Analyse de l’approvisionnement

Peut-on installer des sondes géothermiques sur la parcelle ?

Tool: GIS-Browser

Comme beaucoup d’immeubles suisses typiques des années 70, le bâtiment résidentiel de Schwamendingen fonctionne encore au mazout : une solution à l’ancienne, non renouvelable et super polluante. Brûler du mazout, c’est rejeter dans l’air une grosse quantité de CO₂ et d’autres substances nocives, et en plus ces installations ne sont vraiment pas efficaces.

Si on veut donc réussir une rénovation énergétique digne de ce nom, il faut comprendre quelles alternatives « vertes » marchent vraiment pour ce bâtiment. Première étape : analyser les conditions locales. Avec les bons outils, on peut facilement déterminer quelles sources d’énergie durable peuvent être exploitées sur place, à la Stettbachstrasse 43, 8051 Zurich.

Cette carte montre clairement qu’au site de l’immeuble résidentiel de Schwamendingen, il est possible d’installer des sondes géothermiques avec un profil de forage. Autrement dit, le forage est techniquement réalisable à cet endroit.
Source : GIS-Browser, Canton de Zurich

Grâce au GIS-Browser du Canton de Zurich, on peut clairement constater qu’à cet emplacement, l’utilisation des eaux souterraines pour la production de chaleur n’est pas possible. Cela est dû aux conditions hydrogéologiques du sous-sol.

En revanche, la carte montre une bonne aptitude pour l’installation de sondes géothermiques avec profil de forage. La profondeur maximale autorisée pour les sondes est de 234 mètres.

Sur cette base, une pompe à chaleur eau glycolée-eau est mise en place, raccordée à quatre sondes géothermiques d’une profondeur d’environ 234 mètres chacune. Ce système exploite efficacement la chaleur stockée dans le sol et constitue une alternative durable au chauffage au mazout existant.

Une pompe à chaleur eau glycolée-eau extrait l’énergie thermique du sol au moyen de sondes géothermiques ou de capteurs horizontaux. Une saumure, c’est-à-dire un mélange d’eau et de glycol, transporte cette chaleur vers la pompe à chaleur. Dans l’évaporateur, un fluide frigorigène s’évapore, puis il est comprimé dans le compresseur, ce qui élève sa température. Dans le condenseur, le fluide frigorigène cède la chaleur récupérée au système de chauffage, par exemple à un chauffage par le sol, avant que le cycle ne recommence via le détendeur.

Les sondes géothermiques présentent plusieurs avantages par rapport aux capteurs horizontaux : elles offrent un meilleur rendement, nécessitent moins de surface et exploitent des températures du sol plus constantes. Les capteurs sont certes moins coûteux, mais demandent une grande surface. Dans ce cas, les sondes géothermiques constituent la solution la plus appropriée.

Ce schéma illustre le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur eau glycolée/eau. Source : Bonin, Manuel des pompes à chaleur, Beuth, 2012.

En principe, il serait également possible d’installer une pompe à chaleur air-eau. Cependant, par rapport à cette option, la pompe à chaleur eau-glycol/eau se distingue par un rendement plus élevé, un fonctionnement plus silencieux et des performances plus stables en hiver, même si elle implique des coûts d’investissement plus importants et n’est pas autorisée partout. Étant donné que l’utilisation d’une pompe à chaleur eau-glycol/eau avec sondes géothermiques est autorisée sur notre site, cette solution a été choisie.

Pour la distribution de la chaleur, un chauffage par le sol avec une température de départ de 35 °C est utilisé au lieu de radiateurs fonctionnant à 60 °C, ce qui permet d’obtenir un coefficient de performance (COP) plus élevé.

Le soleil peut-il aussi être utilisé comme source d'énergie ?

Outil : Geo-Admin, Sonnendach/Sonnenfassade, Solarrechner EnergieSchweiz

Le sol représente certes une source d’énergie fiable, mais elle ne devrait pas rester la seule source énergétique locale. Le soleil offre également un potentiel énorme, étant illimité et renouvelable. En combinant l’énergie géothermique et l’énergie solaire, le bâtiment peut atteindre une efficacité énergétique encore plus élevée et un plus grand degré d’autosuffisance.

Grâce aux outils numériques Toit solaire et Façade solaire, accessibles via Geo-Admin et connectés au calculateur solaire d’EnergySchweiz, il est possible d’analyser avec grande précision le potentiel solaire d’un bâtiment.

Ces outils indiquent quelles zones du toit ou de la façade sont particulièrement adaptées à l’installation de systèmes photovoltaïques ou thermiques, en fonction de l’orientation, de l’inclinaison et de l’ombre portée.

Analysis of solar potential. Source: Geo-Admin, EnergySchweiz solar calculator.

