie l’ensemble du quartier.

Figure 1 : Besoins du quartier et potentiel énergétique



Il faut noter la situation économique et politique de ce projet. Il fut proche de

l’abandon et actuellement la solution choisie par AREMA, société qui détient les droits d’exploitation du Stade Vélodrome et du réseau d’eau tempérée pendant 31 ans, est une boucle ouverte. C'est-à-dire que l’eau des effluents est directement introduite dans le réseau pour être évacuée en sortie dans le canal de rejet. L’entreprise Crudeli intervient actuellement sur la réalisation du système de production d’énergie du Stade Vélodrome et elle va également travailler sur celui du centre commercial. C’est pour cela qu’elle s’est intéressée au projet du réseau d’eau tempérée. Elle souhaitait connaître le dispositif prévu pour alimenter les bâtiments en énergie thermique. Après analyse de la solution proposée, elle craint un mauvais fonctionnement des sous stations des bâtiments et par conséquent une impossibilité de maintenir les conditions de confort dans les bâtiments. La société Crudeli juge que la proposition en réseau ouvert n'est pas viable techniquement, écologiquement et économiquement. Dans l’optique d’assurer le fonctionnement des bâtiments, elle a choisi de proposer une autre solution.

Nous proposons de fermer le réseau qui alimente les bâtiments. C’est à dire que

l’eau tempérée tournera dans un ensemble de canalisations qui formera une boucle fermée. Les effluents de la station d’épuration seront utilisés seulement pour apporter de l’énergie dans la boucle au travers d’échangeurs thermiques. L’objet de notre travail va être de dimensionner l’ensemble de l’installation, d’analyser les modifications par rapport au système qui est actuellement prévu, d’étudier le fonctionnement du réseau sur une année et enfin d’établir une analyse financière.

1.2. Contexte Technique Actuellement, ce principe de boucle est utilisé avec l'eau de mer. Le système le plus

connu en France est le réseau de la Seyne-sur-Mer. Mis en route en 2008, il devait desservir 8 700 m2 de locaux publics et 28 500 m2 de logements. Il fut dimensionné pour alimenter jusqu'à 60 000 m2 de locaux. Malheureusement il a subit des modifications dues au planning des travaux. Il fut achevé après les locaux publics et la première tranche de logements. Aujourd’hui il dessert 5 000 m2 de logements. Nous connaissons des réalisations du même type mais d’ordre privé sur Marseille.

Aujourd’hui le lieu référence en utilisation de l’énergie thalasso thermique est

Monaco. Depuis trente ans cette technologie a connu un développement très important. Dans la Principauté, les aérothermes sont interdits pour éviter les nuisances sonores et visuelles. C’est donc naturellement que les Monégasques ont abandonné le ciel pour la mer. Ils sont devenus une référence mondiale dans le domaine des machines thermodynamiques utilisant l’eau de mer comme source chaude ou froide suivant les besoins.

Ces réseaux d’eau tempérée améliorent les performances des dispositifs de

production d’énergie des bâtiments. Chaque machine thermodynamique est installée dans une sous-station intégrée au bâtiment desservi. Un, deux ou trois échangeurs à plaques sont raccordés sur la boucle d’eau, suivant les besoins des bâtiments traités. En aval des échangeurs ; les machines thermodynamiques assurent les productions d’énergies thermiques. Suivant les besoins des bâtiments, les machines thermodynamiques puisent ou évacuent les calories dans une boucle d’eau. La température de la boucle est stabilisée par le rejet de l’énergie récupérée au niveau des bâtiments dans l’eau de mer. Dans notre projet nous substituons l’eau de mer par les effluents de la station d’épuration.



Voici une illustration de l’organisation du système. Nous prélevons ou rejetons de l’énergie issue des effluents de la station d’épuration pour les transférer, à l’aide d’échangeurs, dans la boucle d’eau. L’eau tempérée est, ensuite, acheminée vers les bâtiments. Ces derniers sont équipés de machines thermodynamiques qui transforment cette énergie en chaleur ou en froid. C’est à dire que lorsque la machine thermodynamique produit de l’eau chaude coté condenseur, elle doit récupérer de l’énergie coté évaporateur. Le réseau d’eau tempérée amène cette énergie par l’intermédiaire d’échangeurs. Ainsi pour des bâtiments dont les besoins peuvent être simultanés en chaud et en froid le réseau joue le rôle de régulateur en équilibrant les échanges de chaleur sur le condenseur et les échanges de froid sur l’évaporateur. Par conséquence, il peut y avoir des situations où le bâtiment est autonome et ne consomme pas d’énergie sur le réseau d’eau tempérée.

L’objectif de ce réseau qui s’inscrit dans la réhabilitation du quartier du Stade

Vélodrome est d’alimenter 130 000 m2 de logements, de bureaux, d’espaces de tourisme et de loisirs. C’est la diversité d’utilisation qui donne une cohérence au projet. En effet, en même temps que la climatisation des bureaux, le système permettra le chauffage des logements et/ou la production de l’eau chaude sanitaire. Il est possible que le réseau n’échange pas avec les effluents et fonctionne en autonomie complète. L’énergie injectée dans la boucle par le centre commercial sera utilisée par l’hôtel pour produire l’eau chaude sanitaire.

Figure 2 : Schéma de l'installation



Les bâtiments concernés par le dispositif sont : - Le centre commercial avec 28 000 m2 de locaux.

- Le stade Vélodrome représentant 20 000 m2 d’espace traité. - Des bureaux d’une superficie totale de 19 000 m2 - Un hôtel représentant 7 000 m2 - Un pôle santé avec 5000 m2 d’espace traité - Des logements d’une surface de 49 000 m2

Les logements construits respecteront le label BBC, donc c’est l’ECS (Eau Chaude

Sanitaire) qui représentera la part la plus importante dans la consommation d’énergie des habitations. La figure 3 représente les besoins du quartier sur une année pour des bâtiments ayant des besoins de chauffage équivalent aux besoins d’eau chaude sanitaire. Elle montre l’économie potentielle d’énergie. De mai à octobre la demande de froid importante va engendrer des rejets de chaleur sur le réseau qui pourront être utilisés gratuitement pour produire de l’eau chaude. En hiver la demande de chaud entrainera le rejet de froid sur le réseau qui sera utilisé pour la climatisation du centre commercial.

La viabilité du réseau passe par la production de cette eau chaude par des machines

thermodynamiques. L’évolution des technologies dans le domaine des machines thermodynamiques nous permet, depuis quelques années, de répondre à cette demande. Désormais des machines montant en température jusqu’à 60°C existent. Sans la possibilité de produire l’eau chaude sanitaire, les besoins en chauffage seraient insignifiants et la mutualisation des besoins n’aurait eu qu’un effet minime remettant en cause le projet. L’importance de l’ECS est encore plus grande car sa production doit pouvoir être réalisée à tout moment. Cela signifie que nous pourrons privilégier la production d’ECS lorsque la demande en froid sera importante pour équilibrer la température de la boucle. Cela nous permettra de diminuer nos prélèvements sur la station d’épuration.

