Rapport du travail de Bachelor - HEIG-VD

26/07/2019

Rapport du travail de Bachelor
Assainissement et optimisation de la production de froid sur le site
de l’hôpital cantonal de Fribourg HFR

 Département : Technologies industrielles
 Filière : Energie et techniques environnementales
 Orientation : Thermique industrielle
 Etudiant : David Cramatte
 Professeur responsable : Enrico Da Riva
 Entreprise partenaire et personne de contact : José Carlos da Silva (HFR)

Rapport travail de Bachelor David Cramatte
Descriptif

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Clause de confidentialité

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Table des matières
1 Résumé.......................................................................................................................................................... 7
2 Introduction .................................................................................................................................................. 8
 2.1 Problématique....................................................................................................................................... 8
 2.2 Objectifs .............................................................................................................................................. 10
 2.3 Planning............................................................................................................................................... 11
3 Présentation de l’hôpital cantonal de Fribourg HFR ................................................................................... 12
4 Etat actuel (avant 2019) .............................................................................................................................. 17
 4.1 Cadre de travail (schémas et liste des machines) ............................................................................... 17
 4.2 Production totale de froid................................................................................................................... 21
 4.3 Bilan thermique du bassin .................................................................................................................. 21
 4.3.1 Production de froid pour la climatisation ................................................................................... 21
 4.3.2 Rejets thermiques des condenseurs de machines de froid ........................................................ 22
 4.3.3 Rejets thermiques des autres installations ................................................................................. 22
 4.3.4 Rejets thermiques dus à la climatisation .................................................................................... 27
 4.4 Analyse de l’état actuel ....................................................................................................................... 29
 4.4.1 Bilan de puissance sur le bassin pour un jour d’été.................................................................... 29
 4.4.2 Analyse qualitative et quantitative de l’état actuel .................................................................... 30
 4.4.3 Impact de la mise à l’égout de l’eau potable .............................................................................. 31
5 Etat futur ..................................................................................................................................................... 33
 5.1 Cadre de travail (schéma et liste des machines)................................................................................. 33
 5.2 Production totale de froid................................................................................................................... 37
 5.3 Bilan thermique du bassin .................................................................................................................. 37
 5.3.1 Rejets thermiques des condenseurs de machines de froid ........................................................ 37
 5.4 Analyse de l’état futur......................................................................................................................... 38
 5.4.1 Bilan de puissance sur le bassin pour un jour d’été.................................................................... 38
 5.4.2 Analyse qualitative et quantitative de l’état futur ...................................................................... 39
6 Propositions d’améliorations pour l’assainissement et l’optimisation de la production de froid ............. 40
 6.1.1 Catalogue de solutions pour l’exploitation ou le remplacement du réseau existant ................. 42
 6.1.2 Remplacement des machines de froid avec un réseau d’eau .................................................... 43
 6.1.3 Remplacement des machines de froid avec un réseau en détente directe ............................... 45
 6.1.4 Analyse économique du remplacement des machines de froid Riedo Dorin ............................. 45
 6.2 Refroidissement du bassin et production de l’eau chaude sanitaire.................................................. 46
 6.2.1 Dimensionnement théorique du système .................................................................................. 46
 6.2.2 Choix et dimensionnement pratique du système ....................................................................... 49
 6.2.3 Schéma d’implantation du système ............................................................................................ 54
 6.3 Analyse de la température de l’eau du bassin pour un jour d’été ..................................................... 56

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7 Conclusion ................................................................................................................................................... 61
8 Liste des références .................................................................................................................................... 62
9 Mention d’authentification ......................................................................................................................... 64
10 Annexes ................................................................................................................................................... 65

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1 Résumé
Dans le cadre de ce travail de bachelor, une étude a été réalisée concernant la production de froid de
l’hôpital cantonal de Fribourg (HFR). Elle a pour but d’analyser la situation actuelle et la situation future de la
production de froid, ainsi que de proposer des solutions d’améliorations.

L’analyse de la situation actuelle permet de mettre en évidence le fait que les rejets thermiques dans le
bassin d’eau froide sont trop importants et que le plus grand consommateur d’eau froide est la climatisation
avec une puissance de 2'674 kW. La température du bassin étant trop élevée, l’eau doit ainsi être mise à
l’égout pour le refroidir, ce qui a un impact économique, écologique et éthique.
L’analyse de l’état futur prévoit quant à elle une amélioration de la situation grâce à une diminution des
rejets mais des efforts doivent encore être menés notamment en ce qui concerne la climatisation, où une
batterie de récupération entre l’air extrait et l’air introduit devrait être installée.
Concernant les solutions, la première proposition consiste à remplacer les machines de froid refroidies à l’eau
du bassin (condenseur), ce qui permet de diminuer les rejets thermiques dans le bassin, de diminuer la
consommation électrique et de mettre le réseau actuel à niveau tout en garantissant l’approvisionnement
des consommateurs. La deuxième solution a quant à elle pour but d’améliorer la récupération d’énergie sur
les rejets thermiques en utilisant une ou plusieurs pompes à chaleur transcritiques pour refroidir le bassin en
continu et produire de l’eau chaude sanitaire, une partie des besoins de refroidissement étant de fait
constants à l’année et pouvant ainsi être exploités pour la production d’eau chaude sanitaire.
Pour finir, l’analyse numérique de l’élévation de la température du bassin montre que globalement l’eau
dans le bassin se mélange et qu’il n’y a donc pas de problème de zone d’eau trop chaude, ce qui écarte le
risque de développement de légionelles.

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2 Introduction
Ce travail de Bachelor porte sur l’assainissement et l’optimisation de la production de froid utilisée, sur le site
de l’hôpital fribourgeois (HFR), pour la climatisation, le refroidissement des process et pour les chambres
froides (froid positif et négatif).

