Fondation – Un nouveau bâtiment d’entreprise à Coire est largement chauffé par la chaleur résiduelle des charges internes (à l’aide d’une pompe à chaleur), laquelle est stockée dans la dalle souterraine du sous-sol. À cela s’ajoutent des panneaux solaires hybrides PVT faisant office de source de chaleur, mais qui participent en premier lieu au refroidissement de l’édifice. Une surveillance de trois ans a confirmé le caractère approprié de ce concept énergétique innovant pour les bâtiments de bureaux. Dans le cas des immeubles d’habitation dont les besoins en chaleur dépassent en général nettement les besoins de climatisation, le concept ne s’applique que dans certaines conditions.
Fondation porteuse d’énergie. En 2020, la succursale suisse de la société Viega AG a emménagé dans un nouveau bâtiment à la périphérie de Coire. Sur une surface d’au moins 6000 m2, le bâtiment de quatre étages abrite des locaux de production, de bureaux et de stockage, ainsi qu’un restaurant et une zone de fitness et de détente. L’immeuble, dans lequel travaillent une centaine de personnes dispose d’une excellente isolation thermique conforme à la norme Minergie-P. La chaleur résiduelle des serveurs est notamment utilisée pour le chauffage, ce qui couvre presque 10% de la totalité des besoins en chaleur. Grâce à la grande proportion de fenêtres, il est en outre possible de générer une quantité d’énergie solaire considérable et de la répartir dans l’édifice par le biais de panneaux de plafond hybrides.
1. Les modules PVT à double vitrage produisent de l’électricité et de la chaleur, mais ils sont aussi utilisés pour le refroidissement du bâtiment. Le système PVT est optimisé en cas de besoin en refroidissement. S’il l’était pour la production de chaleur, il permettrait de générer environ 20 fois plus de chaleur.
2. La dalle de fondation avec les tubes d’échangeur de chaleur insérés est en phase de construction.
3. La dalle de fondation absorbe la chaleur du sol environnant. Toutefois, aucun échange de chaleur n’a lieu avec l’eau souterraine, comme le montrent les mesures.
4. Le graphique montre la quantité de chaleur apportée (en rouge) ou retirée (en bleu) de la dalle de fondation au cours de l’année. La ligne horizontale bleue marque la limite de chauffage (12 °C) – le chauffage est actif lorsque la température extérieure est plus basse. À partir de février, la dalle de fondation est en grande partie régénérée grâce à la quantité de chaleur produite par l’installation PVT. Cette régénération de la chaleur pourrait encore être nettement augmentée au cours des mois suivants (mars à juin). L’apport de chaleur dans la dalle de fondation est toutefois empêché par la commande de l’installation afin que la dalle ne surchauffe pas.
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UNE PLAQUE DE FONDATION EN GUISE DE RÉSERVOIR TAMPON
Les gains thermiques sont si importants que les planificateurs énergétiques se sont concentrés dès le départ sur la production de froid plutôt que sur celle de chaleur pour le bâtiment. Dans la mesure où l’installation de sondes géothermiques est interdite en raison de la protection de l’eau souterraine, les planificateurs de la société Vassella Energie GmbH (Poschiavo) et de l’Institut de technique solaire (Haute école spécialisée de Suisse orientale) ont opté pour une grande installation solaire de 384 m2 avec des collecteurs PVT capables de fournir de l’électricité et de la chaleur, mais aussi de refroidir: en mode refroidissement, ils diffusent, à l’aide de pompes à chaleur, la chaleur résiduelle générée lors du refroidissement actif du bâtiment et ne pouvant pas être absorbée par la dalle de fondation pour des raisons de capacité. Dans ce but, la société Caotec SA a développé des modules à double vitrage qui utilisent un absorbeur Roll-Bond non isolé en aluminium en guise d’échangeur de chaleur. Les modules PVT atteignent une puissance de refroidissement de 80 kW (soit 0,2 kW/m2) et une puissance de chauffage de 60 kW (soit 0,16 kW/m2).
Les installations solaires thermiques sont généralement complétées par un réservoir d’eau chaude ou un accumulateur de glace afin de stocker temporairement la chaleur jusqu’à son utilisation. À Coire, les planificateurs ont emprunté une autre voie et se sont aventurés en terrain inconnu: ils utilisent la dalle de fondation de 1000 m2 et de 30 cm d’épaisseur du bâtiment comme accumulateur de chaleur. Pour ce faire, la dalle de fondation est traversée par un mélange d’eau et de glycol via un système de tuyaux d’une longueur de 4870 m qui assure le transport de la chaleur ou du froid. Deux pompes à chaleur saumure-eau utilisent la chaleur collectée dans la dalle de fondation pour l’approvisionnement en chaleur de chauffage et en eau chaude. À l’inverse, la chaleur générée par le refroidissement du bâtiment peut être déposée dans la dalle de fondation. Celle-ci constitue un accumulateur de chaleur, dont la capacité évolue entre celle d’un réservoir saisonnier et celle d’un réservoir journalier, disposant d’une période tampon de plusieurs semaines. Une surveillance confirme la haute efficacité.