Figure 3 : Evolution des besoins du quartier durant l'année



2. Les Dimensionnements du réseau d’eau tempérée

2.1. Bilan thermique global. La première information nécessaire au dimensionnement du réseau d’eau tempérée

est le bilan thermique global des bâtiments. Nous en déterminerons les puissances installées pour alimenter le bâtiment en chaud et en froid lors des journées les plus défavorables. Cela permet d’estimer les caractéristiques techniques des équipements de la boucle dans les situations les plus critiques. La particularité de l’étude est qu’elle s’effectue alors qu’aucun bâtiment n’est encore construit. L’ensemble des données thermiques est issu du CCTP (Cahier des Clauses Techniques Particulières) de la boucle qui décrit les puissances installées dans les bâtiments sur la base de ratio. Dans cette première approche nous utilisons ces puissances pour déterminer les régimes de fonctionnements extrêmes.

2.2. Dimensionnement thermique de la boucle

2.2.1. Températures de la boucle d’eau Avant de poursuivre dans le dimensionnement de l’installation, il faut connaître les

régimes de température qui pourront être établis dans la boucle suivant les températures de la station d'épuration. Ces régimes de température nous permettront de connaître les débits circulant dans les canalisations en fonction de la puissance demandée.

Nous recherchons le plus grand écart de température pour minimiser les débits mis

en œuvre dans l’installation. Dans une configuration classique de boucle d’eau, nous fonctionnons sur des écarts de température entre l’aller et le retour de 5 ou 6°C.

Pour rappel : ! = !! . !! .∆!

Avec ! : La puissance de l’élément étudié kW !! : le débit massique du fluide traversant l’élément étudié kg.s-1 !" : La chaleur massique du fluide kJ.kg-1.K-1 !" : L’écart de température entre l’entrée et la sortie de l’élément étudié K Les effluents de la station d’épuration sont assujettis à des critères de température et

de qualité. Nous devons donc contrôler l’utilisation de cette eau et modifier, le moins possible, ses caractéristiques. Du côté utilisateur il y a des machines avec leurs propres critères de fonctionnement. Une machine thermodynamique produit du froid idéalement à 6°C mais peut dans des situations extrêmes descendre à 4°C.

Tableau 1 : Bilan thermique du quartier



L’analyse des températures de la station d’épuration montre une valeur maximale de 28°C et une valeur minimale de 12,5°C. La température maximale est enregistrée en été, période de production du froid. C’est donc coté condenseur que nous évacuerons l’énergie sur la boucle d’eau. La série d’échangeurs dans le local pompage et celle dans la sous station montent la température d’entrée machine à 32 °C due au pincement des échangeurs. Les températures d’entrée de ces machines peuvent aller jusqu'à 54°C, nous pourrons toujours évacuer la chaleur. Coté station d’épuration la température des effluents ne doit pas dépasser 25 °C. Pour ne pas augmenter la température des rejets réchauffés nous nous limitons à un écart de température de 6°C. Cet écart correspond également au régime de fonctionnement des machines thermodynamiques.

La température minimale est enregistrée pendant la saison de chauffe. C’est sur

l’évaporateur de la machine thermodynamique que nous récupérerons de l’énergie de la boucle d’eau. Une fois les transferts thermiques effectués par les échangeurs, l’entrée sur l’évaporateur de la machine sera à 8,5°C. Donc la sortie de l’évaporateur sera au mieux de 4°C à la lecture des caractéristiques techniques des machines thermodynamiques. Le pincement au niveau des échangeurs ne peut être réduit, sous risque de faire augmenter considérablement le prix du matériel, cela nous conduit en hiver à avoir un écart de température dans la boucle de 4,5°C. Cela permet de garder un pincement de 2°C sur les échangeurs et de ne pas descendre sous les 4°C en sortie de la machine.

Ce changement d’écart entre les températures aller et retour de la boucle d’eau

suivant la saison, nous oblige à vérifier quelle situation sera dimensionnante entre l’été et l’hiver. En effet, si les besoins en été sont plus importants, l’écart de température plus grand pourrait entraîner un débit plus faible qu’en hiver où la puissance est plus faible mais l’écart de température également.

Figure 4 : Evolution des températures dans le système en été

Figure 5 : Evolution des températures dans le système en hiver



2.2.2. Bilan des puissances à évacuer sur la boucle Connaissant les puissances à installer dans les bâtiments et avec l'aide des

constructeurs de machines thermodynamiques, nous avons sélectionné le matériel répondant aux besoins. Dans les conditions de températures présentées, nous avons relevé les coefficients de performance des machines, et déterminé, pour l'été les puissances évacuées sur le réseau et pour l'hiver les puissances récupérées sur la boucle d’eau. Les écarts maximums de température connus dans chaque situation nous en déduisons les débits mis en jeu.

Dans ce premier dimensionnement nous remarquons les puissances importantes

installées pour des logements BBC. Nous rappelons qu’au moment du dimensionnement les études sur les bâtiments ne sont pas finalisées, nous nous sommes basés sur les données du CCTP. Les besoins d’Eau Chaude Sanitaire n’étant pas estimés de façon particulière, nous considérons dans un premier temps que les valeurs élevées de chauffage prennent en compte ces besoins. Nous aurons l’occasion de redéfinir cette composante par la suite.

Tableau 2 : Bilan des puissances évacuées sur la boucle



En comparant ces deux tableaux nous remarquons que les bâtiments ayant des besoins en chauffage et en climatisation seront dimensionnés sur leur besoin en froid. Les logements ne présentant que des besoins en chaleur seront dimensionnés sur les besoins en chaud.

2.3. Dimensionnement hydraulique de la boucle d’eau Une fois l’ensemble des débits calculés nous effectuons un bilan hydraulique sur le

réseau. Nous déterminons tronçon par tronçon les débits circulant pour en déduire les diamètres permettant de respecter une perte de charge linéique inférieure à 15 mmCE.m-1. Le CCTP décrivant la boucle préconise pour le réseau enterré des tubes PVC pression. Les diamètres utilisés pour les calculs correspondent au diamètre normalisé de tube PVC pression.

Pour chaque piquage raccordant un bâtiment nous déterminons la situation la plus

pénalisante. Généralement pour les logements nous devrons effectuer le dimensionnement des canalisations avec le débit en hiver. Pour les autres bâtiments se sera le débit en été. Sur les collecteurs principaux, nous gardons les débits correspondants au fonctionnement en été car c’est à cette période que la demande est la plus importante. Nous majorons de 20% les débits circulant dans les collecteurs pour prévoir les futures extensions.

Pour une première estimation nous majorons les pertes de charges linaires de 20% pour tenir compte des pertes de charges singulières.

Détermination de la vitesse : ! = !!

!

Avec !! : Débit volumique [m3.s-1] ! : Surface de la section de passage [m2] Détermination du nombre de Reynolds !! =

!.!!

Avec ! : Vitesse du fluide [m.s-1] ! : Diamètre intérieure de la conduite [m] ! : Viscosité cinématique du fluide [m2.s-1]

Tableau 3 : Calcul des pertes de charges du réseau



Détermination du coefficient de perte de charges linaire λ !

!= −2. !"#( !,!"

!! !+ !

!,!!)

Avec !! : Nombre de Reynolds ! : Diamètre de la conduite [m2] ! : Rugosité de la canalisation 1,5. 10!! [m] pour le PVC Détermination des pertes de charges linaires ∆!!"# = ! !

!! !

!

! [!"]