2.1 Problématique
Le bâtiment principal de l’hôpital cantonal de Fribourg a été construit en 1972. C’est à ce moment-là qu’il a
été décidé d’installer un bassin d’eau potable, réparti en deux compartiments (un de 1000m3 et un de
800m3), dans le but de créer une réserve d’environ 5 jours pour l’établissement hospitalier. Ce grand
emmagasinement d’eau est aujourd’hui utilisé comme source pour les rejets thermiques de la production de
froid et pour la climatisation. Les températures de l’eau introduite dans le bassin variant entre 10°C en hiver
et 11°C en été, il représente en effet un stockage naturel qui est renouvelé par la consommation journalière
d’eau potable. D’un point de vue énergétique, il est ainsi intéressant d’exploiter cette source froide car elle
est à une température plus constante et plus basse que l’air en été. De ce fait, il est possible de préchauffer
l’eau du bassin « gratuitement » en exploitant les rejets thermiques et de maintenir le bassin à une
température constante grâce à l’apport journalier d’eau froide dans le bassin.
De façon très simplifiée, la situation idéale imaginée par l’hôpital est représentée ci-dessous (Figure 1) :

 Figure 1 Représentation simplifiée de l'utilisation de l'eau en 1972

Au cours du temps, les besoins énergétiques en froid ont cependant accrus, si bien qu’il a fallu augmenter la
production de froid pour la climatisation, le froid process et pour la réfrigération des chambres froides. Pour
ce faire, des machines de froid et des batteries froides ont été installées. Certaines d’entre elles utilisent l’eau
du bassin pour évacuer la chaleur au condenseur en la rejetant dans le bassin. D’autres refroidissent l’eau du
bassin, qui va ensuite être utilisée pour la climatisation, puis rejetée dans le bassin.
Cependant, l’augmentation des besoins de froid a été plus forte que la consommation journalière d’eau
potable. Cette tendance est notamment due aux améliorations technologiques, lesquelles amènent de
nouvelles machines, comme par exemple les IRM, qui produisent beaucoup de chaleur à évacuer. Elle est
également due à l’augmentation du besoin pour la climatisation des bâtiments ou à la diminution de la
consommation d’eau potable.

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Pour répondre à cette augmentation, des machines de froid ont ainsi été installées sur le bassin, mais sans
prendre en compte le fait que cette accumulation de chaleur dans le bassin entraîne une élévation de la
température au-dessus de 17°C. Or, il s’agit là de la température maximale atteignable pour l’eau potable
selon l’hôpital cantonal de Fribourg (HFR) – d’après l’office fédéral de la santé OFSP, l’eau froide ne devant
plutôt pas dépasser les 25°C1, et selon la SIA 385/1, les 20°C2. Lorsque la température du bassin est trop
élevée, l’eau est par conséquent mise à l’égout pour « générer » une nouvelle consommation d’eau et, ainsi,
alimenter le bassin avec le réseau d’eau à 10-11°C. Cependant, cette situation n’étant économiquement,
énergétiquement et hygiéniquement pas appropriée, il a été décidé depuis 2001 d’installer une machine de
froid de 860kW pour permettre de diminuer la température de l’eau (évaporateur) et de dégager cette
chaleur à l’atmosphère dans une tour de refroidissement. Il est en résulte une situation un peu paradoxale où
des machines de froid sont refroidis à l’eau du bassin qui doit lui-même être refroidi par une machine de
froid (voir Figure 2). D’un point de vue théorie, c’est un avantage car cette situation correspond à un cycle
thermique bi-étagé. En effet, en travaillant avec deux étages (voir Figure 3) on diminue les pertes internes du
cycle et on améliore l’efficacité du système. Cependant, en pratique, dans cette situation il n’est pas
intéressant de la faire car le ∆T est trop faible et les pertes dues au transfert de chaleur trop importantes.

 Figure 2 Représentation simplifiée de la problématique

 Figure 3 Cycle bi-étagé3

1 OFSP / OSAV, 1999, Légionelles et légionellose. Recommandations OFSP / OSAV, Confédération Suisse, version du
22.08.2018 (en annexe I)
2 SIA 385/1 :2011. Installations d’eau chaude sanitaire dans les bâtiments – Bases générales et exigences, Norme suisse
SN, version du 2011-05-01 (en annexe II)
3
 Professeur Enrico DA RIVA, « Partie 3a : cycle idéale vs cycle réel » », in Techniques du froid, (document en annexe III)

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Un autre problème concerne l’utilisation de machines de froid fonctionnant avec un fluide frigorigène de
type HCFC sans circuit secondaire, à savoir les trois machines de froid Riedo Dorin de 85kW, chacune utilisant
comme fluide frigorigène du R22 . En effet, le condenseur de ces machines de froid est alimenté par le réseau
d’eau (froide) communale et cette eau qui a été réchauffée va être directement versée dans le bassin. Il est
évident que le risque d’une fuite de R22 et surtout de l’huile de lubrification dans les 1’800m3 d’eau potable
stockée dans l’hôpital serait problématique et entrainerait la mise à l’égout de l’eau. Un autre point
important est qu’il est dorénavant interdit de recharger les installations avec ce type de fluide frigorigène4.
C’est pourquoi le fluide frigorigène de ces machines de froid a été remplacé il y a quelques années par un
fluide de substitution qui est le R422D (HFC) et qui est pour l’instant autorisé.
2.2 Objectifs
Le but principal visé par l’HFR est d’effectuer une étude globale concernant la production de froid sur le site
de l’hôpital et, plus particulièrement, le problème de l’élévation de la température dans le bassin d’eau
potable. L’hôpital souhaite également une mise à jour de la liste des machines de froid. Pour atteindre ces
objectifs, le travail a été séparé en trois étapes.

La première étape est la compréhension et la vérification des documents mis à disposition par l’HFR afin de
réaliser une analyse critique de la situation actuelle. Plus précisément, cette étape consiste à effectuer un
premier travail de correction sur les informations reçues, de mettre à jour les schémas de principe et la liste
des machines. Elle va ainsi servir de base commune pour l’analyse des modifications qui ont été faites ou
vont être entreprises par l’HFR. Elle permettra également d’évaluer leurs impacts sur l’assainissement de la
production de froid.

