Conseil GénéraldesCÔTES-DU-NORD

AGENCE FRANÇAISE POURLA MAÎTRISE DÉ L'ÉNERGIE

Service Solaire et Géothermie

VILLE DE LANNIONDirection des

Services Techniques

PROJET CORAIL(pompe à chaleur sol-eau)

compte rendu de la réalisation du prototypeet de la mise en service de l'installation

de l'école du Rusquet(commune de Lannion - Côtes-du-Nord)

BRGM

Conseil Généraldes C Ô T E S - D U - N O R D

AGENCE FRANÇAISE POURLA MAÎTRISE DE L'ÉNERGIE

Service Solaire et Géothermie

VILLE DE LANNIONDirection des

Services Techniques

PROJET CORAIL(pompe à chaleur sol-eau)

compte rendu de la réalisation du prototypeet de la mise en service de l'installation

de l'école du Rusquet(commune de Lannion - Côtes-du-Nord)

J.-Y. AusseurPh. Jean

J.-P. Sauty

novembre 198585 SGN 574 EAU

BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRESSERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

Département EauDépartement Géothermie

Institut Mixte de Recherches GéothermiquesB.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - Tél.: (33) 38.64.34.34

Service Géologique Régional Bretagne14. avenue Sergent-Maginot - 35100 RENNES - Tél.: 99.30.94.51

RESUME

U n prototype de type C O R A I L a été implanté à l'école du Rusquet à

Lannion (Cotes-du-Nord). C e procédé permet la récupération de calories du sous-sol

par circulation d'eau dans un forage.

Le forage atteint la profondeur de 105,80 m et recoupe des granites, des

orthogneiss granitiques et des chloritoschistes. Le forage n'est pas tube ; l'équipement

est essentiellement constitué par un tube central de faible diamètre permettant une

remontée rapide de l'eau réchauffée.

Le forage est relié à la chaufferie par des canalisations enterrées ; une

pompe à chaieùr permet la récupération des calories. Une pompe de circulation peut

assurer un débit de 4 m ^ / h . L'ensemble du système a fait l'objet d'une instrumentation

en vue d'un suivi scientifique précis ; elle comprend notamment 17 thermistances,

des compteurs horaires, électriques et volumétriques.

U n programme de suivi de fonctionnement est établi. Il devra permettre

la validation des modèles et abaques réalisés dans l'étude générale.

SOMMAIRE

Pages

I N T R O D U C T I O N 1

1 - REALISATION D U F O R A G E 2

1.1 - Présentation 21.2 - Forât ion et équipement 21.3 - Coupe géologique 31.4 - Arrivées d'eau 41.5 - Qualité de l'eau 5

2 - DESCRIPTION T E C H N I Q U E D E L'INSTALLATION 7

2.1 - Principe de l'installation - Schéma de fonctionnement 7

2.2 - Dimensionneroent de l'installation de Lannion 7

3 - INSTRUMENTATION 9

3.1 - Description et implantation des sondes thermiques 9

3.2 - Tableau de connexion - Centrale de mesure 15

4 - PROGRAMME DE SUIVI DE FONCTIONNEMENT 15

5 - PROFILS DE TEMPERATURE LORS DE LA MISE EN SERVICE 16

CONCLUSION 18

INTRODUCTION

Un prototype du procédé C O R A I L a été réalisé et mis en service sur le

site de l'école du Rusquet de la c o m m u n e de Lannion (Côtes-du-Nord).

Le procédé C O R A I L consiste en une pompe à chaleur sol-eau, dont

l'échangeur avec le sol est constitué par un forage équipé d'un tubage central, siège

d'un écoulement d'eau en circuit fermé avec descente par l'annulaire, remontée par le

tube central et bouclage sur l'évaporateur de la pompe à chaleur.

L'implantation du prototype s'est déroulé en 3 phases :

1 - Etude générale du procédé (modélisation thermique, étude économique

etc.)

2 - Etude de faisabilité du prototype

3 - Réalisation du prototype.

Les deux premières phases réalisées par le B R G M ont fait chacune l'objet

d'un rapport en 1983 (Projet C O R A I L , étude générale et étude de faisabilité). La

troisième phase concerne l'exécution du forage et son équipement, l'installation de la

pompe à chaleur, les différents raccordements électriques et hydrauliques et

l'instrumentation du prototype.