Avec λ : Le coefficient de pertes de charges linaire ! : Longueur de la canalisation [m] ! : Diamètre de la canalisation [m] ! : Vitesse du fluide [m.s-1] ρ : Masse volumique du fluide [kg.m3] Détermination des pertes de charges totales ∆! = 1,2 ∆!!"#

!" [!"#]

Avec ∆!!"# : Pertes de charges linaires ρ : Masse volumique du fluide [kg.m3] ! : Accélération de la pesanteur [m.s-2]

Avec les faibles températures dans la boucle et de l’absence d’isolation du PVC,

celui-ci à toutes les caractéristiques pour répondre aux exigences du projet. Il ne sera pas nécessaire d’isoler car l’échange avec le sol sera toujours bénéfique. En hiver la boucle, de température plus basse que celle du sol sera en partie réchauffée. Cela donnera plus d’énergie à la boucle et donc potentiellement plus d’énergie à récupérer pour chauffer les bâtiments. En été la boucle refroidie par le sol, permettra d’évacuer plus d’énergie pour refroidir les bâtiments.

2.4. Dimensionnement local de pompage Dans le local de pompage, lieu de régulation des échanges thermiques entre les

effluents de la station d’épuration (STEP) et la boucle d’eau, se trouveront les pompes de circulation du réseau d’eau tempérée et les pompes de puisage sur les effluents.

Les échangeurs sont caractérisés par le pincement, par l’écart de température entre

l’entrée et la sortie, et par le débit qui les traverse. Par le dimensionnement effectué précédemment nous connaissons l’ensemble de ces données. Pour assurer la continuité de fonctionnement lors de pannes ou d’opérations de maintenance il a été choisi de mettre de la redondance dans l’installation. Il y a trois pompes de puisage des effluents de la station d’épuration, trois échangeurs pour transférer l’énergie des effluents dans la boucle et trois pompes de circulation pour le réseau. Chaque élément est dimensionné pour assurer 50% des besoins maximums.

Tableau 4 : Caractéristiques dimensionnantes des échangeurs de la station de pompage



Dans la sélection du matériel, il est important de noter les pertes de charge induites

par chaque échangeur, pertes qui s’ajoutent à celles du réseau calculées précédemment. Cet élément permettra de dimensionner les pompes. Avec le débit de pointe et les pertes de charge associées nous avons les deux caractéristiques dimensionnantes d’une pompe. Le calcul des pertes de charge nous donne 20 mCE sur le circuit primaire et 45 mCE au secondaire pour un débit de 780m3/h.

Figure 7 : Dimensions des pompes sélectionnées

Figure 6 : Exemple de sélection par un fabricant d'échangeurs



3. Modification des plans Le projet présenté par la société Crudeli s’oppose à la solution retenue initialement ;

une boucle ouverte avec seulement trois pompes en parallèle qui injecte l’eau des effluents directement dans le réseau. Il a été nécessaire de présenter à AREMA, les modifications techniques induites par notre proposition. Nous ajoutons du matériel, trois pompes et trois échangeurs. L’installation de ces équipements demande plus de place que prévu. Nous avons lancé une étude du local de pompage accueillant ces machines et analysé la disposition de ce matériel dans le local.

3.1. Présentation de la boucle ouverte Dans la solution initiale proposée par les bureaux d’études et illustrée par la figure 8,

l’eau des effluents de la station d’épuration est directement utilisée dans le réseau. Le système est constitué d’un bac tampon servant de réservoir pour la boucle et absorbant les variations de débits des effluents. Dans un local adjacent les pompes prélèvent le débit nécessaire dans le bac pour alimenter le réseau. L’eau ressort en aval dans le canal de rejet. Des filtres sont placés en aval des pompes pour filtrer l’eau avant son introduction dans la boucle. Le circuit peut se fermer lors de coupure de la STEP en rejetant l’eau du réseau directement dans le bac tampon.

Les problèmes pouvant conduire à la non viabilité du réseau sont les suivants

� La solution de la boucle ouverte suppose que l’eau qui rentre dans les canalisations, soit continuellement oxygénée avec un brassage important. Le réseau enterré sera en PVC pression donc les surfaces métalliques seront faibles et la corrosion va se concentrer sur ces éléments. Il y a un risque de corrosion important sur les échangeurs des sous stations et les pompes.

� Le risque de pollution de cette eau durant son passage dans le réseau existe. Cette eau doit être rejetée dans la mer, elle est donc soumise à un strict contrôle de qualité. En cas de problème au niveau des échangeurs des bâtiments c’est directement l’eau des circuits de distribution des bâtiments qui est rejetée dans la mer. Tout le fonctionnement de la boucle peut également s’en trouver perturbé.

� Des problèmes de régulation se posent. Le bureau d’étude a prévu une

régulation en température et en pression du système. La régulation est complexe quel paramètre aura la priorité et comment la gérer. La régulation est plus fragile car plus d’informations à récupérer sur les 11 sous stations. En boucle fermée nous régulons en pression au niveau des pompes du local de pompage.

� Le fonctionnement en boucle ouverte ne permet pas la récupération d’énergie entre les bâtiments.

Le circuit fermé permet des échanges thermiques entre les bâtiments, c'est le grand

intérêt du système proposé. Il mutualise les besoins sur le quartier. Il prélève moins d’eau sur les effluents. Il est plus indépendant des coupures de la STEP. Il améliore les performances énergétiques en consommant moins d’eau et moins d’électricité tout en augmentant la sécurité technique et sanitaire du projet.



Figure 8 : Plan boucle ouverte



3.2. Première proposition

La première proposition fut conditionnée par les contraintes financières du projet. Elle devait être la moins couteuse possible. Nous conservons l'emprise du projet au sol. L’absence de modification au niveau de l’enveloppe du local évite des investissements d’infrastructures supplémentaires. Notre matériel se place au dessus du bac tampon. La grande hauteur du local permet l’installation du matériel. Si économiquement cette solution est intéressante car elle ne nécessite pas de grosses modifications sur le Génie civil, elle pose un problème important pour le déplacement dans le local, le matériel a sa place, mais nous ne pouvons assurer la manutention des équipements et la maintenance dans de bonnes conditions.

Figure 9 : Plan de coupe 1er proposition sur local de pompage

Figure 10 : Vue 3D du local pompage dans la première proposition

Echangeur

Pompe

Filtre



3.3. Deuxième proposition Les réunions successives avec AREMA nous ont permis de convaincre nos

interlocuteurs de la solidité du projet d’un point de vue économique, environnemental et technique. Nous avons repensé le local, avec un espace suffisant pour installer le matériel et prévoir son exploitation pendant 31 ans. Le résultat est présenté sur les figures ci-contre. Tout est disposé de manière à visualiser chaque partie du processus. Le circuit primaire de pompage sur la station d’épuration d’un coté, le circuit secondaire de la boucle fermée de l’autre, le tout est séparé par les échangeurs. Les passages pour le déplacement des équipements lors d’opérations de maintenance sont prévus.

Le dimensionnement du local terminé, nous avons travaillé avec un bureau d’études

de génie civil, BETEREM pour recalculer la structure. Il fallait positionner les poutres et redimensionner l’épaisseur des planchers. Après ces modifications la disposition des équipements a été retravaillée pour éviter l’emplacement des poutres.

L’ensemble du projet fut conçu à l’aide de logiciel trois dimensions, Google Sketchup. Nous avons adopté cette méthode de conception car elle permet de voir rapidement les problèmes et les conséquences des modifications, de répondre aux attentes du client et de travailler sur des visuels pendant les réunions.