La deuxième étape est l’analyse de la situation future qui a commencé à être mise en place par l’HFR. Pour la
réalisation de cette étape, il faudra notamment consulter les personnes responsables de la production du
froid, effectuer des visites dans les locaux concernés, mettre à jour les informations grâce à la dernière étude
réalisée en 2015 et valider avec l’entreprise partenaire les résultats obtenus. Un bilan de la situation future
pourra ainsi être effectué sur la base des données recueillies.

La troisième et dernière étape consiste finalement à proposer des améliorations possibles concernant
l’assainissement de la production de froid et en particulier les problèmes liés à l’élévation du bassin et à la
production de froid présente dans le bâtiment 01, dit « le bâtiment historique ».

(Voir également le cahier des charges qui a été validé et signée dans le chapitre descriptif au début du
rapport)

4 ORRChim, 2005, Ordonnance sur la réduction des risques liés aux produits chimiques – Liste des principaux fluides
frigorigènes, OFEV, Confédération Suisse, version du 26.02.2019 (en annexe IV)

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2.3 Planning

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3 Présentation de l’hôpital cantonal de Fribourg HFR
L’HFR Fribourg – Hôpital cantonal est constitué de 18 bâtiments :

 Année de Surface brute
Bâtiment Utilisation
 construction [m2]

Bat 1 1971 21’159 Bâtiment principal
Bat 2 1971 4’836 Vestiaires / administration / consultations + ambulatoires
Bat 3 1971 4’687 Pharmacie / stérilisation / cafétéria / bloc opératoire / centrale
 des lits
Bat 4 1971 7’777 Magasin central / hémodialyse / SRTS / hôtellerie /
 administration / restaurant du personnel
Bat 5 1971 2’004 Crèche / formation informatique
Bat 6 1971 6’173 Direction HFR / administration / maison du personnel /
 consultations
Bat 8 1971 2’787 UHP unité hospitalière protégée
Bat 11 1995 1’803 IRM / radiothérapie
Bat 12 2010 742 3ème année de médecine
Bat 13 2010 3’063 Vestiaires / pharmacie / hémodialyse / bloc opératoire
Bat 14 2001 8’743 Vestiaires / ateliers / urgences / sico
Bat 21 2015 610 Ophtalmologie
Bat 41 1999 544 Déchetterie
Bat 42 2018 Soins palliatifs
Bat 51 1984 1’776 Microbiologie / morgue / médecin cantonal / biomédical
Bat 61 317 Formation / administration
Bat 81 221
Bat 90 378 Chambre des employés
 Tableau 1 Liste des bâtiments5

 Figure 4 Plan du site de l'HFR

5
 José Carlos DA SILVA, « Liste des bâtiments HFR2018 », document interne, 2018 (en annexe V)

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L’ensemble de ces bâtiments représente 67'620 m2, 266 lits (en 2017 et 2018) et 1’548 collaborateurs EPT
(équivalent plein temps) avec une large palette des secteurs d’activités habituellement présents dans un
hôpital comme les urgences, les soins généraux, les soins spécialisés, et même la formation.
L’hôpital est raccordé au réseau de chauffage à distance FriCAD et est équipé de plusieurs chaudières à
vapeur bicombustible (gaz et huile extra-légère) pour différentes utilisations sur le site (stérilisation,
humidification, etc.). La consommation globale en 2015 est de 26.47 GWh pour l’énergie chaleur et de 12.65
GWh pour l’énergie électrique. La production de chaleur est assurée par plusieurs producteurs (voir Tableau
2).

 Production de la chaleur en 2015 pour l’ensemble de l’hôpital cantonal de Fribourg
Gaz 25 % 6.59 GWh
Huile HL 43 % 11.40 GWh
Chauffage à distance (CAD) 32 % 8.47 GWh
Total 100 % 26.47 GWh
 Tableau 2 Production de la chaleur en 2015 pour l'ensemble de l'hôpital cantonal de Fribourg

Ci-dessous (Graphique 1) la répartition de la consommation de chaleur (pour un total de 26.470 GWh en
2015)6 :

 Répartition des consommations de chaleur en 2015
 7%

 4%

 5%

 8% 44%

 2%

 8%

 3%

 8%

 11%

 Chauffage Humidifcation
 Buanderie Stérilisation, pharmacie, dégazage
 Eau chaude sanitaire Fitness, Wellness
 Pertes fumées Pertes réseau ES
 Pertes réseau vapeur Autres (solde)
 Graphique 1 Répartition des consommations de chaleur en 2015

6
 GROUPE E GREENWATT, « présentation de l’audit énergétique », in HFR Fribourg, 27.10.2016 (en annexe VI)

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Ci-dessous (Graphique 2) la répartition de la consommation électrique (pour un total de 12.653 GWh en
2015)7. Les trois principaux consommateurs d’électricité sont la ventilation, le besoin de froid (machine de
froid) et les pompes de circulation y compris les moteurs pour le chaud et le froid. La ventilation correspond à
33% de la consommation électrique de l’HFR et il y a actuellement des mesures qui sont prises par l’hôpital
cantonal de Fribourg pour réduire son impact. Le besoin de froid (consommation électrique des machines de
froid) a été établi en divisant l’énergie thermique froide annuelle produite par un coefficient de performance
théorique estimé à 3 [-]. Les pompes de circulation et les moteurs correspondent à 19% de la consommation
électrique globale de l’HFR. Notamment parce qu’il a été décidé par l’HFR d’élever l’ensemble de l’eau qui est
pompée depuis le bassin à 10 bar. De plus, ce consommateur prend en compte l’énergie électrique des
pompes de circulation pour le chauffage et pour les autres réseaux d’eau froide.

