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Nouvelles techniques énergétiques dans les hôpitaux et les établissements de soins

Delen

Le chauffage et le règlement de la température constituent un poste de dépenses important pour les hôpitaux, les maisons de repos et autres établissements de soins. Rien d’étonnant donc que lors de la construction de nouveaux hôpitaux, on fasse appel à l’arsenal de plus en plus vaste de nouveaux systèmes de transformation d’énergie. Mais pour l’infrastructure existante aussi, les gestionnaires regardent comment intégrer des systèmes énergétiques efficients, tels que les pompes à chaleur, le stockage d’énergie par géométrie, la cogénération, les éoliennes, les panneaux solaires, les toits verts, etc., afin de réduire autant que possible la facture énergétique.
 
A quoi le gestionnaire d’un établissement de soins doit-il être attentif en adoptant ces différents systèmes? Un état des lieux.
 

Panneaux solaires

La production d’électricité au moyen de panneaux photovoltaïques est à présent entrée dans les mœurs et est devenu le premier choix pour qui dispose d’importantes superficies (de toitures). En raison de la forte consommation et des retombées financières grâce à la connexion au réseau électrique, les panneaux solaires sont devenus une alternative économiquement réaliste. Chaque kilowatt d’électricité qu’on produit soi-même ne doit pas être acheté et en tant que fournisseur d’électricité excédentaire, on gagne en plus de l’argent. Néanmoins, l’installation de panneaux solaires demeure une affaire relativement onéreuse, a fortiori sur des toits plats, tandis que le rendement dépend de différents paramètres, comme l’inclinaison, l’orientation, etc. L’installation idéale se situe sous un angle de 36°, dirigée plein sud. En moyenne, on peut amortir les frais d’achat et d’installation de panneaux solaires dans les 7 à 10 ans. Un autre avantage majeur des panneaux photovoltaïques, c’est qu’on ne dépend pas des fluctuations de prix sur le marché de l’électricité. Sauf en ce qui concerne la vente au réseau évidemment. L’inconvénient, c’est que le bénéfice procuré par les panneaux solaires n’est pas encore mirobolant et qu’ils ne produisent probablement pas suffisamment d’énergie en continu pour satisfaire à la totalité des besoins d’un hôpital. C’est bien sûr dû en partie à la qualité et à la disposition des panneaux.
 

Eoliennes

A côté de l’énergie solaire, l’énergie éolienne est un des systèmes qui croît le plus sur le marché de l’électricité durable. Les plus de 260.000 éoliennes installées de par le monde couvrent aujourd’hui 3% environ du marché mondial de l’électricité. Mais une éolienne comme source d’énergie pour un hôpital, est-ce une option réaliste? Cela dépend de différents facteurs, comme la situation, le cadre, la règlementation, etc. Sur terre, les plaines dégagées sont idéales. Une éolienne solitaire y produit même plus d’énergie qu’un exemplaire dans un parc d’éoliennes, car ce dernier se situe dans ‘l’ombre de vent’ des autres éoliennes. En ce qui concerne le rendement, la Loi de Betz dit qu’une éolienne peut récolter au maximum 59,3% de l’énergie du vent.
 
Le grand avantage d’une éolienne, c’est qu’elle exige assez peu d’entretien, bien qu’elle soit entièrement mécanique. Une éolienne moderne a une durée de vie de 20  ans et est facilement active pendant 100.000 heures au cours de cette période. Du point de vue du retour sur investissement, la durée d’amortissement est inversement proportionnelle à la taille et à la capacité de l’éolienne. Plus elle est grande et puissante, plus élevé sera le rendement. Avec des modèles plus petits, la période d’amortissement peut être plus longue que la durée de vie de l’éolienne! La période d’amortissement d’une mini-éolienne est environ le double de celle de panneaux solaires, alors que ces derniers durent plus longtemps.
 
