La centrale thermofrigorifique de la Zac des Halles de Paris

La Centrale thermofrigorifique de la ZAC des Halles de Paris assure la production d’eau chaude ou froide destinée à la climatisation des locaux ainsi que de l’électricité de secours nécessaire en cas de panne de secteur pour la desserte des différentes constructions comprises dans cette opération de rénovation. Les bâtiments intéressés occupent la totalité de l’espace où étaient précédemment situées les anciennes Halles.

Construits tant en surface, (résidence, hôtel, bureaux, musées…), qu’en partie souterraine (Forum, galerie marchande, centre culturel), ces nouveaux bâtiments représentent des besoins thermiques correspondant à 16 500 kW pour le froid, 12 500 kW pour la chaleur, 6 000 kW pour l’électricité de secours.

La fourniture de calories est assurée par un circuit « eau chaude » à 43°/35° et celle des frigories par un circuit « eau glacée » à 5°/11°.

Les circuits de distribution sont implantés en galeries techniques.

Compte tenu de la constance des besoins de froid des locaux souterrains, et de la simultanéité fréquente des demandes de chaleur et de froid, la centrale est du type pompe à chaleur thermodynamique (1). Le déséquilibre thermique entre chaud et froid de la pompe à chaleur est compensé :

— en cas de demande excédentaire de froid par évacuation de calories produites au condenseur soit vers un stockage, soit vers des tours de refroidissement atmosphériques ;

— en cas de demande excédentaire de chaleur :

• par évacuation d’une partie du froid produit à l’évaporateur vers des batteries de dissipation ou de récupération de chaleur installées sur les rejets d’air vicié des locaux souterrains,

• par puisage sur le stockage pour alimenter l’évaporateur,

• par des chaudières électriques.

Installée au niveau + 3 du bâtiment sis 2, rue Turbigo, la centrale comporte pour la production des fluides thermiques, cinq groupes frigorifiques centrifuges York entraînés par des moteurs alimentés sous 5 500 V (figure 1) représentant une puissance totale de 17,5 MW frigorifiques (équivalent à 22 MW calorifiques).

Afin d’éviter la pollution des réseaux d’utilisation par les tours atmosphériques, ces groupes sont équipés de doubles condenseurs (utilisation et évacuation). Les condenseurs d’évacuation sont raccordés à un ensemble d’aérofrigérants atmosphériques installés sur la terrasse de la centrale et masqués par un acrotère permettant l’évacuation des puissances calorifiques pour une température d’eau de 26°/34° et pour des conditions extérieures de + 20° au bulbe humide.

En cas d’insuffisance des pompes à chaleur pour couvrir les besoins en chaleur, trois chaudières électriques de puissance unitaire de 4 000 kW, installées avant les pompes du réseau apportent les compléments nécessaires.

(1) Voir annexe.

Enfin, au niveau –5 sont installés quatre réservoirs calorifugés de 120 m³ chacun, constituant le stockage d’eau chaude ou froide.

Pour la production de l'électricité de secours, la centrale comporte six groupes électrogènes dont quatre de 1 500 kW et deux de 1 000 kVA (figure 3) (réservés à la production d’électricité de secours du réseau routier souterrain, d'une longueur de 6 km).

Le schéma hydraulique de la centrale est représenté sur la figure 4. La régulation du stockage s’effectue à l'aide d'un système de six vannes, comme indiqué ci-après :

vannes « tout ou rien » : V3 - V3 bis, vannes modulantes : V1 – V5, V2 – V4.

La régulation des circuits hydrauliques de la centrale s’opère comme suit :

• - en cas de production excédentaire de chaleur (due à un accroissement de la demande de froid) : stockage de l’eau chaude. Les positions des vannes sont alors les suivantes : V3 bis : ouverte, V1 – V5 : fermées ; V4 – V2 : modulation. Après remplissage des capacités de stockage, l’excédent d'eau chaude est dirigé vers les aéro-réfrigérants ;
• - en cas de production excédentaire de froid (due à un accroissement de la demande de chaleur) : récupération ou dissipation vers les batteries installées sur les rejets d’air vicié : les vannes V2 – V4 sont fermées et V1 – V5 modulent dans le même sens. On réchauffe ainsi le retour d'eau glacée, ce qui permet le maintien en fonctionnement de la production.