Figure 12 : Plan de coupe du local de pompage dans sa dernière configuration

Figure 11 : Vue 3D de la dernière organisation retenue pour le local de pompage

Echangeur Pompe

Filtre



4. Etude énergétique du réseau d’eau tempérée Après avoir dimensionné les équipements et finalisé leur organisation dans le local

technique, nous avons étudié le fonctionnement de l’installation et son coût d’exploitation sur une année témoin. Nous avons simulé le fonctionnement de la boucle heure par heure. L’objectif est de connaitre les débits à mettre en œuvre à chaque heure et les consommations électriques des pompes du réseau.

4.1. Les données nécessaires à l’étude

4.1.1. Les besoins heure par heure des bâtiments Nous nous sommes procurés, auprès des bureaux d’études, les simulations

annuelles de tous les bâtiments pour connaître leurs besoins heure par heure sur l’année. Ces informations donnent les pointes de consommation et montrent la simultanéité des besoins en chaud et en froid.

La figure 13 montre le profil de consommation pour l’hôtel. La demande en eau

chaude sanitaire est constante sur l’année. La demande de chauffage est principalement concentrée entre le mois de novembre et d’avril alors qu’une demande de climatisation est toujours présente sur l’année avec un pic en été. Le tableau 5 récapitule les consommations des bâtiments du quartier.

!"

#!"!!!"

$!"!!!"

%!"!!!"

&!"!!!"

'!"!!!"

(!"!!!"

)*+,-./" 01,/-./" 2*/3" *,/-4" 2*-" )5-+" )5-44.6" *786" 3.96.2:/." 7;67:/." +7,.2:/." <1;.2:/."

!"#$%&'()*'+$,-.$/-.'0+.$,-$(1#23-($

=>?"

>@*5<"

A/7-<"

Figure 13 : Exemple de l'évolution des consommations pour l'hôtel

Tableau 5 : Besoins des bâtiments



Les informations transmises donnent encore des besoins en chauffage importants malgré la qualité des bâtiments et de l’absence de l’ECS dans ces valeurs. Pour l’élaboration des calculs nous n’avons pas remis en cause ces valeurs. Nous pourrons une fois les études des bâtiments plus avancées ajuster ces données. Nous avons estimée l’ECS par la méthode décrite dans le guide de l’AICVF [7]. Nous avons calculé les consommations d’eau chaude sanitaire suivant le type de bâtiment (hôtel, logement, résidence senior...). Ensuite avec les profils de puisage journalier, hebdomadaire et annuel nous établissons les consommations heure par heure. Pour cette première étude l’eau chaude sanitaire est produite instantanément.

Tableau 8 : Données pour établir un profil de puisage annuel en habitat collectif

Tableau 7 : Consommations journalières moyennes (EDF)

Tableau 6 : Consommation moyenne des logements



4.1.2. Evolution des COP en fonction des températures Avec le document constructeur, nous avons le COP de chaque machine pour une

température d’entrée au condenseur et à l’évaporateur. La valeur du COP évolue avec la température, nous calculons les coefficients de performance degré par degré en effectuant une interpolation ou une extrapolation linaire. La figure 14 illustre les valeurs que prend le COP suivant trois régimes de température à l’évaporateur de la pompe à chaleur.

4.1.3. Relevé heure par heure des températures et débits de la STEP Pour connaitre les températures sur les échangeurs de la boucle nous avons

demandé un relevé annuel des débits et des températures des effluents de la station d’épuration. La température de la STEP (station d’épuration) conditionne la température de départ de la boucle car nous utilisons un échangeur à plaques contre courant avec un pincement de deux degrés. Les débits de la STEP nous permettent de vérifier que le débit prélevé reste inférieur au débit des effluents.

!"

#"

$"

%"

&"

'!"

'#"

'$"

!" '!" #!" (!" $!" )!" %!"

!"#$

%&'()*+,-*&$.&$/0*1&$.-$203.&3/&-*$

4506-103$.-$!"#$$

*+,-./012/+"3+"45/6+".70-5/01+2/"3+"89:"

1+,-./012/+"3+"45/6+".70-5/01+2/"3+"'!9:"

*+,-./012/+"3+"45/6+".70-5/01+2/"3+"')9:"

Figure 14 : Exemple d'évolution du COP pour la machine CARRIER, 30XWP

!"

#"

$!"

$#"

%!"

%#"

&!"

'()*+,-" ./*-+,-" 0(-1" (*-+2" 0(+" '3+)" '3+22,4" (564" 1,74,08-," 59458-," )5*,08-," :/9,08-,"

!"#$%&'()*+,)%#-%.#%/,%0+.#-%#1*#.+*230#-4(',)*230#

Figure 15 : Evolution annuelle des températures des effluents de la station d'épuration



Les informations de la SERAM ont nécessité un traitement préalable. Les relevés n’étaient pas réguliers dans le temps. Il était nécessaire de faire une moyenne par heure des conditions de rejet. Avec les bureaux d’études travaillant avec la SERAM, nous avons affiné les données pour établir un relevé heure par heure.

4.2. Etude des besoins des bâtiments Toutes les informations étant traitées nous étudions bâtiment par bâtiment les

consommations sur la boucle. Nous évaluons d’abord les besoins en chaud et en froid heure par heure. Ces besoins nous permettent d’identifier si nous devons évacuer de la chaleur ou du froid sur la boucle. Si le besoin en chaud et supérieur au besoin en climatisation, le cycle thermodynamique de la machine entraîne une surproduction de froid, le système devra évacuer l’excédant sur la boucle d’eau, donc c’est l’évaporateur de la machine qui échangera avec la boucle. Inversement si le besoin en froid est supérieur au chaud, c’est le condenseur de la machine thermodynamique qui échangera avec la boucle.

En fonction des températures de la boucle et des besoins du bâtiment nous avons

sélectionnées le COP théorique. S’il y a un besoin en froid l’évaporateur fonctionnera en 6/12, si non nous serons au plus proche de la température de la boucle. S’il y a un besoin en chaud nous serons à 35/29.

Les régimes de température de la machine thermodynamique connus heure par heure, nous sélectionnons le coefficient de performance. Nous identifions sur une heure le besoin maximum du bâtiment et calculons avec le COP la production excédentaire, excédant qui devra être évacué sur le réseau. La connaissance de l’efficacité de la machine thermodynamique permet également d’établir la consommation électrique des sous stations.

Figure 16 : Evolution annuelle du débit des effluents de la station d'épuration



A présent nous connaissons la puissance à évacuer sur la boucle. Précédemment nous avons déterminé les températures dans la boucle et dans les sous stations. Nous possédons toutes les informations pour calculer le débit fourni par le réseau pour subvenir aux besoins du bâtiment sur cette heure. Nous reproduisons cette configuration pour toute l’année et pour tous les bâtiments. Nous obtenons l’estimation des débits et des puissances à évacuer sur les effluents sur une année et cela pour les 8760 heures de l’année.

Température des effluents

Besoins du bâtiment

Besoins chauffage + ECS >

Besoins climatisation

Température de distribution 35°C - 29°C

(Température sur le condenseur)

Température de la boucle

Température sur l‘évaporateur

COP

Besoins chauffage + ECS

Consommation électrique

Production de froid par la machine

Besoins climatisation

Puissance évacuée sur la

boucle

Débit sur la boucle



4.3. Mutualisation des besoins au niveau du local d’échange La deuxième phase d’étude porte sur la station de pompage de la boucle et plus

précisément sur les débits fournis par les pompes. Les puissances nécessaires pour subvenir aux besoins des bâtiments permettent de connaître les débits que devront fournir les pompes du secondaire, qui irriguent le réseau d’eau tempérée. Pour les pompes du primaire il faut analyser les échanges thermiques.