Un inconvénient de taille, c’est qu’il ne s’agit pas d’une source d’énergie stable ni fiable. S’il n’y a pas de vent, l’éolienne ne tourne pas. Et quand il y a trop de vente, il faut souvent l’arrêter, à moins qu’elle ne soit équipée d’ailes réglables. L’avantage, par contre, est son empreinte écologique plus petite comparé à des panneaux solaires.
 

Systèmes géothermiques de chauffage et de refroidissement

Alors que les panneaux solaires et les éoliennes font partie du paysage et ne sont presque plus considérés comme des sources d’énergie alternatives, il en va autrement des systèmes plus complexes sur les plans techniques et thermodynamiques, comme les pompes à chaleur, le stockage d’énergie par géothermie et la cogénération.
 
Les pompes à chaleur sont déjà souvent utilisées dans la construction résidentielle de maisons dites passives. En raison de leurs performances énergétiques extraordinaires (design, utilisation des espaces, isolation et ventilation double flux), ces constructions peuvent se contenter des performances malgré tout modestes d’une pompe à chaleur pour leur chauffage et leur régulation de la température.
 
Une pompe à chaleur est en fait un réfrigérateur inversé. Un réfrigérateur extrait la chaleur du contenu du frigo et transfère celle-ci à l’air ambiant par le biais d’un commutateur de chaleur, l’objectif étant de refroidir les aliments qui y sont entreposés. Si, à l’inverse, l’idée est de profiter de la chaleur dégagée, on parle de pompe à chaleur. La pompe à chaleur en tant que système de chauffage utilise la température élevée de l’eau à une grande profondeur. La pompe à chaleur extrait la chaleur de cette eau et la transfère au bâtiment par le biais d’un commutateur de chaleur.
 
L’avantage de la pompe à chaleur, c’est qu’on extrait tout simplement la chaleur du sol (ou de l’air) et qu’un utilise de l’électricité uniquement pour faire fonctionner la pompe. L’inconvénient, c’est que la chaleur amenée est modeste et certainement insuffisante pour un hôpital. L’utilisation d’une pompe à chaleur exige par ailleurs des normes de construction strictes en termes d’isolation, de ventilation double flux et de régulation de la température. Cette technique ne convient que dans le cas de constructions passives.
 
Exprimé en e-COP (énergie fournie /énergie consommée), le rendement d’une pompe à chaleur peut atteindre des valeurs comprises entre 4 et 4,6, tandis que la cogénération a un COP 9.
 

Pompes à chaleur: trois systèmes

Il existe trois types de pompes à chaleur, chacun présentant des avantages et des inconvénients.
 
Air/air
Il s’agit d’un véritable réfrigérateur inversé: la pompe extrait la chaleur d’un environnement d’air chaud et le transfère via un commutateur de chaleur vers l’air du bâtiment. Le gros désavantage de ce système c’est la faiblesse du rendement, surtout lorsqu’il gèle dehors. En contrepartie, l’investissement est restreint.
 
Air/eau
C’est la pompe à chaleur idéale pour chauffer des bâtiments. La pompe à chaleur extrait la chaleur d’un environnement chaud (généralement sous-terrain) et transmet celle-ci à l’eau via un commutateur de chaleur, qui réchauffe le bâtiment au moyen de radiateurs, comme un chauffage central classique. L’eau est chauffée à environ 38° C.
 
Eau/eau
Ce système extrait la chaleur de l’eau chaude (généralement à une profondeur d’une centaine de mètres). On peut vraiment parler ici d’un système qui extrait la chaleur ‘gratuitement’ du sol. Et plus grand est le commutateur, plus élevé sera le rendement.
 
