CHANTIERLe Dôme de Vincennes :générateur thermodynamiqueet modulation d’air neufpour une piscine HQE

Cette piscine construite en partenariatpublic-privé bénéficie d’un traitement deseaux et de l’air ambiant particulièrementélaboré. L’exploitant technique analyse enpermanence les résultats de fonctionne-ment pour améliorer les rendements éner-gétiques et le confort des usagers.

L’informatique pour l’ingénierie du bâtiment vit-elle un tour-

nant ? En observant l’évolution de l’offre de produits et en

écoutant les spécialistes de la maquette numérique réunis

mi-juin à l’occasion de leur BIM’s day annuel, on peut l’af-

firmer. Mais les solutions les plus pointues paraissent encore

surdimensionnées pour la plupart des chantiers.

ChauffageVentilationRafraîchissementRéfrigérationÉnergiesrenouvelablesRégulationSanitairePlomberiele mensuel du concepteur et de l’entreprise

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Chaud Froid Performancewww.edipa.frJuillet-Août 2013

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TECHNIQUETransfert d’énergie :exploiter un bâtiment existantsur un ouvrage neufIntervenant comme référent HQE sur laconstruction de deux bâtiments d’ensei-gnement en Alsace, l’auteur décrit commentprès de 9 000 m2 de locaux sont chaufféset rafraîchis en exploitant les pertes de lachaufferie existante et le gisement de froidde l’eau du sous-sol. Des solutions à trèsfaibles impacts environnementaux.

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Informatique

Quand la maquette numériquebouleverse les métiers NI CHAUD NI FROID

La rénovationde l’habitat, uneaction dans lesens de l’histoireAvec Bruno Lechevin,président de l’Ademe

voir page 15

Le Dôme de Vincennes

Titulaire du contrat d’exploitation pourune durée de 25 ans dans le cadred’un partenariat public-privé, l’entre-prise Cofely tient à montrer la perti-nence des technologies mises en

œuvre au Dôme de Vincennes (Val-de-Marne). Cette piscine municipale HQE li-vrée en septembre 2011, construite dansle cadre d’un partenariat public-privé, sedistingue par sa forme ovoïde au cœur dece nouveau quartier résidentiel construit aubord des voies du RER. Dotée d’un bassinde 25 m à 6 couloirs, d’un bassin ludiqueet d’une pataugeoire, tous dans le mêmealignement, elle est éclairée naturellementpar une orientation au sud et dispose d'unhall d'une très grande hauteur sous pla-fond.L’ouvrage confié au cabinet d’architectureBoudry avait été réparti en deux lots : lapartie gros œuvre à Urbaine de Travaux ;les équipements techniques à Cofely, filialede GDF Suez.Située en centre-ville, dans un quartieroù réside une population jeune, cette pis-cine est dimensionnée pour recevoirjusqu’à 240 000 sportifs. Outre le grandpublic, elle accueille près de 50 groupesscolaires, des groupes de plongée, desactivités d'aqua-fitness... La premièreannée s’est soldée par 173 000 entrées.Le chiffre des 200 000 entrées devraitêtre atteint cette deuxième année.Sur la base des premiers mois d’exploita-

tion, Cofely est en mesure de donner desdétails sur les niveaux de consommationde cet équipement : la facture énergétiqueporte sur 800 000 kWh d’électricité et600 000 kWh de gaz ; la consommationd’eau est de l’ordre de 24-25 000 m3. Si laconsommation de gaz est inférieure de20 % aux objectifs fixés avec la Ville deVincennes, en revanche, celle d’électricitéest de 30 à 40 % supérieure à ce qui étaitescompté. De même, la consommationd’eau enregistre une dérive de 13 %. Desdonnées brutes que l'exploitant veut ana-lyser. Il semble cependant que le choix parle constructeur d'une isolation intérieureinadaptée à une ambiance humide et auxnombreux ponts thermiques expliqueraiten partie ces écarts. Le travail sur cespoints se poursuit. Pour maîtriser lesconsommations de ce type d’établisse-ment, deux équipements font l’objet d’unsoin particulier de préconisation et d’ins-tallation, ainsi que d’un suivi de fonction-nement particulièrement pointu :● le traitement de l’air et de la déshumi-dification ;● le traitement de l’eau.

