gt géothermie dans les hôpitaux

Cluster TechnologyofWalloniaEnergy,EnvironmentandsustainableDevelopment

06février2017

GROUPE DE TRAVAIL:

GÉOTHERMIE DANS LES HÔPITAUX

GT GÉOTHERMIE DANS LES HÔPITAUX

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• Contexte : Suite au succès de l'événement dédié aux solutions en énergie durable dans les institutions de soins (IdS) du 11 septembre 2015, le Cluster TWEED et la FIH (Fédération des Institutions Hospitalières) organisent divers groupes de travail sur des thématiques précises.

• Participants : 2/3 membres-experts de TWEED & une série de membres de la FIH / UNESSA par GT, offreurs & demandeurs de solutions respectivement.

• Organisation : ‘pitchs' de courte durée (5 minutes) pour les membres-expert de TWEED, suivis d'un débat sous la forme de questions/réponses et animé par TWEED & la FIH.

Cluster TechnologyofWalloniaEnergy,EnvironmentandsustainableDevelopment

TWEEDAsblRueNatalis 2– 4020Liège– Belgium

BricoutPaulProjectengineer

[email protected]

OlivierUlriciProjectengineer

[email protected]

CédricBrüllDirector

[email protected]

www.clustertweed.be

Eaux souterraines, surface, sols/sous-sols

Géothermie (valorisation captages, champ de sondes)

Aménagement du territoire

Permitting

Expertise exportée au Canada, Maroc et Italie

Gestion environnementale de sites industriels, carrières, ressources

Imagerie du sous-solEtude de stabilité

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OUTIL D’AIDE POUR MENER À BIEN UN PROJET DE GÉOTHERMIE

Introduction Géothermie sur nappe

Champ de sondes Réflexions

Etapes d’un projet de

géothermieProjets en Wallonie

§ Hôpitaux, tertiaire;

§ Centres culturels, sportifs, de congrès;

§ Quartiers durables, novateurs, exemplaires;

§ Logements collectifs, crèches, écoles, sénioreries;

§ Piscines, hôtels, supermarchés, data-centers, serres;

§ Réseaux de chaleur;

§ Rénovations énergétiques;

§ …

APPLICATIONS DE LA GÉOTHERMIEChauffage, climatisation, stockage par géothermie





§ Haute énergie : T° > 120 °C

§ Moyenne énergie : 60 °C < T° < 120 °C

§ Basse énergie : 30 °C < T° < 60 °C

§ Très basse énergie : T° < 30 °C § Nécessite une PAC si chauffage

àDeux sources de chaleur (ou de froid) possibles :

Le sol ou l’eau souterraine

RÉGIMES DE TEMPÉRATUREGammes des températures





§ ROI de 4 à 12 ans selon la géologie et les besoins;

§ Réduction des émissions de gaz à effet de serre;

§ Production de chaud, de froid et ECS avec la même technologie;

§ Température source stable toute l’année;

§ Maintenance très limitée;

§ Stockage de chaleur ou de froid.

AVANTAGES DE LA GÉOTHERMIE





100 m3/h ~ 600 kW géoth.Grandes puissances : plusieurs

centaines de kW, MW.

PRINCIPES GÉNÉRAUXSource = nappe

Circuit ouvertSource = sol/roche

Circuit fermé (champ de sondes)

~ 35-50 W/m géoth. pour un chauffage de 2000 h/an

Moyennes puissances : quelques dizaines à centaines de kW.





100 m3/h ~ 600 kW géoth.Grandes puissances : plusieurs

centaines de kW, MW.

PRINCIPES DE LA GÉOTHERMIE SUR NAPPE (Circuit ouvert)Source = nappe

Circuit ouvert § La chaleur est prélevée dans l’eau de la nappe souterraine;

§ L’eau pompée (puits de production) passe par l’échangeur;

§ Elle est restituée dans la nappe via un puits d’injection ou en eau de surface;

§ L’eau rejetée subi un ΔT de 4 à 6°C;

§ Le système utilise un (ou plusieurs) doublet(s) de forage.





CONTRAINTES (1/2)

§ Suffisance du débit de nappe?§ Changement du chimisme?§ Comportement des écoulements et du transport?

à Nécessité de : forages, analyses chimiques, tests de pompage, tests de réponse thermique, essais de traçage, géophysique.

§ Optimisation et pertinence de l’espace entre pompages et rejet?

§ Risque de courts-circuits thermiques?§ Surexploitation de la nappe?