Les résultats des outils d'analyse sont extrêmement positifs. Selon les calculs du calculateur solaire d'EnergySchweiz, le toit pourrait produire environ 62'660 kWh d'électricité par an. Le taux d'autoconsommation est de 29%, ce qui décrit la part d'électricité autoproduite qui est utilisée directement dans le bâtiment plutôt que d'être injectée dans le réseau public. L'utilisation d'un système de stockage par batterie permet de stocker l'électricité solaire excédentaire et de l'utiliser ultérieurement, ce qui augmente l'autoconsommation et réduit la demande d'électricité du réseau. Selon le calculateur solaire d'EnergySchweiz, l'autoconsommation peut être augmentée jusqu'à 44,4 % avec une batterie de 62,5 kWh.

La demande annuelle totale en électricité du bâtiment résidentiel collectif s'élève à 63 696 kWh. Avec le système photovoltaïque installé, cette demande peut être couverte presque entièrement pendant une grande partie de l'année, en particulier pendant les mois les plus chauds. Ce n'est que pendant les mois d'hiver - en raison des fluctuations saisonnières de l'irradiation solaire - qu'une petite partie doit encore être fournie par le réseau public.

La façade solaire présente également un potentiel prometteur : la façade sud du bâtiment est très bien adaptée à l'utilisation de l'énergie solaire, et la façade ouest peut également être utilisée. Étant donné que le toit couvre déjà la majeure partie de la demande en électricité, les modules de la façade pourraient être utilisés de manière significative pour l'énergie solaire thermique afin de répondre à la demande en chaleur du bâtiment. Ceci est particulièrement avantageux en hiver, lorsque la demande de chauffage augmente considérablement et que le soleil est plus bas dans le ciel. Pendant cette saison, les gains de chaleur solaire de la façade peuvent apporter une contribution substantielle.

Les capteurs solaires montés sur la façade atteignent un taux de couverture solaire élevé de 74,5 % pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux, ce qui souligne encore l'efficacité de cette solution.

Façade avec capteurs solaires. Photo : Kämpfen Zinke + Partner AG.

Une solution non seulement fonctionnelle mais aussi esthétiquement convaincante a été développée pour la rénovation de la façade avec des capteurs solaires. Les zones situées entre les balcons et les loggias sur les façades est, sud et ouest ont été équipées d'un total de 180 mètres carrés de capteurs solaires thermiques à partir du premier étage supérieur. En répartissant les capteurs sur les trois côtés du bâtiment, le rendement énergétique reste relativement constant tout au long de l'année, ce qui augmente considérablement l'efficacité du système.

Les collecteurs solaires sont équipés d'un verre innovant, d'un ton bronze clair et chatoyant, développé en collaboration avec l'ETH Lausanne (EPFL). Selon l'heure de la journée et les conditions météorologiques, l'effet de couleur de la surface change, donnant à l'enveloppe du bâtiment un aspect vivant et distinctif.

Les surfaces murales sans panneaux solaires ont été conçues avec des aides à l'escalade pour les plantes grimpantes. Ces façades vertes protègent les murs extérieurs d'un rayonnement solaire excessif et contribuent en même temps à l'amélioration du microclimat.

Comment l'énergie est-elle stockée ?

Pour augmenter l'autoconsommation de l'électricité solaire autoproduite, le système photovoltaïque est associé à un système de stockage par batterie. Cela permet de stocker l'énergie excédentaire et de la récupérer en cas de besoin, de sorte que le bâtiment doit tirer moins d'électricité du réseau.

L'énergie solaire est stockée dans un système de stockage de batteries.

En plus du stockage de l'électricité, la question se pose également de savoir si la chaleur générée par la pompe à chaleur eau glycolée/eau et le système solaire thermique peut être stockée efficacement. La réponse est oui, et d'une manière particulièrement innovante.

L'emplacement de l'unité de stockage thermique. Plans : Kämpfen Zinke + Partner AG

À l’intérieur du bâtiment, un avantage structurel est apparu, qui n’avait pas été prévu à l’origine : une gaine d’extraction d’air centrale, initialement destinée à ventiler le parking souterrain, a pu être réutilisée après une modification technique. Au lieu de sa fonction précédente, la gaine accueille désormais un réservoir de stockage thermique de 19 mètres de hauteur, d’un volume d’environ 19 000 litres.

Ce système de stockage thermique permet de stocker temporairement l’énergie thermique excédentaire et de la rendre disponible lors de périodes de faible irradiation solaire ou de conditions météorologiques défavorables. Ainsi, un approvisionnement continu en chaleur est assuré, même lorsque l’énergie solaire directe n’est pas disponible.

De plus, la chaleur excédentaire peut être transférée dans le sol via quatre sondes géothermiques profondes, qui servent de stockage thermique saisonnier naturel. La combinaison du stockage par batteries, du stockage thermique et des sondes géothermiques crée un système énergétique très efficace, convaincant tant sur le plan écologique que technique.