Un gain de 40 % pour le chauffageet la déshumidification

Pour Arnaud Volpilière, président de la so-

ciété EcoEnergie et fournisseur de l’équi-pement de chauffage, ventilation et dés-humidification du Dôme, «les besoinsd’énergie pour le chauffage de l’eau desbassins, des locaux et de la productiond’eau chaude sanitaire s’élèvent enmoyenne en France à environ 40 % de lafacture d’énergie. Le chauffage des hallsde bassins et le renouvellement d’air lié àla déshumidification emportent la plusgrosse part des dépenses, avec 60 % des

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Le Dôme de Vincennes présente trois bassins en enfilade : bassin de 25 m, patau-geoire et bassin ludique. Cette construction HQE bénéficie en particulier d’un éclai-rage naturel qui réduit les consommations d’électricité pour l’éclairage intérieur.

Générateur thermo dmodulation d’air neuf p

Cette piscine construite en partenariat public-privémet l’accent sur un traitement de l’air ambiant etun traitement des eaux particulièrement élaboré.L’exploitant technique analyse en permanence lesrésultats de fonctionnement pour améliorer les ren-dements énergétiques et le confort des usagers.

Deux chaudières gaz à condensation et à brû-leur modulant Atlantic Guillot de 980 kW produi-sent la chaleur pour la mise en température desbassins et l’alimentation de la pompe à chaleurà cycle à absorption.

coûts énergétiques. Mon message estdonc clair : lors de la conception, si l’onveut faire des économies d’énergie, c’estd’abord sur ce deuxième poste qu’il fauttravailler.»Alors que les équipements récents adop-tent quasi unanimement un traitementd’air avec modulation d’air neuf, l’instal-lation du Dôme de Vincennes associe àcette solution de récupération d’énergieune section thermodynamique. Son inté-rêt : le gain énergétique est amélioré et leconfort peut être maîtrisé en perma-nence. Explications.

Une évaporation de 114 kg/hà 373 kg/h

Les concepteurs de piscine distinguentplusieurs régimes d’évaporation desplans d’eau. En premier lieu, l’évapora-tion des plans d’eau dits tranquilles, aurepos. Constante, elle dépend de la tem-pérature des bassins, de l’hygrométrie de

l’air et de la surface des plansd’eau. La connaissance de ce«talon» d’évaporation est im-portante car elle permet dedimensionner le régime mini-mal du système de traitementd’air. Sur cette piscine, il a étéévalué à 114 kg/h.À ce régime de base, il fautajouter l’évaporation produitelors de l’exploitation. À sa-voir :● l’évaporation du plan d’eauagité liée à la fréquentation :le système de traitement d’airdevra être dimensionné pourtraiter ces pics et éviter condensation ouproblèmes de qualité d’air ;● l’évaporation liée aux jeux d’eau quigénèrent une surévaporation ;● enfin, l’évaporation liée au taux debrassage de l'air et de la couverture desdéperditions statiques du bâtiment enhiver.Tous ces cas de figure font monter cetteévaporation au maximum à 373 kg/h. Lesystème de traitement d’air est dimen-sionné pour couvrir ce niveau maximalde déshumidification.

Double flux thermodynamiqueà 48 000 m3/h

Sur la base d’un taux de brassage de l’airdu hall des bassins de 3,5 à 4 vol/h, lebâtiment du hall est équipé d’une cen-trale de traitement d’air d’une capacitéde 48 000 m3/h. Le flux repris chaud ethumide est orienté vers deux sections :● La première est la section dite thermo-dynamique. D'une capacité de 8 700 m3/h,cette centrale de traitement d'air est équi-pée d'une série de batteries à eau glacéed'une puissance maximale de 70 kW sou-mises à une loi d’eau de 7 °C/12,5 °C. Sa-chant que 1 kW de froid permet de traiterenviron 1 kg d'eau contenu dans l'air deshalls, ce premier étage couvre ainsi à luiseul 60 à 70 % du besoin de déshumidi-fication.Cette section est dite thermodynamiqueparce que le froid produit pour son fonc-tionnement est généré par une pompe à