Cette troisième phase, dont nous présentons ici les résultats, a abouti à la

mise en service de l'installation le 23 octobre 1985.

Le financement de cette opération C O R A I L a été asuré par l'Agence

Française pour la Maîtrise de l'Energie, la Municipalité de Lannion et le Conseil

Général des Côtes-du-Nord. Les différentes tâches ont été réparties de la façon

suivante.

- Maîtrise d'Ouvrage du Projet, achat et installation du matériel : ville de

Lannion.

- Contrôle de la réalisation du forage et de son équipement : B R G M

(Service géologique régional de Bretagne) et ville de Lannion.

- Implantation et choix du type de l'instrumentation, programme de suivi

de fonctionnement : B R G M (Service géologique national, Département

Eau) avec le concours du Centre informatique de l'Ecole Nationale

Supérieure des Mines de Paris.

- 2 -

1 - REALISATION DU FORAGE

1.1 - PRESENTATION

Ce forage a été exécuté du 4 au 15 février 1985 par l'entreprise

Forafrance de Loudéac (22), par la technique du marteau-fond-de-trou. Il a été

implanté sur le parking situé devant l'école, à 5 m du sondage de reconnaissance F2

réalisé le 7 juin 1983 et a atteint la profondeur de 105,80 m . Il est équipé d'un tube

acier sur 7,20 m dont l'espace annulaire est cimenté ; l'autre partie est à paroi nue.

1.2 - F O R A T I O N E T E Q U I P E M E N T

Les 12 premiers mètres destinés à recevoir la cimentation ont été réalisés

en deux parties.

D e 0 à 3,65 m : foration en Ç> 300 m m , avec mise en place d'un tubage

acier de 0 316 m m et 3,20 m de longueur pour garder une bonne verticalité de

l'ouvrage et étayer les granites très boulants qui ne permettaient pas de poursuivre la

foration dans ce diamètre. A l'intérieur de celui-ci, un tubage de 0260-267 m m a été

mis en place pour permettre la foration en (J> 250 m m jusqu'à 12,65 m . Ce dernier n'a

pu être descendu qu'à 3,80 m sous le sol pour les m ê m e s causes que le précédent, n a

été retiré après que la formation ait atteint la cote - 12,65 dans le granite dur.

U n tube acier de 7,20 m de longueur, 0 208-220 m m , a été descendu et

encré dans le granite dur pour permettre la cimentation de l'annulaire. 400 kg de

ciment injectés en pression ont été nécessaires.

La foration s'est poursuivie en 0 200 m jusqu'à 57,80 m où pour des raisons

techniques et de dureté des terrains nous avons été contraints de télescoper en

#180 m m pour atteindre la profondeur souhaitée.

Pour respecter la surface d'échange l'ouvrage a été foncé à 105,80 m dont

les 5 derniers m dans les chloritoschistes altérés.

En fin de foration, un nettoyage à l'air comprimé pendant 40' a été

nécessaire pour obtenir une eau claire. La nature des terrains traversés est indiquée

dans la coupe ci-après.

- 3 -

1.3 - COUPE GEOLOGIQUE

Profondeurm

0 à 3,65

3,65 à 13,00

13,00 à 16,00

16,00 à 29,00

29,00 à 102

102 à 106

Nature des terrains traversés

Granite jaunâtre à beige en blocs, très riche enquartz et fracturé

Granite riche en quartz, fracturé, soit en blocs ou enéléments de 0,1 à 2 c m , avec argile jaune dans les fissures

Granite riche en quartz et argile

Granite riche en quartz avec passage de chloritoschisteentre 27,50 m et 27,80 m

Alternances de niveaux de micro-granite à feldspathspotassiques et plagioclases acides. Biotite verte et grandesplages de chlorite verte et épidiorite nettementmétamorphisée, orthogneiss granitiques à structuresgrenues à prismes de feldspaths et quartz intergranulairesautomorphes, biotite entièrement recristal-lisée, riche en èpidote (granite du Trégor à textureproche d'un microgranite)

Schistes noirs et chloritoschistes tendres en blocs émousses

Temps de f orationpour 3 m(en m n )

