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Quel système choisir ?

Open Vs Closed system

 

Analyse comparative

Actuellement, les systèmes fermés sont majoritaires en région bruxelloise de par leur simplicité opérationnelle, leur adaptabilité à des petits projets de type maison unifamiliale et un cadre réglementaire allégé.

En effet, le système ouvert :

  • requière de réaliser une étude de faisabilité hydrogéologique pour confirmer et quantifier le potentiel de la nappe ciblée, là où le système fermé est théoriquement fonctionnel sur tout le territoire bruxellois;
  • est contraint par une instruction plus lourde en termes de permis d’environnement que pour le système fermé justifiée par des impacts du système sur la ressource en eau souterraine qui demandent d’être maitrisés;
  • apparait peu adapté pour des petits projets de type maison unifamiliale du fait des contraintes de faisabilité, de dimensionnement et de maintenance des puits nécessitant entres autres l’intervention d’un bureau d’étude sous-sol spécialisé en hydrogéologie.

Néanmoins, il y a lieu de noter la croissance du nombre de systèmes ouverts en région bruxelloise. Ceci s’expliquant par :

  • un investissement moindre du fait de la capacité d’un doublet de puits géothermiques à produire la même quantité d’énergie que 10 à 50 sondes géothermiques de 200 m de profondeur !
  • une performance énergétique bien supérieure se traduisant par une meilleure indépendance énergétique (optimisation de l’exploitation de l’énergie du sous-sol) et donc des couts opérationnels plus bas que pour le système fermé;
  • un potentiel géothermique en système ouvert connu rendant cette option tout à fait envisageable.
  Système fermé Système ouvert
Faisabilité technique & facilité de maintenance
Adapté pour maison unifamiliale
Efficacité énergétique et puissance
Contraintes règlementaires
Investissement
Couts exploitation

Dimensionnements types

Le tableau ci-dessous donne des exemples de dimensionnements types en système fermé ou système ouvert pour 10 classes de bâtiment représentatives de la segmentation du bâtiment Bruxellois, caractérisée majoritairement par du logement et du bureau. Ces classes sont définies sur la base des critères ci-dessous :

  • type de bâtiment : résidentiel unifamilial (150m²), résidentiel collectif (10 fois 70m²), immeuble de bureaux de petite (5500 m²), moyenne (15000m²) et grande taille (75000m²).
  • niveau d'isolation : neuf et rénové

Pour chaque classe, des besoins thermiques de référence sont définis par défaut pour les paramètres ci-dessous :

  • besoin en froid par m² de surface (kWh/m²/an)
  • besoin en chaud par m² de surface (kWh/m²/an)
  • besoin annuel en eau chaude sanitaire (kWh/an)

Sur cette base, pour chaque classe, une estimation du besoin annuel (kWh/an) en froid et en chaud est réalisée. Ce dernier est majoré par l'addition du besoin annuel en eau chaude sanitaire. Par la suite, la puissance échangée avec le sous-sol (kW) est calculée pour le refroidissement comme pour le chauffage.

La puissance maximale échangée avec le sous-sol (kW) correspondant soit aux besoins en chaud ou en froid permet in fine de quantifier d’une part, une longueur totale (m), une profondeur (m) et un nombre de sondes par défaut en système fermé et d’autre part, un débit de nappe (m³/h) et un nombre de doublets par défaut en système ouvert.
 
Les valeurs caractéristiques de ce dimensionnement en première approche sont synthétisées dans le tableau ci-dessous. Ces valeurs proposées sont des valeurs repères représentatives d'un ordre de grandeur et doivent nécessairement être adaptées aux caractéristiques techniques du projet dans le cadre du dimensionnement : 

 

Classes & types Besoins thermiques de référence Exemple de pré-design en système fermé Exemple de pré-design en système ouvert
# Type de bâtiment Type d'isolation Surface [m²] Chaud [kWh/m²/an] Froid [kWh/m²/an] Eau chaude sanitaire [kWh/an] Longueur totale sonde [m] Nombre de sonde(s) * Profondeur de forage [m] * Débit nappe [m³/h] Nombre de doublet(s) **
1 Résidentiel unifamilial Neuf 150 15 - 4100 92 1 92 0,5 1
2 Rénové 150 45 - 4100 156 1 156 0,8 1
3 Résidentiel collectif Neuf 700 15 - 28500 562 3 187 3 1
4 Rénové 700 45 - 28500 865 4 216 4 1
5 Bureaux (petite taille) Neuf 5500 15 15 5500 1784 9 198 9 1
6 Rénové 5500 30 10 5500 2458 12 205 13 1 - 2
7 Bureaux (taille moyenne) Neuf 15000 15 15 étude 4865 24 203 25 1 - 3
8 Rénové 15000 30 10 étude 6486 32 203 33 1 - 4
9 Bureaux (très grande taille) Neuf 75000 15 15 étude 24324 118 206 126 3 - 13
10 Rénové 75000 30 10 étude 32432 158 205 167 4 - 17

 

*(système fermé) d’autres configurations impliquant une profondeur inférieure et un nombre de sondes supérieur sont possibles
**(système ouvert) un doublet unique bien que suffisant en terme de débit peut poser des problèmes d’approvisionnement dans le cas de l’arrêt d’une pompe.