Dans le réseau fermé il y a aura des puisages de chaleur (pour un bâtiment qui à

besoin de chaud) et simultanément des rejets de chaleur (pour un bâtiment qui a besoin de froid). Les prélèvements d’énergie sur le réseau vont ainsi s’opposer. D’un coté le bâtiment refroidit l’eau de la boucle et de l’autre il la réchauffe. La puissance à évacuer sur les effluents sera égale à la différence entre les puissances prélevées et les puissances rejetées. Régulièrement durant l’année le débit prélevé dans les effluents sera plus faible que le débit circulant dans le réseau d’eau tempérée. Il pourra diminuer jusqu'à être nul. Cela nous permet d’être moins dépendant de la station d’épuration et de minimiser les consommations électriques des pompes.

Le phénomène peut être amplifié par la dérive en température du réseau. Pour une température de retour de la boucle comprise entre 14°C et 28°C il n’y aura pas d’échange avec les effluents. Des températures de retour inférieures à 14°C ou supérieure à 28°C déclencheront les pompes primaires pour échanger avec les effluents et maintenir la température de consigne.

La figure 16 illustre les économies de puisage qui peuvent être envisagée en optimisant le fonctionnement du réseau. En boucle ouverte l’estimation nous donne un puisage de 1,15 million de m3 par an. En boucle fermée, nous passons à 0,94 million de m3 par an et en boucle fermée avec une dérive de température nous arrivons à 0,68 million de m3 par an. Le fonctionnement en boucle fermée sera maintenant toujours étudié avec une dérive de la température de la boucle.

!"

#!"

$!!"

$#!"

%!!"

%#!"

&'()*" +,-)*" +.-/-.)*" 0.')*" 1.()-.)*" 2,+.)*" )*+,(/3."

!"#$%

&'()*%+,'-./'%01,%-2%3456%

45'/&."5'1.-6."

78-*1.")."&,"6.+98-,6'-."

45'/&.":.-+8."

Figure 17 : Débits prélevés sur les effluents de la station d'épuration sur une semaine de mai

Débits prélevés sur la STEP



Pour arriver à ces résultats, nous comparons les puissances évacuées en chaud et

en froid pour estimer les échanges d’énergie entre le réseau d’eau tempérée et les effluents. Ces échanges nous permettent de donner l’évolution de la température du réseau. Si les bâtiments rejettent plus de chaleur, la température du réseau va augmenter. Si la température du réseau devient trop importante il faut refroidir le réseau. Pour un transfert de chaleur du réseau vers les effluents il faut que la température de départ de la boucle soit supérieure à la température des effluents. La différence entre la température d’entrée et la température de sortie de l’échangeur et la connaissance du débit, permettent de calculer l’énergie prélevée dans les effluents de la station d’épuration.

La figure 18 présente le débit des effluents sur l’année. Elle affiche également les

prélèvements de la boucle fermée pour évacuer ou récupérer les calories. Nous constatons que les besoins en eau du réseau sont faibles par rapport à la ressource disponible. Il y aura quelques points critiques durant l’année mais ils seront très ponctuels.

Figure 18 : Débit des effluents et débits prélevés dans le cas de la boucle fermée



4.4. Etude des consommations électriques Nous connaissons les puissances, les débits et les températures des sous stations et

du local de pompage durant l’année. A l’aide des données des constructeurs de pompes nous pouvons établir les consommations électriques des pompes. Quelles soient sur le réseau ou dans les sous stations. Nous obtiendrions alors les coûts de consommation électrique pour toutes les entités du réseau.

Avec les coûts de l’investissement liés au dimensionnement des équipements, il y a les coûts d’exploitation liés à leur maintenance et à leur fonctionnement. Ce sont ces derniers points que nous avons estimés par cette étude énergétique.

Pour les sous stations nous calculons la consommation électrique des machines

thermodynamiques, à partir de leurs coefficients de performances. Nous faisons le dimensionnement des pompes de circulation en sous station pour un débit de mise en œuvre dans le cas le plus défavorable. Suivant les puissances de raccordement électrique nous établissons le type d’abonnement EDF (tarif vert, tarif jaune). Ayant une répartition horaire des consommations nous avons recherché le tarif correspondant. Pour toutes les sous stations nous obtenons une estimation de la consommation électrique des machines thermodynamiques et des pompes de circulation.

Pour le local de pompage nous pouvons également estimer les consommations des pompes. Nous avons calculé les débits horaires à fournir par la station de pompage. Les constructeurs nous ont fourni la consommation électrique du matériel en fonction du débit. La répartition heure par heure permet d’avoir le tarif s’appliquant à l’heure d’étude. Nous pouvons donc donner une estimation de la consommation électrique de la boucle sur l‘année et du coût engendré.

Tableau 9 : Consommations des bâtiments et les coûts engendrés



La figure 19 présente la consommation mensuelle du local de pompage. Le local de pompage consomme 235 MWh/an dans sa configuration ouverte et 270 MWh/an en boucle fermé avec dérive de la température entre 14 et 28 soit une augmentation de la consommation de 15%. La différence vient du doublement des pompes dans la proposition en boucle fermée.

Nous constatons sur la figure 20 que le coût de la consommation energétique est équivalent en boucle ouverte ou fermée, 13 k€ en boucle ouverte et 12k€ en boucle fermée. C’est le jeu des tarifs EDF, en boucle fermée nous sommes en tarif vert avec un prix du kWh moins cher qu’en tarif jaune, appliqué à la boucle ouverte. Cependant si nous rajoutons l’abonnement nous avons une variation du simple au double entre les deux solutions. Un coût annuel pour la boucle fermée à 43 k€ et 22k€ pour la boucle ouverte. Le coût annuel est doublé par l’abonnement élevé en tarif vert. C’est pour cela que par la suite nous cherchons à minimiser les puissances installées en boucle fermée pour passer en tarif jaune.

!"

#"!!!"

$!"!!!"

$#"!!!"

%!"!!!"

%#"!!!"

&!"!!!"

'()*+,-" ./*-+,-" 0(-1" 2*-+3" 0(+" '4+)" '4+33,5" 2675" 8,95,:;-," <=56;-," >6*,:;-,"?/=,:;-,"

!"#$

%&'(&))*+&'$,-./01234.$).'(4.--.$5.$-*$(0*+&'$5.$6&)6*7.$

@64=3,"A,-:/,"

@64=3,"64*,-5,"

Figure 19 : Consommation électrique de la station de pompage

!"

#!!"

$!!"

%!!"

&!!"

'!!!"

'#!!"

'$!!"

'%!!"

'&!!"

()*+,-." /0+.,-." 1).2" 3+.,4" 1)," (5,*" (5,44-6" 3786" 9-:6-;<.-" =>67<.-" ?7+-;<.-" @0>-;<.-"

!"