Non mesurable

26 à 32

19

11 à 21

12 à 23

5

- 4 -

1.4 - ARRIVEES D'EAU

Profondeurm

1010,50222831343743464649525558616467707376828588919497100105,80105,80

Q instantané en f orationm 3 / h

Humidité1ère arrivée d'eau

1,51,83,3 (?)1,872,52,272,42,7 à la reprise2,5 après 5'

2,5 de soufflage2,882,883,924,84,84,84,84,324,95,45,836,176,646,647,858,59,6 après 40'

de soufflage

Niveau de la nappe sous le sol

le 13/02 à 8h30 : 4,70 mle 14/02 à 15h00 : 5,80 mle 15/02 à 9h00 : 6,00 m

Tableau 1 - Débits instantanés en f oration

- 5 -

1.5 - QUALITE DE L'EAU

Profondeur

345891

105,80

/ c m à 20°

1910197518931700

PH

7,557,907,5

7,15

Fermg/1

0,20,050,40,3

Dureté° français

9101013,5

Tableau 2 - Qualité de l'eau du forage

La minéralisation de l'eau est relativement importante, à p H basique,

contenant peu de fer.

- 6 -

lOOm

mrégulotion

sonde detempe'roture

Rodioteursonde deport

C choudi

Éere

Pompe o choleur

de remontée du fluide rechauffé

x 50 m m

te du fluide-échange de coloriesXovéc les porois du forage/y

Figure 1 - Schéma de l'installation

- 7-

2 - DESCRIPTION TECHNIQUE DE L'INSTALLATION

2.1 - PRINCIPE DE L'INSTALLATION - SCHEMA DE FONCTIONNEMENT

Le dispositif C O R A I L est une pompe à chaleur sol-eau permettant

d'extraire la chaleur naturelle du sol par circulation d'eau en boucle fermée. Il y a

connection d'un échangeur-forage avec l'échangeur de la pompe à chaleur. U n tube

central de faible diamètre équipe le forage vertical qui constitue l'échangeur. L'eau

monte par le tube central disposé dans le forage, après son passage dans la pompe à

chaleur auquelle elle cède des calories, elle retourne dans le forage par l'espace

annulaire et s'élève en température au contact du sol. C e principe de fonctionnement

est illustré par la figure 1.

Le circuit eau chaude de la pompe à chaleur dessert les différents

radiateurs. U n système de régulation assure la gestion du circuit hydraulique et

permet l'éventuelle mise en route d'une chaudière classique type fioul. La régulation

prend en compte la température ambiante et les horaires de chauffage sont

programmables (système Centratherm modèle Z G G 2 ) .

2.2 - D I M E N S I O N N E M E N T D E L'INSTALLATION D E L A N N I O N

Le dimensionnement de l'installation a été défini lors de l'étude de

faisabilité, nous renvoyons à ce rapport pour les explications sur la conception du

système. Rappelons que le forage a une profondeur de 105,8 m , il est éloigné de 22 m

de la chaufferie, les canalisations reliant ces deux points sont enterrées dans une

tranchée de 60 c m de profondeur.

Le circuit hydraulique est équipé de différents compteurs, vannes et

poches à bulbe pour l'installation de capteurs de température c o m m e le montre la

figure 2.

Les raccordements à la pompe à chaleur sont constitués de flexibles. Des

vannes de purge et d'alimentation permettent une éventuelle intervention sur le

circuit. La circulation du fluide est établie par une pompe pouvant assurer un débit de

4 m 3 / h .

vanne barrage de 0 4 0

, flexible raccordement.

tube PVC 0 26,8 x 32

vanne de purge de 0 32

Te réduct.0 4 0 - 4 0 - 3 2

tube PVC 0 33 ,6x40

compteur volumétrique

poche à bulbe pour compteur de calories

poche ö bulbe pour thermistance

R A N C H E E

vanne d'isolement tétedepuits

•clapet A . R .

", /

i

00

i

F O R A G E

Plgtire 2 - Schéma d'installation (document : Services techniques tnuncipaux de Lannlon)

- 9 -

3 - INSTRUMENTATION

3.1 - DESCRIPTION ET IMPLANTATION DES SONDES THERMIQUES

- Conditionnement des sondes

Les thermistances utilisées sont de marque YSI modèle 44034 (de type 5 K ß

à 25°C). Ces thermistances sont conditionnées dans une sonde thermique métallique

c o m m e le montre la figure 3. La sonde est construite autours de la thermistance pour

assurer l'étanchéité de la connexion avec le cable de liaison et la protéger du milieu

environnant.