à Besoin d’un dimensionnement à Développement d’un modèle de flux souterrains

couplé à un modèle de transport de chaleur.





§ Si réinjection dans la nappe:

à Constitution d’un Permis de Classe 1 avec Etude d’Incidences (EIE):

Par un bureau spécialisé en hydrogéologie et agréé pour EIE;

Période d’instruction du Permis : environ 6 mois.

CONTRAINTES (2/2)





§ Hôpital d’Anvers : chauffage et climatisation par géothermie

§ Puissance: 1,2 MW;

§ Débit pompé et réinjecté: 2 x 100 m3/h;

§ 4 puits de 65 m de profondeur: 2 doublets de pompage et injection;

§ T° de l’eau pompée: 11,7 °C été comme hiver;

§ T° d’injection en mode chauffage: 8 °C;

§ T° d’injection en mode climatisation: 18 °C.

EXEMPLE





PRINCIPES DU CHAMP DE SONDES (Circuit fermé)Source = sol/roche

Circuit fermé § La chaleur est prélevée dans le sol par des sondes géothermiques verticales utilisées comme échangeur;

§ Un liquide caloporteur circule dans une boucle étanche;

§ Le nombre de sondes varie de 2 à plusieurs dizaines en fonction des besoins thermiques;

§ Possibilité d’utiliser les fondations des bâtiments comme sondes verticales.

~ 35-50 W/m géoth. pour un chauffage de 2000 h/an

Moyennes puissances : quelques dizaines à centaines de kW.





CONTRAINTES

§ Espace disponible pour les dizaines de forages?

à Nécessité d’un cahier des charges forages pour assurer la protection de la nappe;

à Optimisation du design en intégrant les résultats d’un Test Réponse Thermique;

à Besoin de dimensionner avec un modèle numérique de flux souterrains couplé au transport de chaleur ou des modèles simplifiés adaptés.

§ Permis Classe 2 avec délai d’instruction d’environ 3-4 mois





ORDRES DE GRANDEUR

§ A titre indicatif, pour installer une puissance de 1 MW géothermique, il faut réaliser environ 170 sondes de 100 m nécessitant une surface de minimum 20 000 m².





Quels sont les besoins en chaud/en froid ?

à Ils déterminent la puissance des outils de production (PAC, appoint, …), ses heures de fonctionnement, les COP.

Inscrire la réflexion « géothermie » dès le début du projet :

à peut constituer un critère de choix pour l’emplacement du site (si bâtiment neuf)à permet de travailler avec un agenda précis concernant :

§ Les délais de permis pour la caractérisation du sous-sol;§ L’exploitation géothermique.

Proscrire tout surdimensionnement de la PAC :

à Dimensionnée à 50%, elle peut couvrir au moins 85 % des besoins et est complétée avec un appoint.





§ Etude de pertinence• Vérification de l’opportunité du projet de géothermie, étude

d’orientation du projet.à étude bibliographique, cartes (hydro)géologiques, confrontation des besoins aux

ressources locales, détermination d’un design sur nappe ou sondes.

§ Etude de pré-faisabilité• Pré-dimensionnement des ouvrages, • Approche préliminaire technico-économique, • Forages de prospection, • Mesures in-situ de prospection

§ Etude de faisabilité• Mise en route des permis, • Caractérisation du sous-sol, • Validation des capacités de la ressource, • Dimensionnement des ouvrages / équipements, • Plan financier.





AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU TYPE DE SOUS-SOL (indicatif)

Moyennement à beaucoup d’eau :

= condition nécessaire pour système avec pompage,= atout pour champ de sondes (régénération des calories).

+ -Argiles Pas d’eau

Sables Moyennement à beaucoup d’eau

Graviers Beaucoup d’eau

Schistes Peu d’eau

Grès Peu à moyennement d’eau

Calcaires Beaucoup d’eau Forage de puits plus coûteux

Potentiel et adéquation du

système ?

Conception

InstallationMonitoring

Maintenance

Champ de sondes

Pompage sur aquifère

Définition des besoins





Besoins en chaud et en froid ?

Potentiel géothermique du site ?Conception du système géothermique

Préparation des demandes de permisCaractérisation sous-sol

Dimensionnement final

Installation du système géothermique Raccordement à la PAC et mise en route

Etude de préfaisabilité

Etude thermique du bâtiment

Etude de faisabilité

Suivi du chantier

Opportunité technico-économique, environnementale ?





§ Calcul des besoins en énergie pour le chauffage et le refroidissement du bâtiment;

§ Détermination des puissances;

§ Simulations thermiques statique et dynamique en fonction des T° de confort intérieur à respecter.