 Répartition des consommations électriques en 2015
 2%
 8%
 9%

 23%
 33%

 2%
 1%

 3%

 19%
 Luminaires
 Ventilation
 Pompes circulation + moteurs (chauffage et froid)
 Cuisine
 Buanderie
 Air comprimé
 Besoin de froid (avec un COP 3.0)
 Equipement électriques (selon affection, sans instruments hôpitaux)
 Autres (ascenseurs, etc.)

 Graphique 2 Répartition des consommations électriques en 2015

7
 GROUPE E GREENWATT, « présentation de l’audit énergétique », in HFR Fribourg, 27.10.2016 (en annexe VI)

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Pour permettre l’analyse des consommations de l’hôpital cantonal de Fribourg, il est possible de les
comparer aux valeurs de la norme SIA2024:20158 (valeurs existantes et standards), ainsi qu’à celles des
hôpitaux de Morges et de Payerne, également construits en 1972, mais plus petits, avec respectivement 186
lits et 155 lits9.

 Consommation HFR Selon SIA Selon SIA Morges Payerne
 en 2015 2024 2024
 (selon (selon
 existant) standard)
Consommation électrique totale
 12.65 8.13 6.71 12.71 10.74
en GWh/an
Consommation électrique
 187 120 99 188 159
rapportée en kWh/m2/an
Consommation thermique totale
 26.47 4.24 0.50 14.15 9.53
en GWh/an
Consommation thermique
 2 391 63 7 209 141
rapportée en kWh/m /an
 Tableau 3 Comparaison de la consommation électrique et thermique selon différentes sources

 Consommation électrique et thermique rapportée en kWh/m2/an
 450
 400
 350
 300
 kWh/m2/an

 250
 200
 150
 100
 50
 0
 Consommation HFR en Selon SIA 2024 Selon SIA 2024 Morges Payerne
 2015 (selon existant) (selon standard)

 Consommation électrique rapportée en kWh/m2/an Consommation thermique rapportée en kWh/m2/an

 Graphique 3 Comparaison de la consommation électrique et thermique selon différentes sources

La consommation électrique rapportée en kWh/m2/an est très similaire entre les trois hôpitaux et la norme
SIA 2024 selon les valeurs existantes. Par contre, la consommation thermique est beaucoup plus élevée pour
l’hôpital cantonal de Fribourg par rapport aux autres hôpitaux. Cette différence peut s’expliquer par le fait
que l’HFR a des consommations thermiques que les autres hôpitaux n’ont pas, comme par exemple la
buanderie ou l’humidification de l’air (seulement exigée pour les blocs opératoires). De plus, aucune
récupération n’est faite sur les gaz de fumées des chaudières. L’ensemble de ces facteurs représente ainsi
une consommation annuelle de 7.15 GWh soit 27% de la consommation thermique totale.

8
 SIA 2024:2015, Données d’utilisation des locaux pour l’énergie et les installations du bâtiment, Société suisse des
ingénieurs et des architectes, version dès 2015-10-01 (tableau récapitulatif des valeurs et pages utilisées en annexe VII)
9
 Jannick MONNARD, « Etude du potentiel de reconversion aux énergies renouvelables des établissements hospitaliers
vaudois », in Mémoire de Master, HEIG-VD, 07.02.2014 (en annexe VIII)

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Le Tableau 4 ci-après représente la part d’eau chaude sanitaire (ECS) et la part d’énergie électrique
consommée pour le froid de l’HFR. Les remarques suivantes sont à prendre en compte pour l’analyse du
tableau :

 - La norme SIA 2024 utilise uniquement la surface dédiée par lit d’hôpital pour le calcul de l’ECS.
 - La norme SIA 2024 utilise uniquement la climatisation comme consommation de froid.
 - Les hôpitaux de Morges et de Payerne font l’hypothèse que leur besoin de froid correspond au 5% de
 leur consommation électrique annuelle10.

 Consommation Selon SIA 2024 Selon SIA 2024 Morges Payerne
 HFR en 2015 (selon existant) (selon standard)
Consommation ECS totale en
 2.12 0.31 0.31 2.10 1.39
GWh/an
Consommation ECS rapportée
 31.3 4.6 4.6 30.9 20.5
en kWh/m2/an
Consommation électrique de
 2.91 0.73 0.73 0.63 0.54
froid en GWh/an
Consommation électrique de
 43.0 10.7 10.7 9.4 7.9
froid rapportée en kWh/m2/an
 Tableau 4 Comparaison de la consommation d’eau chaude sanitaire et la consommation électrique dédiée au froid

 Consommation d'ECS et d'électricité pour le froid rapportée en
 kWh/m2/an
 50
 45
 40
 35
 kWh/m2/an

 30
 25
 20
 15
 10
 5
 0
 Consommation HFR en Selon SIA 2024 Selon SIA 2024 Morges Payerne
 2015 (selon existant) (selon standard)

 Consommation ECS rapportée en kWh/m2/an Consommation de froid rapportée en kWh/m2/an

 Graphique 4 Comparaison de la consommation d’ECS et d’électricité pour la production de froid selon différentes sources

La consommation d’eau chaude sanitaire rapportée en kWh/m2/an est très similaire entre les trois hôpitaux.
Par contre il y a une très grande différence entre la consommation de froid de l’HFR et celle des autres
hôpitaux. Il est possible d’expliquer une partie de cette différence avec les points suivants :

 - Le besoin en froid pour la climatisation est très important pour l’HFR (voir le chapitre suivant) et des
 mesures sont en cours pour réduire ce besoin.
 - La consommation de froid pour le process n’est pas prise en compte dans la norme SIA 2024 ainsi
 que dans les deux autres hôpitaux.