- Etalonnage

Après câblage des 17 sondes de températures, celles-ci ont été

étalonnées. Pour cela les sondes sont regroupées en faisceau et associées à un capteur

de température Tastotherm D 700. L'ensemble est immergé dans un bac dont la

température est contrôlée par une résistance électrique. L'eau est agitée entre deux

lectures. Pour différentes températures la résistance de l'ensemble "sonde + cable"

est mesurée par un Metrix (précision ±10 ß). L'étalonnage a permis le contrôle de la

bonne correspondance des courbes T-p avec les abaques du constructeur (fig. 4).

- Position des sondes

Les 17 sondes de températures prévues ont été implantées en différents

points du système (fig. 5) et tableau 3.

- 1 0 -

câble de Liaison

presse ètoupe

14 m

Laiton

résine de remplissageet d'étanchéité

presse étoupe

acier inox

thermistance

"compound thermique"

Figure 3 - Schéma d'une sonde thermique-type (BRGM)

Figure 4 - Abaque - Courbe résistance-température - Thermistances YSI-44034

de reconnoissonce

Figure 5 - Schéma d'installation des thermistances

- 1 3 -

Repère

S 1

S 2

S 3S 4

S 5

S 6S 7

S 8S 9S 10S 11S 12S 13

S 14S 15

S 16S 17

Nature duconditionnement

Standard

Standard

StandardStandard

Standard

LestéLesté

LestéLestéLestéLestéLestéLesté

Doigt de gantDoigt de gant

Doigt de gantDoigt de gant

Longueurde câble

10 m

15 m

30 m30 m

30 m

70 m85 m

65 m80 m95 m

110 m125 m140 m

50 m50 m

5 m5 m

Observations

Mesure de la température de l'air

Température non perturbée du sol à0,7 m de profondeur

Mesure de la température de contactde l'aller et du retour au milieu

de la tranchée

Position entre S 3 et S 4

Implantées dans le trou de recon-naissance à quelques mètres du dis-

positif (a la m ê m e profondeurque les sondes S 8 et S 9

Mesure de la température dans lepuits à différentes profondeurs

Température de l'eau à l'aller etau retour en tête de puits

Température de l'eau à l'aller etau retour en sortie P A C

Longueur totale de câble : 995 m

Tableau 3 - Conditionnement et implantation des thermistances

-14-

OPERATION CORAIL : ECOLE DU RUSQUETVille de LANNION : Direction des Services Techniques

DATE, HEURE J LPAC en fonctionnementChaudière en fonctionnement

j lu—ma- m e - je—ve—sa—diOUI D NON DOUI D NON D

HJCompteur électrique

Compteur horaire POMPE [

Compteur calories |

Kwh ; HN

J ; brûleur

Mirh ; Vol

Compteur volumetrique

Compteur fuel

m.3

L

RELEVE DES RESISTANCES (en ohms)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

m.3

11

12

13

14

15

16

17

Observations : Rédacteur :

BRGM - SGN/EAU - BP6009 ORLEANS CEDEX

Figure 6 - Bordereau de saisie de données

- 15 -

3.2 - TABLEAU DE CONNEXION - CENTRALE DE MESURE

Ce tableau comporte :

- un système de commutation de type C L 1 A pour interroger les 17 sondes

thermiques,

- un indicateur de 20 000 points, permettant de mesurer une résistance

comprise entre 0 et 20 000 fi (AOIP-MN5120),

- un compteur de calorie Flonic-Schlumberger : modèle C F 22, associé à

un compteur de débit de type T G 40 pour connaître les quantités de

chaleur prélevées sur le sous-sol,

- un compteur électrique pour relever les consommations de la P A C et

des auxiliaires,

- deux compteurs horaires pour noter le nombre d'heures de marche de la

P A C et de la chaudière,

- un compteur volumétrique indiquant la consommation fioul de la

chaudière.

4 - PROGRAMME DE SUIVI DU FONCTIONNEMENT

La dernière phase de l'opération C O R A I L de Lannion correspond à

l'interprétation des mesures qui permettront de valider les modèles et abaques. Ceux-

ci seront ensuite exploités pour le dimensionnement de nouveaux projets et serviront

à la diffusion du procédé.