Hypothèses de calcul relatives aux valeurs reprises dans ce tableau

Besoins en chaud (kWh/m²/an) :

En construction neuve, la réglementation PEB Bruxelloise impose des besoins en chaud de type « passif » (besoin de chaleur net < 15 kWh/m² par an). En rénovation lourde, seules les caractéristiques des parois rénovées sont normées. Le standard « basse énergie » (besoin de chaleur net < 45 kWh/m² par an) est retenu pour la performance globale visée du logement. En bureau, la « très basse énergie » (< 30 kWh/m² par an) est retenue étant donné les apports internes. Estimation réalisée par Benjamin Wilkin, Executive Director à l’APERe asbl. Pour toute question, contacter l’APERe asbl.

Besoins en froid (kWh/m²/an) :

Le résidentiel (unifamilial ou collectif) n’a, en général, pas de besoins de production de froid actif. Il en va autrement des bureaux pour lesquels les besoins de froid actif, fonction de l’occupation en journée et de l’exposition des façades au soleil, peuvent atteindre, ou dépasser, les besoins de chaud (densité d’occupation et surfaces vitrées importantes). Estimation réalisée par Benjamin Wilkin, Executive Director à l’APERe asbl. Pour toute question, contacter l’APERe asbl.

Besoins en eau chaude sanitaire (kWh/an) :

Les besoins en eau chaude sanitaire sont définis pour chaque classe de bâtiment. Ils sont en général plus importants dans le résidentiel unifamilial que dans le logement collectif et faible dans les petits immeubles de bureaux. Dans ces 3 cas, il est efficace d’utiliser aussi la géothermie pour produire de l’eau chaude sanitaire. Dans le cadre d’immeubles de bureaux plus importants (>10.000m²), les besoins en eau chaude dépendent fortement des usages à besoins plus importants tels que le nettoyage ou la présence de cuisine industrielle. L’usage de la géothermie pour couvrir ces besoins devra faire l’objet d’une étude assurant que la production d’eau chaude ne contrecarre pas la production de chaleur nécessaire. Estimation réalisée par Benjamin Wilkin, Executive Director à l’APERe asbl. Pour toute question, contacter l’APERe asbl.

Puissance en froid et en chaud (kW) et Puissance maximale échangée avec le sous-sol (kW) :

Les calculs sont réalisés en partie sur la base des méthodes définies par la norme suisse SIA 384-6. Ces paramètres, non repris dans le tableau mais bien utilisés pour les calculs, sont définis sur la base des données et hypothèses ci-dessous :

  • besoins annuels (kWh/an) en chaud & eau chaude sanitaire d’une part, en froid d’autre part, préalablement calculés pour chaque classe
  • temps équivalent de fonctionnement à pleine charge de 1850 h
  • coefficient de performance (COP) de 5 en chaud comme en froid
  • apport en froid exclusivement actif (pas de geocooling)

Calculs réalisés par Mathieu Agniel, Hydrogéologue, Bruxelles Environnement. Pour toute question, contacter magniel@environnement.brussels.

Pré-dimensionnement système fermé :

Les calculs sont réalisés sur la base des méthodes définies par la note d’information technique 259 du Centre Scientifique et Technique de la Construction, Géothermie peu profonde, Conception et mise en œuvre de systèmes avec échangeurs en forme de U, 2016  complétée par la norme suisse SIA 384-6. Les hypothèses ci-dessous sont retenues :

  • sonde double U en Polyéthylène haute densité Ø32 mm. 
  • température, capacité thermique et conductivité thermique du sous-sol de respectivement 10°C, 2.0 MJ/(m³.K) et 1.8 W/(m.K)
  • puissance spécifique de 30 W/m
  • différence de température à l'évaporateur de 3°C
  • liquide caloporteur constitué de monopropylène glycol 25 %, densité de 1052 kg/m³ et viscosité dynamique de 0,0052 kg/(m.s)
  • écoulement légèrement turbulent (Re = 2500 +/- 200)

L'influence thermique du champ de sonde (si nombre de sondes > 1) n'est pas prise en compte.

Calculs réalisés par Mathieu Agniel, Hydrogéologue, Bruxelles Environnement. Pour toute question, contacter magniel@environnement.brussels.

Pré-dimensionnement système ouvert :

Les calculs sont réalisés sur la base de l’ouvrage Hydrogeology, Groundwater science and engineering, Alain Dassargues, 2019.

Les hypothèses ci-dessous sont retenues :

  • différence de température à l'évaporateur de 5°C
  • densité et capacité thermique massique de l’eau de respectivement 1000 kg/m³ et 4186 J/(kg.°C)
  • débit extractible par puits d'environ 10 à 50 m³/h selon l'aquifère exploité et son potentiel local

Calculs réalisés par Mathieu Agniel, Hydrogéologue, Bruxelles Environnement. Pour toute question, contacter magniel@environnement.brussels.

Date de mise à jour: 21/04/2020