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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