10
 Olivier ROUGE, « Etude énergétique de l’hôpital de Morges », in Travail de Bachelor, HEIG-VD, 08.08.2014 (en annexe
IX)

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4 Etat actuel (avant 2019)
4.1 Cadre de travail (schémas et liste des machines)
Afin de définir l’état actuel de la situation, plusieurs documents ont été utilisés. Il s’agit principalement des
documents suivants (disponibles en annexe) :
 - Rapport SSP11
 - Liste des installations de froid12
 - Schéma de principe – Refroidissement 13
 - Schéma de froid – été/hiver – tous les consommateurs14
 - Présentation de l’audit énergétique HFR – Fribourg
 - SIA 2024 :2015
Il est à noter que les derniers documents à jour fournis par le responsable technique de l’HFR datent pour les
plus récents de 2015-2016. Les plus vieux sont des schémas d’installation de 1975. Dans le cadre de ce travail,
trois documents ont ainsi été réalisés ou mis à jour. Ils permettent de mettre en évidence la situation actuelle
de l’HFR, ainsi que d’établir un bilan et une analyse de cette situation. Il s’agit des documents :
 - Schéma de principe de l’alimentation, du refroidissement et du départ de l’eau du bassin (créé).
 - Schéma de principe des machines de froid de l’hôpital autour du bassin (mis à jour – voir annexe pour
 schéma de base).
 - Liste des machines de froid pour le refroidissement total de l’hôpital (mis à jour – voir annexe pour
 liste de base).
Le premier schéma de principe (disponible ci-après) représente l’alimentation, le refroidissement et le départ
de l’eau du bassin. Il montre notamment une alimentation d’eau communale pour le bassin et un départ
d’eau froide vers une nourrice qui distribue l’eau dans les différents secteurs de l’hôpital. Comme on peut
l’observer, les machines de froid ne sont pas directement raccordées au bassin, mais aux conduites circulant
dans l’hôpital. Le retour se fait ensuite sur une seule conduite (retour eau de refroidissement), qui ramène
l’eau dans le bassin.
Le deuxième schéma de principe (disponible ci-après) représente la situation de la production et de
l’utilisation de froid autour du bassin pour un jour d’été. Il permet de mieux comprendre la problématique
autour du bassin et d’évaluer les besoins pour les bâtiments 01, 02 et 04 qui y sont reliés.
Sur ce schéma sont représentées trois catégories de machines, à savoir les machines dédiées aux
refroidissement du bassin, celles consacrées aux refroidissement de l’eau pour la climatisation (évaporateur)
et finalement, celles qui dégagent la chaleur dans l’eau qui va être ramenée au bassin (condenseur). On y voit
notamment les deux machines de froid de respectivement 406 kW et 860 kW qui sont dédiées au
refroidissement du bassin pour le maintenir à une température inférieure à 17°C, ainsi que les deux machines
de 512 kW consacrées au refroidissement de l’eau, laquelle est ensuite utilisée pour la climatisation en été.
Sur ce schéma est également représentée la machine Maneurop qui utilise l’eau du bassin pour refroidir son
condenseur et ainsi produire du froid qui va permettre de refroidir les condenseurs d’autres machines de
froid. L’unique récupération d’énergie se fait en hiver sur une des machines de froid (qui fonctionne à
l’année) pour le préchauffage de l’air introduite. La puissance de préchauffage à disposition varie entre 150
kW à 200 kW.
Pour finir, la liste (disponible ci-après) représente l’ensemble des machines de froid que possédait l’HFR
durant la phase de l’état des lieux. On y retrouve un ensemble de 32 machines de froid qui consomment 2.97
GWh/an d’électricité pour une production de froid de 11.67 GWh/an et un COP annuel moyen de 3.93 [-]. La
liste de base qui a été corrigée pour la situation actuelle puis modifiée pour la situation future est quant à elle
disponible en annexe.

11
 Christophe PITTELOUD, « Rapport – Etat des lieux – Installations frigorifiques », in Rapport SSP Froid, SSP Kätleplaner
AG, 08.05.2015 (en annexe X)
12
 José Carlos DA SILVA, « Liste des installations de froid », document interne, 2015 (en annexe XI)
13
 Ludovic HAYOZ, « Schéma de principe de refroidissement », document interne, 18.06.18 (en annexe XII)
14
 GROUPE E GREENWATT, « Schéma de froid – Été- Tous les consommateurs »,document interne, 2018 (en annexe XIII)

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Travail de Bachelor David Cramatte
 Schéma de principe alimentation/refroidissement/départ du bassin

 24 mètres

 Mesure automatique de la
 température de l’eau à l’entrée
(introduction ville) et à la sortie du
 bassin (départ vers nourrice)

 Figure 5 Schéma de principe de l'alimentation, de refroidissement et du départ d'eau du bassin

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Schéma de principe du refroidissement autour du bassin

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Liste des machines de froid lors de l’état actuel (avant 2015)

 Tableau 5 Listes des machines de froid lors de l'état actuel

 Figure 6 Schéma de principe du refroidissement autour du bassin

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4.2 Production totale de froid

Afin d’estimer la production de froid totale de l’hôpital de Fribourg, il existe deux façons de faire.
Une première méthode consiste à utiliser le relevé de la consommation électrique pour le froid (2015) et d’y
appliquer un COPmoyen calculé à partir de la liste des machines de froid (Tableau 5) et de la formule ci-dessous
(Équation 1).

 ℎ 
 = = [−]
 é 
 Équation 1 COP moyen pour la liste des machines de froid

Une deuxième méthode consiste à faire la somme des énergies produites par les machines de froid de
l’hôpital, ce qui permet d’étudier la cohérence des hypothèses de bases qui ont été fournies sur les heures de
travail à pleine charge et la consommation électrique du froid.

Analyse de la production de froid total
Production de froid relevée depuis compteur électrique (avec COP de 3.93) 11'428'961 kWh/an
Production de froid totale depuis la liste des machines de froid 11'670'352 kWh/an
COPmoyen 3.93 [-]
 Tableau 6 Analyse de la production de froid total

Les résultats obtenus sur la base de ces deux méthodes semblent cohérents puisque l’écart entre ces deux
résultats est de 2.07 % (Équation 2).

 ℎ − =3.93
 = × 100 = 2.07 [%]
 ℎ 
 Équation 2 Ecart de la production de froid

Cette vérification permet ainsi de valider la cohérence de la liste des machines de froid et son utilisation pour
le reste de l’étude.

