Mesures et optimisation de l’installation avec pieux énergétiques du Dock Midfield de l’aéroport de Zürich

Pahud, Daniel and Hubbuch, Markus (2007) Mesures et optimisation de l’installation avec pieux énergétiques du Dock Midfield de l’aéroport de Zürich. Project Report UNSPECIFIED

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Abstract

Le Dock Midfield est le nouveau terminal E de l’aéroport de Zürich. Avec une longueur de 500 m sur une largeur de 30 m, il a été construit dans le triangle des pistes dans le cadre de la 5e étape de développement de l’aéroport. En raison de mauvaises conditions géologiques (terrain meuble formé par d’anciens fonds lacustres), le bâtiment a dû être construit sur 440 pieux de fondation. Les pieux sont de gros diamètres (de 90 à 150 cm) et sont fichés dans une couche de moraine de fond située à environ 30 mètres de profondeur. Dans le but de contribuer au chauffage et au refroidissement du bâtiment, plus de 300 pieux sont utilisés en pieux énergétiques. Le bâtiment a été mis en service en automne 2003. Les mesures de l’installation utilisant les pieux énergétiques ont débuté en octobre 2004 pour une durée de 2 ans. Des problèmes avec l’acquisition des mesures réalisée avec le système de contrôle du bâtiment ont demandé beaucoup plus d’effort pour leur traitement. Des corrections ont été apportées pour combler les trous de mesure. Toutes les mesures ont été contrôlées et analysées pour les deux ans de mesure, soit d’octobre 2004 à septembre 2006. Le bilan énergétique du système, et en particulier les demandes d’énergie annuelles de chauffage et de refroidissement sont proches des valeurs établies durant la phase de planification. D’autre part, les performances thermiques du système sont très bonnes. Ceci confirme la nécessité et le bien fondé d’une planification détaillée et soigneuse de ce type de système, et d’une procédure de dimensionnement basée sur des études détaillées, qui ont inclus deux tests de réponse géothermiques, des simulations thermiques dynamiques du bâtiment et du système avec pieux énergétiques. Les mesures détaillées du système ont permis la mise au point de PILESIM2, la version 2 de PILESIM. Le mode de refroidissement par geocooling est mieux pris en compte et la confrontation des calculs avec les mesures est très satisfaisante. Les mesures d’octobre 2005 à septembre 2006 ont montré que la pompe à chaleur (PAC), dimensionnée pour délivrer une puissance thermique de 630 kW, contribue pour plus de 70% au chauffage du bâtiment (3'020 MWh/an), le reste étant couvert par du chauffage à distance (la demande de puissance de chauffage de pointe est d’environ 1.6 MW). La demande de refroidissement est causée par la nécessité d’évacuer les charges internes (1'170 MWh/an). Elle est couverte par geocooling (53%), en satisfaisant des besoins de chauffage simultanés (32%) et avec la PAC utilisée comme machine frigorifique (15%). Les rejets thermiques de cette dernière sont évacués par une tour de refroidissement sur le toit du bâtiment et ne compromettent pas la production de froid par geocooling. La production de geocooling représente 40% de l’énergie extraite en hiver par la PAC. Elle assure ainsi une recharge thermique suffisante du terrain, indispensable pour garantir un fonctionnement à long terme du système. Rapportées par mètre linéaire de pieu, la puissance moyenne et l’énergie annuelle extraite ont été établies à respectivement 45 W/m et 183 kWh/(m an). En injection de chaleur, et donc pour le geocooling, ces valeurs sont de 16 W/m et 74 kWh/(m an). Les indices de performance du système sont excellents. Le coefficient de performance annuel de la PAC est mesuré à 3.9. L’efficacité annuelle de geocooling, définie par le rapport de l’énergie de geocooling sur l’énergie électrique consommée par les pompes de circulation, est exceptionnellement élevée avec une valeur de 60. L’efficacité globale annuelle du système, définie par le rapport de l’énergie thermique de chauffage et de refroidissement sur l’énergie électrique totale pour le faire fonctionner, pompes de circulation incluses, est de 5.1. Un potentiel d’amélioration existe avec la distribution de refroidissement. Il est quantifié en supposant que la machine frigorifique n’aie pas besoin d’être mise en marche. Avec cette hypothèse l’efficacité globale du système augmenterait de 5.1 à 5.7. Ceci impliquerait que la température de départ dans la distribution de refroidissement, fixée actuellement à 14°C, puisse être augmentée et le réglage du circuit hydraulique amélioré. Une simulation avec PILESIM2, dont les paramètres ont été calibrés sur les mesures, permet de montrer qu’il suffit de pouvoir distribuer l’énergie de refroidissement à 16-17°C, avec un retour à 19-20°C, pour ne pas avoir besoin d’enclencher la machine frigorifique. Les prestations économiques du système sont excellentes. Le coût de l’énergie thermique délivrée (en chaud et en froid) est calculé à 6 ct./kWh, que l’on peut comparer à celui de 8 ct./kWh pour une solution conventionnelle. L’investissement supplémentaire du système avec pieux est remboursé en plus ou moins 8 ans.

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