#$%&"'()*+(,"-(*".$)*$''/0$)*"1,(.&234+(*"

A75>4-"B-.;0-"

A75>4-"75+-.6-"

Figure 20 : Coût des consommations électriques de la station de pompage



4.5. Présentation des résultats et complément d’études Pour conclure sur cette étude énergétique, nous vous présentons l’ensemble des

résultats. Globalement nous aurons un besoin de chaud de 4 GWh et un besoin de froid à 3 GWh. A comparer aux 90 GWh potentiellement contenus dans les effluents de la station d'épuration pour une variation de 1 degré.

L’économie réalisée d’un point de vue énergétique et environnemental est importante. Il y a 69% d’émission de CO2 en moins par rapport à des installations classiques. Les solutions de référence correspondent aux installations qui auraient été réalisées s’il n’y avait pas la boucle. Il y a 65% d’économie sur la consommation d’énergie.

L’émission de CO2 est basée sur l’arrêté du 15 septembre 2006 indiquant la quantité

de CO2 par type d’énergie et par kWh. Il donne 0,234 kgCO2/kWh pour le gaz et 0,18 kgCO2/kWh pour l’électricité servant au chauffage et 0.04 kgCO2/kWh pour l’électricité servant à la production d’ECS. Pour les solutions de base nous avons considéré des chaudières collectives avec un rendement annuel de 80% sur l’année, avec 40% de l’ECS produite par le solaire. Pour les systèmes de machines thermodynamiques sur air nous avons considéré un COP annuel de 2.

Le pic de consommation se situe en été avec un débit d’eau prélevé dans les effluents et circulant dans la boucle de 750 m3/h. Nous remarquons que cette valeur est beaucoup plus faible que celle issue du premier dimensionnement (§2 Dimensionnement hydraulique de la boucle) donnant un débit de pointe de 1559 m3/h. C’est notamment du au fait que les réseaux de chaleur ou de froid prennent un coefficient de simultanéité. Le dimensionnement de leur installation n'est pas calculé pour fournir 100 % des besoins, car la demande de puissance maximale par les utilisateurs sera décalée dans le temps. Le stade fonctionnera plutôt en soirée et en fin de semaine, à des moments différents des bureaux ou du centre commercial.

Tableau 10 : Bilan de l'étude du réseau d'eau tempérée



Il y a également le fait que le dimensionnement (§2) des équipements est basé sur des ratios du CCTP de la boucle ouverte, surestimant les puissances installées. L’analyse énergétique se base sur les études thermiques des bureaux d’études plus précises que les ratios mais encore élevées par rapport au critère BBC du bâtiment. Après avoir pris connaissance des dernières puissances calculées par les BE, nous avons refait le dimensionnement (§2) pour répondre aux besoins des bâtiments avec l’incorporation d’un coefficient de simultanéité de 0,8 et diminuer le débit maximum. Nous obtenons un débit de pointe de 1000 m3/h qui nous permet d’envisager la réduction des équipements.

4.5.1. Réduction de la taille des pompes L’une des premières variantes envisagées à la vue des résultats fut la diminution des

débits fournis par les pompes, nous passons à 500 m3/h par pompe pour fournir 1000 m3/h en pointe.

Les débits prélevés dans les effluents et circulant dans le réseau diminuent car les

pompes peuvent descendre plus bas en débit. Donc pour les faibles demandes, inférieures au seuil minimum des pompes, nous utilisons moins d’eau. La diminution électrique vient de la baisse de puissance de la pompe. Cette baisse de puissance nous permet également de passer en tarif jaune et de réduire de 50 % le coût des consommations électrique. Dans cette configuration, les coûts de la consommation énergétique sont les mêmes en réseau fermé qu’en réseau ouvert.

4.5.2. Utilisation de pompes de tailles différentes Dans beaucoup d’installations nous retrouvons le principe de la cascade. Nous avons

une petite chaudière pour répondre aux demandes faibles et une chaudière de moyenne puissance pour les demandes courantes. Pour les pointes de consommation les deux chaudières fonctionnent. Nous avons appliqué le même principe en prévoyant une pompe de 300 m3/h et une pompe de 700 m3/h

Tableau 11 : Comparaison d'une boucle fermée avec des pompes de 780 m3/h ou de 500 m3/h

Tableau 12 : Comparaison entre des pompes identiques de 500 m3/h et une association de pompes de 300 m3/h et de 700 m3/h



Nous remarquons une nouvelle économie sur les coûts. Cependant une telle installation ne permet pas de faire des économies importantes sur l’investissement. Pour assurer le secours de l’installation nous devrons mettre une pompe de 700 m3/h. Alors qu’avec un débit de 500 m3/h sur chaque pompe, le matériel est moins coûteux. De plus les constructeurs de pompes disposent d’un système de régulation pour gérer le fonctionnement simultané de plusieurs pompes. La régulation cherche suivant le débit à faire fonctionner une ou deux pompes pour une consommation électrique la plus faible. Cette régulation n’est possible que si les pompes sont identiques. La solution de combiner deux pompes différentes ne sera pas retenue.

4.5.3. Température de la boucle au plus près de la STEP Pour cette première étude, la température de la boucle varie entre 14 et 28 degrés

sans contrôle. L’objectif est de minimiser les prélèvements sur la station d’épuration. Nous posons l'hypothèse que si la température de la boucle suit la température des effluents les COP des machines pourraient être améliorés. Nous constatons un gain très faible sur l’énergie électrique consommée dans les bâtiments de l’ordre de 50 à 150 € en consommation électrique et une augmentation des consommations de 1200 € sur la station de pompage. Les prélèvements sur la station d’épuration augmente de leur coté de 50%. Financièrement cette configuration n’a pas d’intérêt surtout que nous perdons l’autonomie sur la STEP et ne valorisons pas les échanges thermiques entre bâtiments.

4.6. Critique de l’étude Au fil de cette étude, nous sommes arrivés à un bilan global de l’installation.

L'hypothèse de départ est la connaissance des besoins des bâtiments la conclusion de l'étude est la connaissance de la consommation électrique des pompes du réseau.

Il faut cependant nuancer ces résultats. Nous sommes encore sur des bâtiments où

les besoins restent supérieurs aux besoins d’un bâtiment BBC. Il sera important dans la suite de l’étude de préciser ces données pour qu’elles correspondent réellement à des bâtiments BBC et ainsi éviter le surdimensionnement des installations de chauffage.

Ensuite il faudra redéfinir la prise en compte de l’ECS. Actuellement, dans le projet,

nous considérons qu’elle est produite en instantané. Nous devrons proposer un modèle de production en accumulation où elle sera préférentiellement produite lors des fortes demandes de climatisation. L’objectif étant de baisser la température de la boucle en compensant le rejet de chaleur par la production de climatisation par un puisage de chaleur par les systèmes de production d’ECS.

Les coefficients de performance des machines thermodynamiques transmis par le

constructeur sont calculés pour des conditions idéales. Il n’y a pas d’encrassement, les machines fonctionnent en pleine charge. C’est autant de paramètres qui en se dégradant diminueront les performances des machines et augmenteront la consommation énergétique des groupes. De même pour les variateurs de vitesse des pompes, des études ont montré qu’ils étaient moins efficaces que prévus dans la diminution de consommation électrique.

Il faudra également réaliser une étude plus précise de l’évolution de la température

dans la boucle en fonction des puisages et des températures de la station d’épuration. Un paramètre important, l'échange avec le sol, n’a pas été pris en compte pour l’étude des températures. C'est une donnée qui risque d’influencer grandement les débits mis en jeu coté station d’épuration. Les températures du sol vont avoir tendance à stabiliser la boucle et, donc, à diminuer les prélèvements sur les effluents.