La combinaison d’une installation PVT avec une dalle de fondation dotée d’une capacité de stockage n’a guère été mise en œuvre jusqu’à présent. L’Institut de technique solaire (SPD) de la Haute école spécialisée de Suisse orientale a étudié ce nouveau système énergétique – notamment pour le refroidissement des bâtiments – à partir de 2020 dans le cadre d’un projet de trois ans. «Nos résultats confirment que ce système ne couvre pas uniquement la quasi-totalité des besoins en chaleur du bâtiment, mais également ceux en refroidissement», affirme le responsable du projet SPF, Alexander Schmitt. L’OFEN a soutenu financièrement l’expérimentation de ce concept innovant dans le cadre de son programme pilote et de démonstration. Le projet s’est achevé au printemps 2024 avec le rapport final.
5. Représentation schématique du système énergétique avec installation PVT et dalle de fondation utilisée à des fins énergétiques.
Les mesures attestent la haute efficacité des deux pompes à chaleur: pour le chauffage, le coefficient de performance annuel est de 5,8, de 3,5 pour la production d’eau sanitaire et de 4,8 pour le refroidissement. Cette bonne performance est due en partie à la dalle de fondation: au cours de l’hiver 2022/23, la tem- pérature moyenne de la dalle était d’environ 5 degrés supérieure à celle de l’air extérieur. Par conséquent, le système énergétique fonc- tionne plus efficacement qu’une pompe à chaleur air-eau comparable. Le planificateur Carlo Vassella cite une autre constatation: «La surveillance a confirmé qu’une installation PVT pouvait également être utilisée pour le refroidissement.» Ainsi, l’installation PVT est utilisée en particulier pendant les mois d’été pour évacuer la chaleur excédentaire de la dalle de fondation vers l’environnement par rayonnement, ainsi que par convection (surtout la nuit).
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DES POMPES À CHALEUR NETTEMENT PLUS PETITES
Les résultats de la surveillance sont également intéressants concernant le dimensionnement des pompes à chaleur: celui de la puissance thermique à 160 kW et de la puissance de refroidissement à 90 kW s’est avéré approprié. Le planificateur du chauffage avait d’abord proposé une puissance nettement plus élevée en référence aux normes SIA et VDI. Mais alors, des simulations de la charge de chauffage et de refroidissement réalisées par l’Institut de technique solaire SPF, ont montré que les appareils pouvaient être conçus avec des dimensions nettement inférieures (seulement 36% de la valeur d’origine). Le constructeur ne s’est pas laissé décontenancer par le risque d’un approvisionnement insuffisant en chaleur ou en froid et a finalement eu raison: les mesures effectuées dans le cadre du monitoring montrent que, malgré une puissance nettement inférieure et la capacité de stockage limitée de la dalle de fondation, le système énergétique couvre presque entièrement les besoins annuels en chaleur et en froid (99% sur l’ensemble de la période de surveillance, et même 100% lors d’un hiver doux). L’un des objectifs principaux du projet P&D était de contrôler la puissance de refroidissement des panneaux PVT. Dans ce contexte, le raccordement au réseau anergie local a créé une redondance bienvenue.
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UNE COMMANDE COMPLEXE DE L’INSTALLATION
Le système énergétique composé de l’installation PVT et de la dalle de fondation est donc très performant. Il pose toutefois des exigences élevées en termes de commande de l’installation, comme le souligne le rapport final du projet : « Une surveillance complète et une optimisation étaient et sont encore indis- pensables pour une exploitation efficace de l’installation. »
L’exemple suivant en explique les raisons: la dalle de fondation ne doit pas accumuler trop de chaleur au printemps pour ne pas être trop chaude en été, ce qui altèrerait le refroidissement du bâtiment. C’est pourquoi le système de chauffage est contrôlé de manière à ce que la dalle de fondation ne reçoive pas de chaleur de l’installation PVT entre mars et juillet, dès que la dalle a atteint une température de 7 °C. Cette démarche évite la surchauffe de la dalle de fondation, mais au prix d’une baisse de la température disponible dans la dalle de fondation, ce qui réduit l’efficacité des pompes à chaleur.
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PLUS ÉCOLOGIQUE ET MOINS CHER QUE LES SONDES GÉOTHERMIQUES
Pour Carlo Vassella, l’utilisation de la fondation n’est pas seulement une solution de secours lorsque l’installation de sondes géo-thermiques est impossible mais représente une meilleure alternative: «La dalle de fondation doit être coulée dans tous les cas et contient ainsi beaucoup moins d’énergie grise que les sondes géothermiques», affirme Vassella. Selon les calculs de l’équipe chargée du projet, un système énergétique composé d’un champ de sondes géothermiques avec une pompe à chaleur saumure-eau et une installation PV (584000 fr./20 ans) est également plus cher que le système existant composé de collecteurs PVT et d’une dalle de fondation (504000 fr./20 ans, sans raccordement au réseau anergie). Une pompe à chaleur air-eau avec installation PV (326000 fr./20 ans) est certes moins chère, mais elle présente l’inconvénient de ne parfois pas pouvoir être utilisée en raison des nuisances sonores ou en altitude, souligne Carlo Vassella.
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