4.3 Bilan thermique du bassin
4.3.1 Production de froid pour la climatisation
La production de froid totale ayant été identifiée, il est possible de cibler maintenant la climatisation, laquelle
représente une grande part de la production de froid comme le montre le tableau ci-après (Tableau 7).
Pour réaliser ce tableau, deux méthodes ont été utilisées. La première méthode se base sur la liste des
machines de froid. Il s’agit de faire tout d’abord la somme des énergies de froid produites en fonction de leur
affectation (en l’occurrence la climatisation), puis d’y extraire la somme des énergies produites par les
machines de froid utilisant uniquement l’eau du bassin.

La deuxième méthode se base sur les valeurs existantes de la norme SIA 2024:2015 (Tableau 8). Dans le cadre
de cette comparaison, il a été choisi d’appliquer uniquement la valeur de 40 kWh/m2 par an pour l’ensemble
des surfaces des bâtiments 01, 02 et 04, qui représentent 33’772m2.

Analyse de la production de climatisation
Production de froid pour la climatisation depuis la liste des machines de froid 7'032'952 kWh/an
Production de froid pour la climatisation installée sur le bassin (liste MF) 3'455'716 kWh/an
Production de froid pour la climatisation installée sur le bassin selon SIA 2024 1'350'880 kWh/an
Surface de référence pour la climatisation (bâtiment 01, 02 et 04) 33'772 m2
 Tableau 7 Analyse du besoin de climatisation

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 SIA 2024 :2015 – Climatisation – Valeurs existantes
 Chambre d'hôpital 17 kWh/m2
 Bureau de service hospitalier 40 kWh/m2
 Locaux médicaux 30 kWh/m2
 Tableau 8 Valeurs existantes pour la climatisation selon SIA 2024:2015

 Le résultat obtenu avec la première méthode est ainsi d’environ 2.5 fois plus élevé que celui trouvé grâce à la
 deuxième méthode. Cette différence n’est pas excessivement choquante puisque la climatisation pour ces
 bâtiments date des années septante. Cependant, l’ordre de grandeur reste le même puisqu’on parle de 1.35
 à 3.45 GWh/an.

 4.3.2 Rejets thermiques des condenseurs de machines de froid
 Si l’on s’intéresse maintenant aux rejets thermiques, concernant les condenseurs des machines de froid, il est
 possible de cibler 5 machines qui rejettent la chaleur de leur condenseur dans le bassin (Tableau 9):

 Temps de
 Puissance Energie rejets
 fonctionnement Puissance Puissance rejets
Fabricant frigorifique thermique Année
 à pleine charge électrique [kW] [kW]
 [kW] [kWh/an]
 [h/an]
Riedo
 2'346 85.0 26.0 111.0 260'406 1989
(Dorin)
Riedo
 2'346 85.0 26.0 111.0 260'406 1989
(Dorin)
Riedo
 2'346 85.0 26.0 111.0 260'406 1989
(Dorin)
Maneurop 2'000 80.0 25.0 105.0 210'000 1993

Copeland 1'000 5.6 2.0 7.6 7'600 -
Puissance rejet thermique max
 445.6
[kW]
Energie rejet thermique max
 998'818
[kWh]
 Tableau 9 Liste des machines de froid rejetant la chaleur du condenseur dans le bassin

 4.3.3 Rejets thermiques des autres installations
 Concernant les rejets thermiques des autres installations telles que la dialyse, la bâche vapeur, les locaux
 informatique, etc., celles-ci utilisent l’eau du bassin pour leurs besoins de refroidissement. Cette eau est
 ensuite retournée dans le bassin, ce qui entraîne une élévation de la température qui n’est pas compensée
 par l’arrivée journalière d’eau froide. On parle de rejets « auxiliaires ».

 Il n’existe aucune information permettant de connaître directement l’énergie qui est dégagée dans le bassin
 par ces rejets auxiliaires. En outre, il est difficile de la mesurer. Par contre, il est plus simple de mesurer la
 puissance de refroidissement du bassin puisque il est toujours nécessaire d’empêcher l’élévation de la
 température. Il est également facile d’évaluer la puissance de renouvellement d’eau dans le bassin. Ainsi,
 étant donné que, durant cette période, la climatisation ne fonctionne pas, il est possible d’effectuer un bilan
 d’énergie en hiver sur la base du calcul suivant (Équation 3) :

 = ℎ + ′ 
 Équation 3 Puissance des rejets thermiques des autres installations

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Des mesures ont ainsi été faites entre la machine de froid dédiée au refroidissement du bassin (York de 406
kW) et l’échangeur refroidissant l’eau du bassin (en traitillé rouge sur la Figure 7) . Cette machine fonctionne
à l’année avec, lors des périodes creuses comme en hiver, une charge réduite (un seul compresseur au lieu
des deux installés) pour compenser l’élévation de température due uniquement à ces rejets thermiques
auxiliaires et non pas à la climatisation. Ces mesures ont été réalisées du mardi 12 mars au vendredi 15 mars
avec un débitmètre portatif15 prêté par Groupe E Greenwatt, une entreprise partenaire de l’HFR. La durée de
la prise des mesures avait été fixée à deux semaines mais un contre-temps du côté de l’entreprise partenaire
a dû l’écourter.