chaleur à absorption, une machine Ya-zaki de 70 kW froid. Le choix de ce typede générateur repose aussi sur la logiqued'équipement des locaux techniques.Pour fonctionner correctement, un telgroupe à absorption à bain de bromurede lithium doit recevoir, à l'entrée de son«bouilleur», un flux d'une température de70 à 95 °C. Ici, la température d’entrée aété fixée à 88 °C.Cette énergie est fournie par deux chau-dières gaz à condensation Guillot de980 kW chacune, dimensionnées pourassurer en deux jours – délai réglemen-taire – la remontée en température del'eau des bassins lors des renouvelle-ments annuels. Pour que ces chaudièrespuissent condenser dans les meilleuresconditions, l'eau en sortie de la pompe àchaleur à absorption, d'une températurede 83 °C, est exploitée pour plusieurs au-tres usages. En particulier sur les batte-ries d'eau chaude de la seconde centralede traitement d'air, pour produire de l'eauchaude sanitaire et pour alimenter leséchangeurs sur système de réchauffagedes bassins.En fonctionnement permanent, la ma-chine thermodynamique rejette aussi uneeau à 35 °C pour une puissance de170 kW : ce gisement de calories est uti-lisé pour préchauffer l'eau chaude sani-taire.L'exploitation thermodynamique de lamachine Yazaki se poursuit dans la cen-trale de traitement d'air de déshumidifi-cation. Description du process.

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o dynamique etf pour une piscine HQE

La pompe à chaleur Yazaki de 70 kW froid. Sonbouilleur reçoit une eau à 88 °C et produit paréchange thermique une eau glacée à 7 °C et uneeau chaude de rejet de 35 °C. Ces deux flux sontexploités dans les centrales de traitement d’air dedéshumidification et chauffage du hall des bassins.

L’eau chaude en sortie du bouilleur de la Pac à absorption ali-mente les trois échangeurs de réchauffage de l’eau des bassins.

CHANTIER L e D ô m e d e V i n c e n n e s

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Chauffage et déshumidification,par modulation du débit d’air neuf

Air neuf0 à 39 300 m3/h

Air soufflé total 48 000 m3/h

Air rejeté0 à 39 300 m3/h

Air repris total48 000 m3/h

Air soufflé déshumidification8 700 m3/h

Eau chauffage90/70 °C

Eau glacée7/12,5 °C

Eau rejétion/ récupération31/35 °C

Centrale de traitement d’air pour la déshumidificationpar modulation d’air neuf des bassins agités avec préchauffage

et réchauffage, rafraîchissement par free-cooling débit 39 300 m3/h

Centrale de traitement d’air pourla déshumidification thermodynamique

des bassins calmes débit 8 700 m3/h

Déshumidification Transfert

CTA 01

DN 100

DN 80

DN 50

Chauffage et déshumidificationthermodynamique

CTA 02

Air repris déshumidification8 700 m3/h

En entrée de cette CTA, l'air repris dansle hall des bassins de natation est d'unetempérature d’environ 27 °C et d'une hu-midité de 15 g/kg. Il traverse une unitédite DU-Tr, pour «déshumidification-transfert», composée successivement debatteries froides et de batteries de pré-chauffage à flux à contre-courant.La déshumidification est assurée par unebatterie d'une puissance de 100 kW ali-mentée en eau glacée à 7 °C. Elle portel'air à 9 °C et abat l'humidité à 7,4 g/kg,soit l'élimination de près de 70 l/h, ainsique du chlore contenu dans l'air.L'eau glacée sort de cette étape de trai-tement à environ 21 °C. Avant de la ren-voyer à l'évaporateur de la machine àabsorption, ce flux est à nouveau ex-ploité dans la batterie de transfert situéen aval de celle de déshumidification.D'une puissance de 30 kW, elle remontela température de l'air à 20 °C sans mo-difier son taux d'humidité.En sortie de batterie de transfert, la tem-pérature de l'eau a été abattue à environ16 °C. Pour éviter de dégrader le rende-