Nous énumérons brièvement les avantages et inconvénients des pompes à chaleur:

Avantages:
> L’énergie nécessaire au fonctionnement de la pompe est moindre que le bénéfice énergétique.
> Pas de frais de mazout ni de gaz
> Peut aussi servir de système de refroidissement en été
> Faibles frais d’entretien
 
Inconvénients:
> Investissement lourd (surtout pour le système eau/eau)
> Nécessite de grands radiateurs et de chauffage par le sol
 

Stockage d’énergie par géothermie

Le stockage d’énergie par géothermie est une technique relativement récente, idéale pour le chauffage en hiver comme pour le refroidissement en été. Le concept repose sur l’utilisation des propriétés isolantes du sol. Tout type de sol ne convient cependant pas au stockage sous-terrain d’énergie. L’application potentielle du stockage d’énergie par géothermie est influencée à la fois par la législation et les règlementations locales et par les propriétés physiques et chimiques du sous-sol.
 

Deux systèmes

Les systèmes de nappes d’eau sous-terraines libres sont en communication avec les couches aquifères du sol. Via des tuyaux, l’eau chaude est extraite du sol (de quelques dizaines à environ 200m de profondeur) et menée via un commutateur de chaleur pou ensuite être réinfiltrée dans le sol. Il arrive que deux sources soient forées à une 100-aine de mètres l’une de l’autre, l’une pour l’eau froide, l’autre pour l’eau chaude. En été, l’eau est puisée de la source dite froide et la fraîcheur est transférée au bâtiment. L’eau qui s’est ainsi réchauffée est ensuite introduite dans l’autre source. En hiver, l’eau chaude est pompée et transférée à une pompe à chaleur. L’eau ainsi refroidie est à nouveau stockée dans la source froide, éventuellement avec une réserve de glace.
 

Systèmes clos

Les commutateurs de géothermie ne sont pas en communication libre avec les nappes d’eau, mais utilisent de l’eau contenant un antigel (souvent une solution de glycol), qui est pompée à travers un système clos dans le sol. Le système consiste en des tuyaux en fore d’U placés dans un trou de forage.
 
La chaleur est extraite du sol au moyen d’un commutateur de chaleur. On distingue une variante horizontale, peu profonde, et une variante verticale, profonde. Les commutateurs de chaleur peuvent atteindre une profondeur allant de quelques dizaines de mètres à plus de cent mètres.
 
Les avantages et inconvénients des pompes à chaleur s’appliquent également au stockage d’énergie par géothermie. L’investissement n’est pas mauvais, mais le système ne peut être utilisé que dans des constructions passives.
 

Cogénération

La technique offrant de loin le meilleur rendement énergétique est la cogénération. Elle possède un COP de 9 et se situe de ce fait en haut de la liste des systèmes énergétiquement performants. Lorsqu’on parle d’approvisionnement en énergie, on pense souvent en première instance à l’électricité. Pourtant, la majorité de la demande énergétique ne porte pas sur l’électricité mais sur la chaleur.
 
Traditionnellement, la production d’électricité et de chaleur est séparée. Une production conjointe de ces deux formes d’énergie au moyen de la cogénération présente un grand nombre d’avantages.
 
En Belgique, plusieurs hôpitaux utilisent déjà la cogénération. L’UZA, par exemple, produit de l’électricité au moyen d’une turbine à gaz, dont la chaleur dégagée sert à chauffer les bâtiments. Ce système est amorti en 2 ans. Un système de stockage d’énergie par géothermie conserve alors l’eau chaude pour utilisation en hiver. A l’inverse, l’eau froide est stockée dans un trou de forage, afin d’être utilisé en été pour le refroidissement.
 

Toits verts

Une dernière technique de plus en plus appliquée, certainement pour de grands bâtiments, est le toit vert. Cette technique est presque aussi vieille que l’humanité: des cabanes en bois dans le grand nord aux îles Shetland en passant par les jardins suspendus de Babylone. La végétation sur le dos peut fortement varier: plante sedum typiques, herbes aromatiques ou herbe tout court. Dans le cas d’un toit vert dit intensif, on plante même des arbustes et des arbres, souvent en combinaison avec du paillis. Les toits verts sont d’excellents régulateurs de température. La verdure isole aussi bien contre la chaleur que contre le froid. Un toit vert est bien entendu très durable. L’inconvénient c’est l’investissement important et l’entretien assez intensif (comme avec un jardin).
 
 

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