 Figure 7 Schéma partiel du refroidissement de l'eau du bassin

15
 FLEXIM, « Flexim Fluxus F601 », in Débitmètre non-intrusif par utlrasons │ Flexim, [en ligne],
https://www.flexim.com/fr/instruments-de-mesure/debitmetres-portables-pour-liquides/fluxus-f601, (page consultée
le 07.06.2019), (certificat de calibration en annexe XIV)

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Ci-dessous (Figure 8), les températures et degrés-jours pour la semaine de mesure ainsi que les résultats des
puissances moyennées par heure (avec une mesure toutes les minutes) :

 Figure 8 Températures et degrés-jour à Fribourg pour la semaine 1116

Comme le démontrent le Tableau 10 et le Graphique 5, la variation de puissance est assez faible, puisque par
rapport à la moyenne, la variation est de +5.77% et de -8.97% (Équation 4 et Équation 5).
 max − 
 = × 100 = +5.77%
 
 Équation 4 Ecart de puissance entre Pmax et Pmoyen

 min − 
 = × 100 = −8.97%
 
 Équation 5 Ecart de puissance entre Pmin et Pmoyen

Tableau des puissances mesurées
Puissance maximum 165 kW
Puissance moyenne 156 kW
Puissance minimum 142 kW
 Tableau 10 Tableau des puissances mesurées

16
 ETAT DE FRIBOURG, « Degrés-jours et température moyenne, relevés hebdomadaires », in Degrés-jours et
température moyenne, relevés hebdomadaires │ Site officiel de l’Etat de Fribourg, [en ligne],
http://appl.fr.ch/drupal_iframe/iframe.html, (page consultée le 26.04.2019)

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 Puissance moyennée par heure pour le refroidissement du bassin
 162

 160

 158

 156
 Puissance [kW]

 154

 152

 150

 148

 146

 144
 16.00 h 00.00 h 08.00 h 16.00 h 00.00 h 08.00 h 16.00 h 00.00 h 08.00 h

 Graphique 5 Puissance moyennée par heure du refroidissement du bassin

Les données utilisées pour le calcul de la puissance de renouvellement de l’eau (alimentation d’eau
communale) sont écrites dans le tableau ci-dessous (Tableau 11) et se basent sur les valeurs relevées lors des
mesures, des observations personnelles et sur la consommation moyenne d’eau potable de l’HFR en 2017 et
2018.

Données de base (lors de la mesure)
Température moyenne sortie échangeur 12.6 °C
∆T de l'échangeur entre circuit primaire et secondaire 1 °C
Température moyenne du bassin 13.6 °C
Température alimentation d'eau 10 °C
Moyenne de la consommation d'eau 145'175 m3
Heure d'alimentation moyenne par jour (6h - 20h) 14 h/j
Débit moyen d'alimentation d'eau 473 l/min
 Tableau 11 Données de base pour le calcul de la puissance de renouvellement de l'eau

Comme le montre le Tableau 12 ci-dessous, le bilan des rejets est de 274 kW, ce qui représente une énergie
d’environ 2.4 GWh par an. En effet, ces rejets sont, d’après une première approximation, plutôt constants,
car comme le démontre le graphique des températures mesurées ci-après (Graphique 6), il y a une légère
évolution de la température du bassin durant la nuit. De fait, à ce moment-là, l’apport en renouvellement
d’eau est plus faible, si bien que la température va peu à peu commencer à monter, jusqu’à ce que le
renouvellement d’eau redevienne plus important et stabilise la température.

Bilan d'énergie rejets thermiques
Puissance refroidissement machine de froid 156 kW
Puissance renouvellement d'eau 118 kW
Puissance des rejets 274 kW
Energie des rejets 2.40 GWh
 Tableau 12 Bilant d'énergie des rejets thermiques dans le bassin

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 Température moyenne du bassin
 13,9
 Température de l'eau du bassin [°C]

 13,8

 13,7

 13,6

 13,5

 13,4

 13,3

 13,2
 16.00 h 22.00 h 04.00 h 10.00 h 16.00 h 22.00 h 04.00 h 10.00 h 16.00 h 22.00 h 04.00 h

 Graphique 6 Température moyenne du bassin

Comme on peut l’observer dans le Tableau 13 et le Graphique 7 ci-dessous, l’influence du delta de
température sur la puissance de renouvellement d’eau est plus important que la variation de débit.

À débit (473 l/min) et température d'eau d'alimentation (10°C) constante
Numéro d calcul 1 2 3 4 5
Température du bassin [°C] 13 14 15 16 17
Puissance renouvellement d'eau [kW] 99 132 165 198 231
À température d'eau d'alimentation (10°C) et du bassin constante (16°C)
Numéro de calcul 1 2 3 4 5
 3
Débit moyen d'alimentation d'eau en [m /j] 350 380 400 420 450
Débit moyen d'alimentation d'eau [l/min] 243 264 278 292 313
Puissance renouvellement d'eau [kW] 102 110 116 122 131
 Tableau 13 Variation de la puissance des rejets en fonction du delta T et du débit

 Variation de la puissance en fonction du débit et du delta T
 250

 200
 Puissance [kW]

 150

 100

 50

 0
 1 2 3 4 5
 Numéro de calcul
 Variation de puissance à delta T constant Variation de puissance à débit constant

 Graphique 7 Variation de la puissance en fonction du débit et du delta T

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4.3.4 Rejets thermiques dus à la climatisation
Dans la cadre de la climatisation de l’hôpital cantonal de Fribourg, il a été décidé de refroidir (en été) ou de
préchauffer (en hiver) l’ensemble de l’air introduite à 17°C. Après ce pré-traitement, l’air en distribué dans
l’HFR et la température et le taux d’humidité va être adapté en fonction de l’affectation des locaux. En effet,
une partie de l’air va être refroidie à 11°C pour remplir les exigences voulues pour les blocs opératoires. De
fait, d’après le rapport sur les conditions d’ambiance dans les blocs opératoires, il devrait être possible pour
les chirurgiens de régler la température de l’air de 18°C à 26°C et le taux d’humidité relative de 40% à 60%17.
Comme on peut le voir sur le diagramme de Mollier ci-après (Figure 9), le cycle bleu représente les conditions
voulues pour les blocs opératoires selon le rapport proposé. La ligne rouge correspond à la limite qu’il
faudrait avoir pour garantir les conditions et la ligne orange celle qu’a décidé de tenir l’HFR. Il faudrait donc
refroidir l’air à 4°C pour respecter les conditions proposées. L’HFR, de son côté, avec une température de
11°C, garantit un taux d’humidité relative d’environ 65% à 18°C et de 40% à 26°C.