ment de la machine à absorption, cettetempérature est descendue à 12,5 °C àl’aide d’un bypass placé sur le départ à7 °C.● La seconde section de traitement d'airrepose sur une technologie classique demodulation entre le volume restant d'airrepris – au maximum, 39 300 m3/h – etd'air neuf. Cette CTA de déshumidificationest dotée de deux types de batterieschaudes pour assurer le réchauffage finalde l'air à environ 40 °C : la première ali-mentée en eau de rejet de la pompe àchaleur (régime de 35 °C au départ, 31 °Cau retour), la seconde avec de l'eau issuedes chaudières à condensation (régimede 90 °C au départ, 70 °C au retour).

Moduler températureet débit d'air

Pour suivre en permanence les variationsd'ambiance dans le hall des bassins enfonction des conditions extérieures et dela fréquentation de la piscine, le gestion-naire de l'équipement dispose d'une pa-

lette de moyens pour maîtriser les pointsde consigne de confort.En premier lieu, les chaudières choisiespossèdent des brûleurs capables de mo-duler de 8 à 100 %. Exploitées en tan-dem, elles poussent leurs capacitésjusqu’au taux de modulation théoriquede 4 à 100 %, mais en temps normal,seule une chaudière est utilisée pour ali-menter la machine à absorption Yazaki.En deuxième lieu, les batteries à eaufroide et à eau chaude des centrales detraitement d’air sont toutes munies devannes trois voies qui permettent de mo-duler les températures d’eau en entrée.Enfin, si sur la CTA thermodynamique legroupe motoventilateur travaille en per-manence à débit constant, en revanche,sur la centrale de traitement d'air à mo-dulation d'air repris et d'air neuf, lesgroupes sont équipés d'un module devariation de vitesse. Cette électroniquede pilotage des moteurs offre une grandesouplesse de fonctionnement. En fonc-tionnement normal, le régime est d’envi-ron 70 % du débit total nominal. La

Les centrales de traitement d’air dédiées à la déshumidification de l’air du hall des bassins. La plus petite (à gauche), de 8 700 m3/h, assure plus de la moitiéde la déshumidification en condition de bassins dits tranquilles. Ses deux groupes de batteries froides – déshumidification et transfert – permettent de pré-chauffer l’air avant passage dans une CTA plus classique (à gauche) à modulation d’air neuf. Sur le côté, on voit les boîtiers électroniques de variation devitesse des motoventilateurs en amont et en aval des batteries chaudes.

Une partie de l’air repris est prioritairement déshumidifiée par des batteries froides ; l’autre partie est traitée et réchauffée par des batteries chaudes sousdeux différentes lois d’eau. L’air est mélangé dans la gaine de soufflage.

Déshumidification et chauffage : une partie thermodynamique, l’autre à modulation d’air neuf

régulation par automate et par les ac-tions de l’exploitant permettent de mo-duler les débits pour tenir en perma-nence les objectifs d’humidité de l’air etde température d’ambiance.Quel est l’intérêt d’une telle associationde chaudières, pompe à chaleur et cen-trale de traitement d’air ? Pour ArnaudVolpilière, le rajout d’un étage thermody-namique à une production de chaleur parchaudière à condensation permet d’op-timiser la performance globale des géné-rateurs. Au rendement de la chaudièregaz, le bureau d’études Garnier ajoute lecoefficient de performance de la Pac, es-timé à 1,35. Le gain global par rapport àune récupération d’énergie par simplemodulation d’air neuf avec de l’air extraitest d’environ 15 %. À noter que les calo-ries rejetées par la pompe à chaleur suf-fisent parfois à maintenir la températurede l’eau des bassins et de l’air, ce pardes températures extérieures jusqu’à5 °C. Le retour sur investissement d’unetelle installation est ici estimé à 3-4 ans ;la durée de vie de la Pac à absorptionest, elle, donnée pour 20 ans. Seule obli-gation : effectuer un tirage au vide de lapompe à chaleur toutes les 2 000 à2 500 heures : un défaut de pression devide entraînerait une cristallisation de lasaumure qui rendrait cette machine inex-ploitable et irréparable. Au vu du prix dela Pac Yazaki, l’exploitant sait qu’il doitimpérativement programmer cette opé-ration.