Bilan thermique de la centrale

Par rapport aux prévisions de fonctionnement d'origine, établies en 1974, les évolutions suivantes ont été constatées :

• - recherche d’économie d’énergie des utilisateurs entraînant une diminution des demandes de froid et des apports calorifiques de l’éclairage ;
• - déperditions plus importantes que prévu dans les programmes en sous-sol ;
• - périodes de simultanéité des demandes en chaud et froid moins nombreuses que prévu et récupération sur les rejets d'air vicié inférieure aux prévisions, ce qui pénalise le coût de la production de chaleur ;
• - déséquilibre des bassins en chaud et froid par rapport aux prévisions d'origine, dû aux modifications architecturales apportées aux bâtiments desservis par le réseau.

Une prospection commerciale est en cours pour trouver de nouveaux débouchés pour l’eau froide afin d’augmenter les périodes de simultanéité des demandes d'eau chaude et d'eau froide.

Les travaux ont été exécutés par les entreprises Lefort, Trindel et TNEE (laquelle a été chargée du pilotage de l'opération).

L’exploitation est assurée par la Société G.T.H. avec l'assistance technique de la Cofreth.

ANNEXE

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Une pompe à chaleur est une machine thermodynamique qui transfère de la chaleur d'une source froide à une source chaude grâce à un fluide frigorigène, lequel, s'évaporant à basse température, va puiser sa chaleur d'évaporation à la source froide et, se condensant à haute température, va restituer sa chaleur de condensation à la source chaude. La source froide voit ainsi sa température diminuer et celle de la source chaude augmente.

Entre source froide et source chaude, le fluide frigorigène circulant en circuit fermé est compressé, grâce à un apport d'énergie mécanique, puis détendu entre source chaude et source froide grâce à un détendeur.

Une machine thermofrigorifique est aussi une pompe à chaleur mais on fait la différence suivante entre machine thermofrigorifique et pompe à chaleur :

• — dans une pompe à chaleur, le froid produit à la source froide (air rafraîchi ou eau réfrigérée) n'est pas utilisé ; le fluide chaud produit à la source chaude (air ou eau chauffés) est récupéré pour le chauffage ;
• — dans une pompe thermofrigorifique, le froid produit à la source froide (air rafraîchi ou eau refroidie) est utilisé (par exemple aux Halles pour produire de l'eau glacée à 5—11).

La chaleur produite à la source chaude (air ou eau chauffés) est employée pour le chauffage (par exemple aux Halles pour produire de l'eau chaude à 43—35).

1 fg = 1,25 kcal  
(produite ou dissipée à la source froide) (produite ou dissipée à la source chaude)

Il faut observer que la différence de 0,25 kcal correspond en fait à l'énergie mécanique mise en jeu pour faire fonctionner le compresseur.

Application à la centrale des Halles

C'est l'équation ci-dessus qui régit le fonctionnement de toute la production, qui est elle-même basée essentiellement sur la demande de froid. C'est celle-ci en effet qui pilote la marche de la machine ; en particulier, si la demande de chaleur est trop forte par rapport à la production de froid, on est conduit à augmenter artificiellement celle-ci pour respecter l'équation. Il en résulte un surcroît de frigories qu'il faudra dissiper. L'installation des Halles fonctionnant en circuit fermé, cette dissipation s'effectue en récupérant des calories prélevées sur les rejets d'air vicié. La situation est exactement inversée dans le cas de besoins supplémentaires de frigories : on sera alors conduit à évacuer des calories sur le circuit chaleur, soit par stockage, soit par dissipation dans l'atmosphère.