Pour évaluer la puissance thermique rejetée dans l’eau du bassin par la climatisation des bâtiments 01, 02 et
04, un schéma de principe de la ventilation des bâtiments a été fourni par l’entreprise partenaire de l’HFR18.

Ci-dessous, le Tableau 14 des valeurs extraites pour le débit d’air de ventilation, selon les bâtiments 01,02 et
04 :

Ventilation – débit de ventilation
Débit d'air bâtiment 01 et 02 (2017) 307'950 m3/h
Débit d'air bâtiment 01 et 02 (2019 - avec amélioration) 82'600 m3/h
Débit d'air bâtiment 04 (2017) 91'650 m3/h
Débit d'air bâtiment 04 (2019 - avec amélioration) 31'440 m3/h
 Tableau 14 Débit d'air pour la ventilation des bâtiments 01,02 et 04

Pour ce qui est de l’air extérieur, le calcul de la puissance des rejets thermiques dus à la climatisation s’est
fait pour le jour le plus défavorable de l’année 2018 (au mois d’août), avec une température de 32°C et un
taux d’humidité de 60%19. Sur la base de ces données, il est possible d’établir le tableau final suivant (Tableau
15) :

Ventilation – température et enthalpie
Température de refroidissement de l'air 11 °C
Enthalpie de l’air froide 32 kJ/kgair sec
Masse volumique de l’air froide 1.227 kg/m3
Température de l'air extérieur 32 °C
Taux d'humidité relative de l'air extérieur 60 %
Enthalpie de l’air extérieur 79 kJ/kgair sec
Masse volumique de l’air chaude 1.124 kg/m3
 Tableau 15 Températures de l'air et enthalpies

17
 D. GIONCO, « Modification des consignes d’ambiance dans les blocs opératoires », Energo, 21.01.2019 (en annexe XV)
18
 Baptiste MARCHAND, « Schéma de principe - Ventilation – bâtiment 01 », Groupe E Greenwatt, 07.03.2017 (en
annexe XVI)
19
 METEO FRIBOURG METEOBLUE, « Météo Fribourg, canton de Fribourg », in METEO FRIBOURG – meteoblue, [en ligne],
https://www.meteoblue.com/fr/meteo/prevision/archive/fribourg_suisse_2660718?fcstlength=1m&year=2018&month
=8, (page consultée le 26.04.2019)

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 Figure 9 Besoin de refroidissement de l'air pour tenir les consignes de température et d'humidité

Avec les données ci-dessus et la formule pour le calcul de la puissance théorique de refroidissement de l’air
entrant ci-dessous (Équation 6), il est donc possible d’estimer approximativement la valeur des rejets de
chaleur dans l’eau dus à la climatisation (Tableau 16).

 ′ ℎ ′ = ̇ = ̇ × × ∆ℎ
 Équation 6 Calcul de la puissance nécessaire pour le refroidissement de l'air

Calcul de la puissance thermique pour le refroidissement de l’air par l’eau du bassin
Débit d'air total (2017) 111 m3/s
Débit d'air total (2019 - avec amélioration) 32 m3/s
Masse volumique moyenne 1.18 kg/m3
Puissance thermique pour le refroidissement (2017) 6'132 kW
Puissance thermique pour le refroidissement (2019 - avec amélioration) 1'750 kW
 Tableau 16 Calcul de la puissance thermique pour le refroidissement de l'air par l’eau du bassin

La charge thermique sur le bassin due au refroidissement de l’air est ainsi très importante mais a été
grandement diminuée grâce aux mesures de réductions du débit d’air.

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4.4 Analyse de l’état actuel
4.4.1 Bilan de puissance sur le bassin pour un jour d’été
Le problème actuel en été est l’élévation de la température et le refroidissement du bassin par des machines
de froid. Pour savoir quels sont les phénomènes ayant un impact sur cette variation de température dans le
bassin et la valeur de cet impact, il est possible de faire, sur la base des calculs effectués dans le chapitre
précédent, un bilan des puissances introduites et extraites du bassin en été (Graphique 8), en prenant en
considération le pire des cas, à savoir un jour d’été avec des températures élevées.

 Bilan de puissance sur le bassin pour un jour d'été
 2 000
 1 750

 1 500

 1 000

 446
 500
 274
 Puissance [kW]

 0
 -19
 -198
 -500

 -1 000
 -1 024

 -1 266
 -1 500
 Puissance de refroidissement de l'eau du bassin (YORK 860 kW & 406 kW)
 Puissance d'eau froide introduite par jour
 Puissance de refroidissement de l'eau du bassin pour la climatisation (2x YORK 512kW)
 Puissance des rejets thermiques (condenseur machine de froid)
 Puissance des rejets thermiques auxiliaires (bâche vapeur, dialyse, etc.)
 Puissance des rejets thermiques batteries de climatisation
 Bilan de puissance sur le bassin estimée

 Graphique 8 Bilan de puissance sur le bassin pour un jour d'été

Globalement, comme en témoigne le graphique ci-dessus, le bilan devrait être équilibré car la puissance
restante est de -19 kW. Il ne devrait donc pas y avoir d’élévation de température dans le bassin. Cependant,
plusieurs éléments sont à prendre en compte dans ce bilan. Ils expliquent pourquoi l’HFR travaille
actuellement en flux tendu avec la température de l’eau du bassin et doit mettre de l’eau chaude à l’égout.

 1. Sur le Graphique 8, la puissance des rejets dus à la climatisation est d’environ 1'750 kW mais cette
 puissance correspondrait plus à la situation future. Pour l’instant, il n’y a qu’une partie des mesures
 de réduction du débit de ventilation entreprises par l’HFR qui ont été mises en place. La valeur de
 débit de la ventilation du bâtiment 04, notamment, n’a pas encore été atteinte (voir Tableau 14). La
 puissance des rejets thermiques dus à la climatisation, ainsi, est plutôt d’environ 2'674 kW, si l’on

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