5. Etude financière Si l’analyse technique du projet a occupée une grande partie du projet de fin d’étude,

il a été nécessaire de s’intéresser également à la partie financière du projet. Car si l’étude technique nous permet d’assurer la fiabilité du système et d’analyser ses performances, l’analyse financière est un argument pour convaincre le maitre d'œuvre de la viabilité du projet par le critère de rentabilité. C’est pour cela qu’en parallèle de l’étude technique nous avons effectué le chiffrage du coût de l’installation et analysé les coûts d’exploitation du projet. Le bilan se fait sur l’ensemble des investissements et des coûts d’exploitation, y compris l’entretien, année par année et sur les 31 années d’exploitation du site par AREMA.

5.1. Investissements Comme pour tout réseau, le réseau d’eau tempérée nécessite des investissements

importants qui ne seront remboursés qu’au fur et à mesure de l’augmentation du nombre d’usagers. Il en résulte la nécessité d’emprunts d’où des frais financiers importants qui ne pourront pas être imputés aux seuls premiers usagers. Cette situation rend nécessaire la bonne évaluation des coûts d’installations du système. Sur la partie hydraulique, maitrisée par Crudeli, nous avons réalisé un chiffrage détaillé au moment du premier dimensionnement du réseau. Nous avons suivi le schéma traditionnel de l’entreprise à savoir

lors de la sélection des échangeurs et des pompes par les constructeurs, le prix y était associé. Ensuite nous avons complété ce chiffrage par l’ajout du coût des accessoires hydrauliques (vanne, clapet anti retour …) et des tubes.

Le chiffrage du coût du local de pompage et des sous-stations d’échange fut réalisé de manière précise puisque c’est le corps de métier de l’entreprise Crudeli. Le reste de l’investissement nécessaire à la réalisation du réseau d’eau tempérée nécessite l’intervention d’autres corps d’état. Il y a des travaux de terrassement, de voirie ou encore de génie civil. Nous avons donc travaillé avec tous les intervenants du projet pour établir un montant global des travaux.

5.2. Exploitation du réseau Une fois l’installation réalisée, le groupement AREMA exploitera le site durant 31 ans.

Toute installation de production d’énergie a des coûts annuels d’entretien et d’achat de combustible, c’est ce que nous avons cherché à évaluer.

Au sein du groupe NEXILIS dont Crudeli est une filiale il existe une société de

maintenance. Nous avons travaillé avec cette société pour établir les coûts d’exploitation. Les techniciens distinguent le petit entretien, remplacement des pièces d’usure, du gros entretien qui concerne les réparations et le renouvellement du matériel nécessaire pour avoir une installation en parfait état de marche. Ils désignent les frais de gros entretien par le terme de garantie totale. Leur expérience leur permet d’établir un barème sur la durée de vie des équipements d’une installation du génie climatique.

Tableau 13 : Tableau d'investissement



Les réseaux de chauffage urbain ont des dépenses d’énergie liées à l’achat de combustible pour produire la chaleur à fournir en sous-station. Dans notre situation nous n’achetons pas de combustible mais consommons de l’énergie électrique pour alimenter les pompes. L’étude énergétique décrite précédemment nous permet d’évaluer la consommation électrique de la station de pompage et le coût associé.

Consommations d’énergie : 30 000 €/an Prestations diverses et petit entretien : 28 400 €/an Dépenses de gros entretien et de renouvellement du matériel : 32 600 €/an

5.3. Bilan financier prévisionnel Nous avons évalué tous les postes de dépenses. Il reste à déterminer les sources de

recettes. Ces recettes proviennent du mode de tarification au client. Il existe la taxe de raccordement qui est une participation initiale demandée aux usagers pour les raccorder et la facturation périodique de l’énergie consommée.

La taxe de raccordement est proportionnelle à la puissance demandée par les

usagers. Elle est en général ajustée pour que le client trouve un intérêt économique à se raccorder. Les dépenses initiales ne doivent pas être plus élevées que pour une installation traditionnelle. La part d’investissement non couverte par ce poste sera imputée dans la facturation de l’énergie fournie [1].

La facturation périodique sera proportionnelle à la consommation d’énergie. Elle est

généralement décomposée en quatre postes :

• Le poste P1 directement proportionnel à la consommation d’énergie enregistrée au compteur. Dans notre cas cela correspond à la consommation électrique des pompes.

• Le poste P2 comprenant les prestations diverses et le petit entretien. • Le poste P3 correspondant aux dépenses de gros entretien et de

renouvellement du matériel. • Le poste P4 relatif aux annuités de remboursement des emprunts non

couverts par la taxe de raccordement.

Les postes P2, P3, P4 constituent la partie fixe qui est facturée proportionnellement à la puissance. Le site va consommer environ 6 GWh par an, le coût des 4 postes nous permet de fixer un prix de 4c€ le kWh. Il est important que le prix du kWh n’engendre pas une dépense supplémentaire par rapport à un système classique. Dans un cas ils payent le gaz de la chaudière et dans l’autre ils payent de l’électricité, pour alimenter les machines thermodynamiques, et les calories consommées sur la boucle.

Tous les éléments nécessaires sont réunis pour établir une analyse financière sur la

durée d’exploitation de 31 ans. Nous pourrons juger de la rentabilité du projet.



Le tableau numéro 14 montre l’évolution des charges sur 31 ans avec un taux

d’actualisation de 1%. Le chiffre d’affaire correspond à la vente d’énergie, nous considérons que dès la mise en service du réseau l’ensemble des clients sont raccordés. Pour les contrats de maintenance de longue durée (25 à 30 ans), les exploitants adoptent en général un chiffre de 3 à 4% en moyenne du prix de l’installation pour le poste annuel de gros entretien. En réalité, les dépenses seront croissantes, de 0,5% les premières années pour atteindre 4 à 5 % les dernières années. La connaissance de ces charges nous permet d’établir l’excédent brut d’exploitation (EBE). L’investissement des travaux (tableau 13) est amorti sur 30 ans.

Tableau 14 : Charge d'exploitation du réseau d'eau tempérée



Le tableau 15 présente la situation où la société Crudeli paye l’investissement. Avec RCAI (résultat courant avant imposition) = EBE – Amortissement.

IS (impôt sur les sociétés) = 33% RCAI R. NET (résultat net) = RCAI – IS CASH FLOW (flux de trésorerie) = EBE – IS – Amortissement

Le flux de trésorerie devient positif à la 21ème année, avec un TRI de 3,13 %. Ces données ne sont pas rassurantes pour l’entreprise. Il est difficile de s’engager sur une aussi longue période avec un gain faible pour une société.

Tableau 15 : Investissement porté par l'entreprise CRUDELI



Le tableau 16 présente l’analyse financière avec l’investissement des travaux par un

emprunt bancaire. Cela permet à l’entreprise de diminuer son apport. La situation économique fait que l’entreprise va emprunter sur 15 ans avec un taux élevé (5%). Donc l’emprunt qui sert normalement de levier, devient une charge supplémentaire à rembourser rapidement où du moins plus vite que la durée totale d’exploitation.