Suivi du chantier

Opportunité?





§ Etude du potentiel géothermique

• Analyse cartographique et documentaire

Présence d’une nappe d’eau souterraine, type de sous-sol, zones à risques, espace disponible ? Compatibilité avec les puissances requises ?

• Estimatif des coûts, choix entre champ de sondes ou pompage / rejet sur nappe

En fonction du timing, de la philosophie, des coûts, des risques.

Etude de préfaisabilité (1/3)



Suivi du chantier

Opportunité?





§ CAS 1 : Champ de sondes

• Pré-dimensionnement par modélisation

Critères : répondre aux besoins énergétiques en respectant pérennité, environnement, coût et espace disponible.

à Modélisation T° du fluide caloporteur dans le temps en fonction des besoins, P PAC, présence de nappe…

à Optimum de la disposition, nombre et profondeurs des sondes, ROI.

• Introduction d’un Permis Classe 2 (3 à 4 mois)

avec résultats du pré-dimensionnement + CSC forages et équipement avec sondes + CSC Test Réponse Thermique




Suivi du chantier

Opportunité?





§ CAS 2 : Pompage sur aquifère

• Forage et équipement d’un puits de prospectionDiamètre et profondeur en fonction:

- des besoins (gammes de P conditionnant les débits d’eau

à rechercher), des venues d’eau observées…

• Pompage d’essai par paliers/moyenne duréeDétermination:

- de la capacité du puits, - du débit optimal, - de la capacité d’alimentation du système aquifère.

• Echantillonnage et analyses physico-chimiques et bactériologiques

- Caractérisation du chimisme, - Calcul des déséquilibres chimiques (f(T°)), - Choix des équipements pour éviter colmatages, précipitations dans puits et échangeurs




Suivi du chantier

Opportunité?





• Procédures de permitting + CSC

Sys. ouvert avec réinjection – classe 1 + EIESys. ouvert avec rejet eaux de surface – classe 2 + EIESys. fermé (sondes) – classe 2

• Tests de terrain et design final par modélisation

• Evaluation fine du ROI




Suivi du chantier

Opportunité?





Mise en œuvre de l’installation et suivi

§ Direction et suivi des forages (sondes ou puits)

§ Tests d’étanchéité (sondes)

§ Suivi technique, administratif et financier du chantier

§ Monitoring du système




Suivi du chantier

Opportunité?









§ Centre de production d’eau: 6 forages de 200 m avec débit de 5 Mm3/an

Etude hydrogéologique complexe

• Design des puits de captage par modélisation hydrogéologique dans un contexte très sensible d’exploitation de la nappe

• Valorisation du pompage pour le chauffage d’un ecoquartier voisin





§ Refroidissement de data-centers par hydrothermie (avec réinjection)

Essais pilotes

• Forages et caractérisation géologique

• EIE (RIP, etc.)

• Modélisation du transport de chaleur

• 500 kW Quartier général de SWIFT, La Hulpe (Belgique)





§ Nouveau Pôle Culturel de la Province de Liège

Etude faisabilité chauffage et climatisation par géothermie sur nappe

• Caractérisation du sous-sol par géophysique

• Dimensionnement du design par modélisation 3D





§ Nouveau Centre de Formation de la Province de Liège à Seraing

Design d’un champ de sondes pour le chauffage et la climatisation - par géothermie sur nappe

• Environnement avec présence d’anciennes galeries de mines

• Test de Réponse Thermique

• Suivi des forages et équipement de sondes

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

La géothermie dans des bâtiments en milieu urbain

www.GEOLYS.be

Géothermie - Généralités

www.GEOLYS.be

Geothermie(terre) (chaleur)

• Energie thermique contenue dans la terre

• Ensemble des procédés qui permettent l’extraction et la valorisation industrielle de cette chaleur

5 octobre 2016


www.GEOLYS.be

• Avantages

• Renouvelable

• Présente partout

• Discrète

• Régulière et disponible 24h/24

5 octobre 2016


www.GEOLYS.be5 octobre 2016

• Types de géothermie

• Haute énergie: temp >150 °C -> électricité

• Moyenne énergie: temp de 90 à 150°C -> électricité et chaleur

• Basse énergie: temp de 30 à 90°C -> chaleur

• Très basse énergie (très basse température - TBT)• profondeur < 300 m• temp < 30°C • chauffage (PAC)• rafraichissement• 2 familles de systèmes:

• circuit ouvert• circuit fermé

Géothermie TBT - Généralités


Rayonnement solaire

Désintégration éléments radioactifsRefroidissement noyau -> gradient moyen de 3°/100m

Zones « d’anomalies »- mouvements magma- gradients jusque 30°/100m

• Profondeur et température

Géothermie TBT - Généralités


• Pompe à chaleur (PAC)

Géothermie TBT – Généralités


• Geocooling

Géothermie TBT – Circuit ouvert


• Principe général• Pompage de l’eau souterraine (10 à 12°C)• Pompe à chaleur• Rejet dans la nappe

• Particularités• Souvent plusieurs puits de réinjection• Un seul puits si utilisation de l’eau• Echangeur de chaleur avant la PAC• Geocooling• Pompage alternatif



• Rendement : stable et bon• P (kW) = 1.16 x Q (m3/h) x delta T (°C)• 1 m3/h, delta T: 5°C -> P ~6 kW

• Dimensionnement• Étude hydrogéologique

• Profondeur de la nappe• Débit et température attendus (essais de pompage)• Possibilité de rejet

• Essai d’injection• Comportement thermique (temps de percée)

• Qualité chimique de l’eau (minéralisation)

• Besoins énergétiques• En base et en pointe• Froid et en chaud

Géothermie TBT – Circuit ouvert - Exemple

www.GEOLYS.be

Quoi ?

Pour Qui ?

Chauffage et climatisation: Fontaines CapgeminiCentre événements

Capgemini

Quand ?

2010

Où ?

Chantilly (France)

5 octobre 2016

www.GEOLYS.be

Les principaux enjeux

1. Chauffage, ECS et rafraichissement des 7 villas (totalisant 300 chambres) destinées à l’hébergement des stagiaires :

• Utiliser des sources d’énergies renouvelables

• Réduire la facture énergétique

• Limiter le recours aux énergies fossiles

• Diminuer les émissions de gaz à effet de serre


5 octobre 2016

www.GEOLYS.be


Economies• Electricité: 331 MWh/an• Gaz: 50 MWh/an• CO2: 43 tonnes/an

5 octobre 2016



• Aspects administratifs - RW (sans compter la PAC)

Rubrique Intitulé Classe CS/CI**

45.12.02 Forage et équipement de puits destinés à une future prise d'eau souterraine (hormis les forages inhérents à des situations d'urgence ou accidentelles).

2(PE)

/

41.00.03 Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement :

41.00.03.01 inférieure ou égale à 10 m3/jour et à 3 000 m3/an 3 (déclaration)

CI

41.00.03.02 supérieure à 10 m3/jour et à 3 000 m3/an et inférieure ou égale à 10 000 0000 m3/an

2(PE)

CS

41.00.03.03 de plus de 10 000 000 m3/an 1(PE + EI)

CS

41.00.04 Installation pour la recharge ou les essais de recharge artificielle des eaux souterraines

1(PE + EI)

/

+ Permis d’urbanisme en vertu de l’article 84, §1er, 1° du CWATUP -> permis unique

Forage

Exploitation de la prise d'eau

Réinjection dans la nappe



• Points d’attention en milieu urbain

• Espace disponible sur la parcelle• Distance entre les puits • Zone de prise d’eau : 10 m (éventuellement en sous-sol)

• Parcelles voisines• Impact rabattement sur les constructions• Conflit usage eau

• Chantier• Accès pour les machines de forage• Espace pour les engins de forage et autres équipements• Anticipation risques hydrogéologiques



• Conclusions

• Renouvelable

• Performant et rentable

• Plutôt pour des nouvelles constructions

• Nappe accessible avec un bon débit

• Gestion administrative importante -> impact sur le planning

• Importance du dimensionnement et de l’étude hydrogéologique (points d’attentions liés au milieu urbain)

• Importance de l’organisation du chantier, surtout en milieu urbain

Géothermie TBT – Circuit fermé


• Circuit fermé: échange de chaleur avec sol• Capteurs horizontaux• Echangeurs compacts• Fondations thermoactives• Sondes géothermiques verticales

(champs de sondes)



• Sonde géothermique verticale (SGV) • Forage de diamètre faible (115-175 mm)

• Profondeur comprise entre 100 et max 300 m

• Equipé de 2 boucles de tuyaux PE

• Cimenté par le bas sur toute sa hauteur

• Circulation de fluide caloporteur jusqu’à la PAC



• Dimensionnement : besoins « limités »