Traitement d’eau parpréozonation

Si le système de traitement d’air a aussipour avantage de traiter massivement lespolluants dérivés du chlore émis par lesplans d’eau, le système de traitementd’eau fait appel à un équipement qui as-socie une préozonation et une finition del’eau des bassins au chlore. La charge endésinfectant chloré, réputé agressif etcancérigène, est ainsi très fortement ré-duite.Chaque bassin – bassin de natation de25 m, bassin d’apprentissage et de loi-sirs et pataugeoire – possède son instal-lation propre de traitement d’eau. Etchacun d’eux reprend le même concept.En sortie des bacs tampon de récupéra-tion des débordements, l’eau est mise encirculation par des pompes à vitesse va-riable calées sur le débit réglementaire.Le flux est d’abord mis en contact avecde l’air ozoné. La production d’ozone estsuivie par des capteurs d’oxydant placésà la fois au niveau du générateur et dansle local technique. Ainsi :● La régulation de l’ozone repose sur unemesure du chlore combiné et non sur lechlore libre. Ce pour éviter de «surozo-ner» l’eau et de perturber le traitementfinal au chlore. L’exercice de gestiontechnique consiste à équilibrer les oxy-dants et respecter l’action de chacund’eux. Par ailleurs, le local technique pré-sente en plusieurs points des capteursd’ozone destinés à protéger les opéra-teurs – et les baigneurs – des éventuellesfuites.● L’eau est ensuite soumise à un traite-ment chloré dans une unité sous pres-sion Cilit. L’intérêt de cette désinfectionen aval de l’ozonation est de réduire depratiquement 50 % l’injection de chloredans l’eau des bassins.Pour chaque bassin, une chambre d’ana-lyse mesure en permanence la tempéra-

Superficie couverte totale : 4 366 m2 ;Bassin sportif : 375 m2 ;Bassin d’apprentissage : 250 m2 ;Pataugeoire : 62 m2 ;Spa : 6 m2 ;Volume du hall : 12 464 m3 ;Taux de brassage aéraulique : 3,85.

Le site en chiffres

Maîtrise d'ouvrage : Ville de Vincennes ;Maîtrise d’œuvre : Atelierd’architecture Boudry ;Travaux : Somifa IFD et Urbainede travaux (groupe Fayat) ;Bureau d’études thermique :BET Garnier ;Installations thermiques :Cofely avec EcoEnergie ;Exploitation : Cofely ;Gestion et managementde l’équipement (affermagepour 6 ans) : Espace Récréa.

Les acteurs du chantier

Le local technique dédié à l’alimentation des bassins de la piscine. Toutes lespompes sont gérées par une électronique de pilotage à vitesse variable.

Le module de production d’ozone et les tours de contact avec les eaux dugrand bassin.

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ture, le pH, le chlore libre, le chlore actifet le chlore total. Cofely souligne que cematériel est sensible à la floculation etaux matières en suspension. En outre,les huiles solaires couvrent les capteurset peuvent mettre l’analyseur en défaut– les décalages de mesures peuvent êtred’une heure et demie. Le suivi métrolo-gique impose une surveillance d’étalon-nage mensuelle sur l’ensemble dessondes.L’installateur et désormais exploitantconfirme que la mise au point complètede la régulation du traitement d’eau de-mande concrètement six mois : un moispour le calage des paramètres fixés parles constructeurs d’équipements, et cinqmois pour fixer les paramètres de traite-ment à l’ozone en fonction de la qualitédes eaux. Des évolutions seront par ail-leurs prochainement apportées au sys-tème de traitement : l’actuelle injectiond’eau de javel va être remplacée par uneproduction par électro-chloration. Latechnique maîtrisée depuis déjà plusieursannées en industrie, aujourd’hui autoriséeen piscines, devrait permettre de maîtriserencore plus finement l’injection de désin-fectant et de réduire la gêne des bai-gneurs et des personnels d’animation.