Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinhès à Meyrin (GE). Rapport final

Pahud, Daniel (1993) Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinhès à Meyrin (GE). Rapport final. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

La conception énergétique de l'immeuble industriel Marcinhès (68'000 m3, 18'400 m2), situé près de Genève, fait intervenir 940 m2 de capteurs solaires plans, un stockage souterrain de chaleur de 20'000 m3 de moraine sous le bâtiment, une pompe à chaleur à gaz de 215 kW, trois chaudières auxiliaires (gaz/mazout et bois) totalisant 640 kW ainsi que 3'400 m2 de façade double-peau responsable de gains solaires passifs importants. Le rapport final fait suite au rapport partiel paru en septembre 91. L'analyse détaillée du système solaire a fait l'objet principal du rapport partiel et n'est pas reprise ici. En raison de retards importants dans l'achèvement du bâtiment, les mesures ont été poursuivies jusqu'à octobre 1992 pour l'ensemble des installations techniques, et jusqu'à mai 1993 pour le stockage souterrain. Ce rapport contient: - l'analyse détaillée des installations techniques (PAC, distribution basse température, chaudières à gaz et distribution haute températures); - l'analyse complète du stockage saisonnier, avec un suivi détaillé de ses performances les quatre premières années de fonctionnement; - l'étude des façades en double-peau; - le bilan énergétique de chauffage du bâtiment; - une évaluation des différentes chaînes de production d'énergie. Les 940 m2 de capteurs solaires ont été partiellement couverts à partir de juin 1990. L'analyse de leurs performances jusqu'à octobre 1992 montre que les efficacités optiques sont proportionnelles aux surfaces non couvertes et confirme la stabilité des propriétés des capteurs dans le temps, sur plus de trois ans de fonctionnement. Le fonctionnement de la PAC à gaz est analysé en détail. Elle extrait principalement la chaleur du stockage, seule une fraction provient directement des capteurs (moins de 10%). Sa fiabilité est mauvaise, principalement en raison de la défaillance des organes de commandes ou de gestion. Les pertes de transformation sont élevées et représentent près de 20% de l'énergie à l'entrée de la PAC (pouvoir calorifique inférieur du gaz consommé additionné de la chaleur extraite par la PAC). Le COP, rapporté au PCI du gaz, est compris entre 1.4 et 1.8, mais il peut tomber vers 1.0 suite au dérèglement des composants de la PAC (soupape d'expansion). La contribution du condenseur des fumées de la PAC est comprise dans le COP, mais elle reste modeste et ne représente pas plus de 4 % du gaz consommé (PCl). Le COP annuel en fonctionnement réel est relativement bas (1.55 en 90- 91 et 1.45 en 91-92) et devrait être d'environ 1.6. D'autre part, il est pénalisé par une température de production de chaleur trop élevée. L'étude des chaudières à gaz (dont la plus utilisée est équipée d'un condenseur sur les gaz brûlés) montre qu'elles fonctionnent avec un bon rendement annuel. Il s'élève à 0.86 en 90-91 et 0.88 en 91-92 (PCI). La contribution du condenseur le fait passer respectivement à 0.93 et 0.97. Le comportement du stockage saisonnier est suivi dans le détail sur ses 4 premiers cycles de charge-décharge. Fonctionnant à basse température, sa température varie entre 15 et 30°C et permet d'accumuler 750 GJ. Un brassage convectif est observé au sein du stockage, lors du 3e cycle, mais sans affecter ses performances thermiques. A partir du deuxième cycle, son efficacité énergétique est comprise entre 43 et 47%, et atteint 60% en comptabilisant les pertes du stockage qui contribuent au chauffage du bâtiment. Les pertes globales sont importantes, en raison de la température moyenne élevée et des propriétés thermiques du terrain (conductivité et diffusivité thermique) plus élevées que prévus. Ces dernières, évaluées in situ, sont estimées à 2.8 au lieu de 2.4 W/mK pour la conductivité, et 1.3 au lieu de 0.9 (10E-6 m2/s) pour la diffusivité. Les échanges thermiques sont minutieusement examinés. La capacité de transfert de l'échangeur souterrain, évaluée avec les mesures, est estimée et 16 kW/K. Le calcul de la puissance de transfert thermique en régime stationnaire conduit à un résultat compatible, L'extraction d'une puissance de 150 kW (ou 40 W/m de forage), entraîne un écart de température d'environ 10°C entre le fluide caloporteur et la température moyenne du stockage. L'utilisation du programme DST permet de recalculer le comportement du stockage sur près de 3 ans et demi avec des paramètres constants. Les façades en double-peau sont caractérisées par un coefficient de pertes spécifiques et une surface équivalente solaire pour chaque orientation. Elle comprend les gains solaires directs, définis par la fraction du rayonnement solaire qui traverse directement la double- peau, et les gains solaires indirects, définis comme la fraction d 'énergie transmise à l'intérieur suite à l'échauffement de la double-peau. La ventilation de la double-peau, naturelle, est modélisée par effet cheminée. La vitesse de l'air qui la traverse est recalculée en moyennes mensuelles. Durant la saison de chauffage, les moyennes sont proches de 0.6 m/s. Cette vitesse fait augmenter le coefficient de pertes spécifiques de 80% , et réduit les gains solaires indirects de 80% . Une étude simplifiée permet de montrer que les surchauffes estivales ne sont pas supprimées avec 1'utilisation de bonnes protections solaires. La demande de chaleur du bâtiment est calculée avec la nouvelle Norme Européenne. Les pertes spécifiques totales du bâtiment et les gains solaires déterminés par le concept de surface équivalente solaire pour chaque orientation sont établis sur le relevé détaillé des composants de l'enveloppe du bâtiment; ils sont ensuite validés par un diagramme H-M. Le bâtiment est caractérisé par deux paramètres: un coefficient de pertes spécifiques et une surface effective de captage, définie en divisant les gains solaires passifs par l'ensoleillement vertical de la façade S-E. lls sont sensibles à la fraction ouverte des modules double-peau et donc à leur ventilation (18.1 kW/K et 740 m2 en 90-91, avec une fraction ouverte de 10-15 % , et 19.3 kW/K et 650m2 en 91-92, avec une fraction ouverte de 60-65%). Le bilan énergétique du bâtiment est effectué. Relativement à une utilisation normale du bâtiment et une température intérieure de 20°C, la demande d'énergie de chauffage reste inférieure à 200 MJ/m2an, valeur cible donnée par la recommandation 380/1 pour des ateliers. Néanmoins les façades double-peau ne sont toujours pas terminées et provoquent ) des surchauffes estivales. Le système solaire actif s'articule autour de la PAC, dont les performances sont médiocres. Relativement à la production de chaleur par les chaudières à gaz, 1 kWh extrait de la source froide de la PAC (captage et stockage) ne permet d'économiser que 0.6 kWh de gaz.

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