• Besoin de chauffage (puissance PAC): 7,5 kW

• Durée de pleine charge: 2 000 h

• Besoin énergétiques annuels: 15 MWh/an

• Sous-sol: Calcaire

• Puissance d’extraction spécifique: 50 W/m

• COP PAC: 4,5

• Puissance à l’évaporateur: 5,8 kW

• Longueur de sonde nécessaire: 116 m



• Champ de sondes géothermiques• Nombre de SGV (5 -> 150)

• Profondeur des SGV (50 -> 300 m)

• Espacement entre sondes (7 -> 12 m)

• Géométrie du champs de sondes (rectangle, U, L)



Etude hydrogéologique + pré-dimensionnementIntroduction demande permis - CSC

Test de réponse thermique (TRT) Optimisation dimensionnement

Réalisation champs sondesTests de réception

Mise en œuvre: sonde test

• Autorisations RW: • Permis unique: Urbanisme + Environnement classe 2

• Etapes

P > 30 kW



• Etude hydrogéologique et prédimensionnement• Objectif

• Evaluer potentiel ressource

• Mise en œuvre technique -> coûts des forages/sondes

• Contexte géologique

• Succession lithologique attendue (schistes, grès, calcaire,…)

• Problèmes éventuels (karst, anhydrite,…)

• Contexte hydrogéologique

• Présence et types d’aquifères

• Exploitation des eaux souterraines (captages)

• Artésianisme



• Cas étudié: maison de repos – Erezée (Luxembourg)

• Contexte géologique• Régional: massif schisto-gréseux ardennais• Au droit du site:

• Formations gréseuses datant du Coblencien (Dévonien inférieur)

• 300 à 1100 m de profondeur• Fraction schisteuse

• Contexte hydrogéologique• Nappe dans les grès attendue vers 10 m-ns• Epaisseur aquifère importante• Recensement des captages -> pas en zone de prévention



• Prédimensionnement

• Déterminer en 1ère approximation taille du champ de sondes

• Données

• Besoins énergétiques du bâtiment (base et pointe)

• Système chauffage (PAC, SPF…) + Appoint

• Configuration du site

• Conductivité thermique moyenne estimée (ʎ)

• Type de sonde (simple U, double U, coaxiale)

• Caractéristiques fluide caloporteur

• Modélisation (EED)

• Nombre, profondeur, espacement, configuration des sondes

• Approche itérative



• Cas étudié: maison de repos• Besoins en chaud et en froid

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Besoinsénergétiq

ues

mensuels(kW

h)

Besoinmensueldechauffage(kWh)

Besoinmensuelderefroidissement(kWh)

• Pchauffage: 90 kW• Pclim: 28 kW



• Champ de sondes (chauffage – rafraichissement)

• Chauffage: 184 MWh/an• Rafraichissement: 55 MWh/an• Pchauffage: 90 kW• Pclim: 28 kW

• Résultat de la simulation (EED): • 14 sondes :

• 125 m de profondeur• espacées de 10 m• disposition linéaire (2 rangées)

• Cas étudié: maison de repos



• Sonde test• Objectif

• Réalisation TRT • Confirmer géologie et hydrogéologie

• Réalisation du forage• Terrain meuble: Tri-cônes/tri-lames• Terrain induré: Marteau Fond de Trou• + tubage avancement

• Mise en place de la sonde

• Cimentation

• Test de réception



• TRT• Objectif: mesurer in situ

• Conductivité thermique effective (λ en W/m/K)

• Température initiale moyenne (°C)• Résistance thermique de la sonde

• Optimisation du champ de sondes• Nouvelles simulations (EED)• 12 sondes de 125 m (2 sondes en moins)

• Chantier: champ de sondes

• Test de réception• Sondes individuelles• Installation globale



• Points d’attention en milieu urbain

• Espace disponible sur la parcelle• Espacement entre les sondes 6 à 10 m• En dessous du bâtiment –> contrainte température fluide

• Distance aux parcelles voisines

• Chantier• Accès pour les machines de forage• Espace pour les engins de forage et autres équipements• Anticipation risques hydrogéologiques



• Conclusions

• Filière à bon potentiel surtout si besoins en chaud et en froid

• Nouvelles constructions

• Facteurs de succès• Bon dimensionnement

• Estimation des demandes en base et en pointe (chaud et froid)• Couplage à d’autres systèmes• Connaissance de la géologie locale• Modélisation (TRT)• Contraintes liées au milieu urbain

• Bonne mise en œuvre : chantier• Techniques éprouvées - Normes • Contraintes liées au milieu urbain• Tests de réception

Merci de votre attention

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Contact: [email protected]