Ces analyses peuvent encore être ajustées par la hausse du tarif de l’énergie ou

l’optimisation des charges d’exploitation. Elles illustrent bien la complexité financière du projet et les charges financières que Crudeli ne peut pas supporter. C’est pour cela que l’entreprise pense à se retirer de l’investissement et se reporter sur la maintenance. Elle laisserait AREMA réaliser les travaux et lui proposerait d’effectuer la maintenance sur les 30 années d’exploitation.

Tableau 16 : Investissement par un emprunt bancaire



Conclusion L’entreprise Crudeli a choisi de proposer ce projet à un étudiant en fin de cursus de

l’INSA Strasbourg, pour réunir tous les acteurs autour du projet et synthétiser toutes les informations techniques de l’étude. Tous les acteurs de la profession sont intervenus pendant la durée du projet. Les fabricants ont partagé leurs connaissances sur les produits qu’ils conçoivent et permis une parfaite intégration de ces matériels dans le projet. Les bureaux d’études ont établi les profils de consommation du site et ont partagé leur savoir faire dans le domaine, cette collaboration a permis d’étudier au mieux ce projet sur le plan technique. Finalement, nous avons pu constituer un dossier de présentation technique pour AREMA qui exploitera le réseau d’eau tempérée durant 31 ans.

Sur le plan technique le projet arrive à terme. Le dimensionnement de l’installation a

permis de sélectionner le matériel nécessaire pour la réalisation du réseau. Nous sommes intervenus en phase travaux pour modifier le local devant accueillir le nouveau matériel. L’étude de fonctionnement de la boucle permet d’estimer les charges d’exploitation et d’étudier le comportement de l’installation au cours de l’année. L’ensemble des éléments mis en valeur grâce à ces études a permis de convaincre l’exploitant du stade, AREMA, du sérieux de notre proposition. Aujourd’hui, ils sont partie prenante dans le projet et s’associe à nos démarches pour compléter le dossier.

Désormais nous travaillons avec AREMA pour développer l’offre commerciale du

réseau d’eau tempérée. Il faut convaincre les constructeurs des ensembles immobiliers de l’intérêt de se raccorder au réseau d’eau tempérée. Il est nécessaire d’effectuer ce travail car pour le moment 80% du « non logement » se raccordera mais aucun logement n’est concerné par l’utilisation du réseau. En sécurisant le réseau par le passage en boucle fermée, la société Crudeli veut organiser la maintenance de tout le site. Ainsi elle souhaite montrer qu’en se raccordant au réseau, les promoteurs économiseront sur l’investissement des installations de CVC, la maintenance et la consommation énergétique. C’est le travail qui débute au moment de la clôture de ce rapport, et qui montre la nécessité d’une analyse financière pour compléter notre travail technique.



Bibliographie [1] R. NARJOT : réseaux de chaleur – chauffage urbain, Techniques de l’ingénieur,

B 2 172, 27. [2] A. VADROT, J. DELBES : réseaux de froid urbain, Techniques de l’ingénieur,

BE 9 320, 4. [3] A. VADROT, J. DELBES : réseaux de froid urbain – production et stockage du

froid, Techniques de l’ingénieur, BE 9 321, 17.

[4] A. VADROT, J. DELBES : réseaux de froid urbain – réseaux de distribution, Techniques de l’ingénieur, BE 9 322, 19.

[5] R. NARJOT : réseaux de chaleur – transport, Techniques de l’ingénieur,

B 2 170, 27. [6] H. PICQ et al : le guide de la prescription, Salmson, 1er édition, 208. [7] An : recommandation : eau chaude sanitaire, AICVF, 2004 [8] P. NUNES : pompes à chaleur sur eau de mer pour 54 000 m2 à la Seyne/Mer, 1

Février 2010, www.xpaire.com.

Site internet [9] www.xpair.com [10] www.carrier.fr [11] www.energieplus-lesite.be [12] www.ademe.fr [13] www.legifrance.gouv.fr Logiciel [14] : Logiciel Grundfoss, WinCAPS.



Sommaire des annexes Annexe 1 : Sélection des machines thermodynamiques Annexe 2 : Sélection des échangeurs Annexe 3 : Calcul des pertes de charges Annexe 4 : Sélection des pompes Annexe 5 : Plan du local de pompage en boucle ouverte Annexe 6 : Plan du local de pompage en boucle fermé, 1er proposition Annexe 7 : Plan du local de pompage en boucle fermée, dernière proposition Annexe 8 : Profil de consommation logements Annexe 9 : Profil de consommation centre commercial Annexe 10 : Profil de consommation bureaux Annexe 11 : Valeurs COP Annexe 12 : Présentation de l’organisation de l’étude énergétique sur l’hôtel Annexe 13 : Présentation d’une sélection de pompes par le logiciel WinCaps Annexe 14 : Tarif EDF

Présentation de l’entreprise Depuis 1965 l’entreprise Crudeli est spécialisée dans l’exécution de tous travaux de

génie climatique (climatisation, ventilation, chauffage et plomberie) et de protection incendie (réseaux de sprinklers, Ria, désenfumage).

Au fil des ans Crudeli a su développer ses savoir-faire, valoriser son expérience du

terrain, et enrichir son offre commerciale en collaborant à la réalisation de grands projets immobiliers qui ont suscité le développement d’offres techniques innovantes. Sa structure de gestion de projets, performante, expérimentée et complète offre à Crudeli la maîtrise de ses interventions pour le confort des maîtres d’œuvre et maîtrise d’ouvrage.

Fort d’un effectif de près de 130 personnes, principalement présents sur le terrain, la société est présente sur de nombreux projets d’envergure de la région PACA. La réhabilitation du stade Vélodrome de Marseille, les Quais d’Arenc (construction de trois immeubles de grande hauteur) à Marseille, la Tour Odéon à Monaco, le nouvel hôpital Grau du Roi à Nîmes.

La société Crudeli fait partie du groupe Nexilis qui détient 100% du capital. Le groupe Nexilis propose une offre globale dans les domaines de l’énergie et du

service au travers de ses filiales spécialisées, de la conception/fabrication de produits jusqu'à l’installation et la maintenance.

Le groupe Nexilis a pour object principal : • D’offrir à CRUDELI et aux filiales opérationnelles des services et moyens

généraux dimensionnés pour la croissance de leur activité, • De favoriser la conception et de mettre au service des entités du groupe des

solutions exclusives pré-montées en atelier pour rationaliser les interventions sur chantier, au travers de sa filiale de conception SEMEP,

• De proposer des solutions innovantes dans le secteur du bâtiment, distribuées par INOVALIA

• D’optimiser ses achats avec sa centrale d’achats EURACHATS, • D’offrir à ses clients des solutions de maintenance avec une haute qualité de

service et une grande expertise au travers de MAINTENANCE THERMIQUE, • D’élargir son offre à travers PROTEXYS, spécialiste de l’électricité, de

l’automatisme et de la détection Incendie. • D’ouvrir des opportunités vers les énergies renouvelables avec SOLEAL,

orientée vers la réalisation de projets photovoltaïques. Cette organisation permet au groupe NEXILIS d’appréhender globalement les

problématiques énergétiques de ses clients. Les moyens mis à disposition permettent à CRUDELI de :

• Rationaliser et uniformiser son fonctionnement administratif et commercial • Sécuriser les aspects juridiques • Déployer une politique HQE exigeante • Garantir la sécurité de nos interventions et de notre personnel • Bénéficier de la politique d’innovation du groupe • Créer des passerelles entre les savoir-faire des différentes structures

synthese du projet de fin...

Documents