U n protocole de mesures et un bordereau de relevés ont été transmis aux

services techniques municipaux de Lannion qui assureront les relevés.

Les relevés effectués à partir d'un bordereau (fig. 6) seront organisés de

la façon suivante :

- au minimum, un relevé complet par semaine (si possible le m ê m e jour)

Des relevés ponctuels lors de visites occasionnelles :

- un relevé complet ou

- un relevé partiel : seules les cases surlignées sont alors remplies.

L'ensemble des relevés sera envoyé tous les trois mois au B R G M .

- 16 -

5 - PROFILS DE TEMPERATURE LORS DE LA MISE EN SERVICE

Cinq profils de température ont été réalisés lors de la mise en service.

Les différents compteurs ont été relevés à chaque profil. Les résistances sont

converties en température ; l'ensemble de ces données est reporté dans le tableau 4 .

La figure 7 présente les profils 1 et 4 . Les sondes sont positionnées dans

l'ordre du circuit de l'eau dans l'installation, les distances réelles étant respectées.

Sans passer à la phase d'interprétation des résultats, on observe la cohérence des

mesures enregistrées.

N°duprofil

Heure demesure

Fonctionnementde la P A C

123456789

1011121314151617

Compteurhoraire

Compteurvolumique

Compteurélectrique

1Etat zéro

t = 0

Ilhl5

Non

7,4114,4513,9613,9114,1712,2412,2212,2312,0112,1112,1612,1012,3710,0010,5810,4310,76

0,31

0,708

0

2

t = 35'

U h 5 0

Oui

11,3514,4313,2211,7414,1412,2512,2811,2411,5511,8111,9912,1312,259,36

11,999,77

12,23

3

t = Ih25'

12h40

Oui

12,9214,4312,5010,9114,0212,2512,309,91

10,1210.6310,8711,0911,288,32

10,668,97

11,17

1,72

6,36

5

4

t = 3h5'

14h20

Non

18,5614,4111,7610,1013,6412,2412,248,488,909,159,499,759,967,789,708,67

10,51

3,19

12,38

11

5

t = 4 h

15hl5

Oui

20,6814,4011,7310,2113,4312,2412,238,638,988,979,329,569,717,669,868,77

10,63

3,80

14,80

14

Tableau 4 - Débit mesuré sur 5 m n 4.05 m ^ / h - Profil de températures lors

de la mise en service de l'installation le 23/10/85

- 17-

225

6 7 forogts dt raconnoissonc*

foroge remontée

T = To + 35 '

mesure d u 2 3 / 1 0 / 8 5 ö II h 5 0 '

6 7

15

. . CD

T = To +2h 53 '

mesure du 23/I0/85Ô l4h20'

is« 17S

Figure 7 - Profils de température

- 18-

CONCLUSION

La troisième phase du Projet C O R A I L sur le site de l'école du Rusquet à

Lannion s'est déroulée en parfaite conformité avec le programme des travaux. Cette

phase comprenait la réalisation du prototype et son instrumentation.

Le forage a atteint la profondeur de 105,80 m , il est équipé d'un tube

acier sur les 7 premiers mètres, l'autre partie étant à paroi nue. Les raccordements à

une p o m p e à chaleur T B B 35-CIAT ont nécessité 22 m de tranchée.

L'instrumentation mise en place comprend :

- 1 compteur électrique de consommation sur la P A C et la pompe de

circulation,

- 2 compteurs électriques horaires ( P A C , chaudière),

- 1 compteur de calories pour mesurer l'énergie extraite du sous-sol,

- 1 compteur volumétrique d'eau sur le circuit d'eau P A C - forage,

- 17 thermistances réparties sur l'ensemble de l'installation pour suivre

l'évolution des températures dans le sol et aux bornes de l'évaporateur

de la P A C .

Un suivi sur un cycle annuel d'exploitation constitue la suite logique à la

mise en place du prototype.

Ce suivi expérimental (relevés heddomadaires de l'ensemble des

compteurs) permettra la validation des études théoriques et servira de base à la

diffusion du procédé.

réalisationservice

reprographiedu B R G M

85 SGN 574 EAU