Gauche : illustration schématique de l'interaction entre le stockage solaire, les capteurs solaires et la pompe à chaleur. Source : Deutsche Bauzeitung, 2019
Droit : Installation sur site du système de stockage solaire. Photo : Kämpfen Zinke + Partner AG

Un système de ventilation mécanique est-il nécessaire ?

Après avoir optimisé les systèmes d’alimentation électrique et thermique, la question se pose de savoir s’il est également nécessaire d’améliorer le système de ventilation. En principe, il serait possible d’alimenter l’ensemble du bâtiment uniquement par ventilation naturelle ; cependant, les pertes de chaleur associées sont importantes.

Comme le montre le diagramme ci-dessous, dans l’immeuble résidentiel multifamilial de Schwamendingen, les pertes annuelles dues à la ventilation naturelle peuvent atteindre jusqu’à 4 400 kWh. Ces pertes sont particulièrement élevées en hiver, lorsque la différence de température entre l’air intérieur et l’air extérieur est importante. Cela a un impact négatif sur la consommation énergétique et le confort thermique des occupants, constituant un problème critique pendant la saison froide.

De plus, toutes les salles de bains du bâtiment sont dépourvues de fenêtres et ne peuvent donc pas être ventilées naturellement. Pour ces raisons, un système de ventilation mécanique est indispensable.

Diagramme des pertes de chaleur par ventilation naturelleg.

Pour ces raisons, un système de ventilation mécanique avec récupération de chaleur est recommandé. Un tel système est donc installé dans le bâtiment résidentiel multifamilial de Schwamendingen.

Un système de ventilation avec récupération de chaleur utilise la chaleur de l'air intérieur extrait pour préchauffer l'air frais entrant. Les deux flux d'air passent par un échangeur de chaleur sans se mélanger ; seule l'énergie thermique est transférée. De cette manière, l'air frais préchauffé pénètre dans le bâtiment tandis que l'air usagé est évacué vers l'extérieur.

Ce système réduit considérablement les pertes d'énergie de chauffage tout en assurant un climat intérieur confortable et sain. En particulier en hiver, lorsqu'il est difficile d'assurer une ventilation naturelle suffisante, la ventilation mécanique avec récupération de chaleur contribue de manière décisive à l'efficacité énergétique et à la qualité de l'air intérieur.

Chaîne du système et diagramme de section

En résumé, la rénovation de l’immeuble résidentiel multifamilial de Schwamendingen comprend plusieurs systèmes du bâtiment qui, ensemble, forment un concept énergétique intégré.

Pour répondre à la demande en électricité, des modules photovoltaïques ont été installés sur le toit. En cas de fluctuations saisonnières, l’électricité supplémentaire est prélevée sur le réseau public. Un système de stockage par batteries augmente l’autoconsommation et optimise l’utilisation de l’énergie produite sur place.

Pour le chauffage des locaux, une pompe à chaleur eau-glycol/eau remplace l’ancien système de chauffage au mazout. Ce système peut également être utilisé pour le refroidissement, si nécessaire. De plus, l’installation solaire thermique sur la façade fournit de l’énergie thermique supplémentaire, tandis qu’un grand réservoir de stockage d’eau permet de conserver temporairement l’énergie collectée et de la rendre disponible au moment voulu.

Pour la ventilation du bâtiment, en complément de la ventilation naturelle, un système de ventilation mécanique avec récupération de chaleur a été installé. Cela garantit un apport continu d’air frais tout en réduisant les pertes de chaleur.

Dans l’ensemble, le résultat est un système énergétique interconnecté et efficace, qui combine de manière optimale électricité, chauffage, refroidissement et ventilation, réduisant ainsi la consommation énergétique du bâtiment sur le long terme.

Chaîne de systèmes de l'immeuble résidentiel multifamilial de Schwamendingen, source : A/S

Schéma de principe de l'immeuble d'habitation de Schwamendingen : électricité, chauffage, ventilation, et tout le système.

Conclusion : De la source à l'espace

Le bâtiment résidentiel multifamilial de Schwamendingen démontre que la technologie du bâtiment durable est bien plus que la simple combinaison de systèmes individuels. Elle émerge de l'interaction entre les sources d'énergie, l'architecture et la technologie.

L'intégration du soleil, du sol, de l'air et des outils numériques tels que le navigateur SIG, Geo-Admin et la calculatrice solaire montre comment les données et la conception se fondent dans un système intelligent et efficace. La chaîne du système et le diagramme de section illustrent de manière claire et accessible la façon dont les flux d'énergie dans le bâtiment s'imbriquent depuis la source jusqu'à leur utilisation dans l'espace.

Ce projet nous rappelle surtout que l'architecture tournée vers l'avenir commence par la conception des systèmes eux-mêmes - dans l'équilibre entre la fonction, la forme et l'environnement. Il nous invite à considérer les bâtiments comme des acteurs vivants qui ne se contentent pas de consommer de l'énergie, mais la façonnent, la stockent et la transmettent.

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