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Production de chaleur - Chauffe-eau solaire - Immeuble d'habitation / Canada
Mandat de l'étude de cas
La division technique d'un office municipal d'habitation (OMH) vous demande de préparer une étude de préfaisabilité pour un projet potentiel de chauffage solaire de l'eau. Le bâtiment en question est un petit immeuble à toit plat, typique du parc immobilier de l'OMH. L'OMH vous demande de considéré l'utilisation de tubes sous vide parce qu'ils sont disponibles localement.
Données techniques
L'immeuble se situe près de Montréal, Québec, Canada; l'aéroport le plus près est celui de St-Hubert. Le toit plat offre une surface propice à l'installation de capteurs solaires de 25m x 18 m. Cet immeuble de 9 appartements dispose d'une salle mécanique suffisamment grande (25 m²) pour accueillir tous les autres équipements du système solaire (réservoirs, échangeur de chaleur, pompes, contrôles, etc.) Présentement, deux chauffe-eau électriques sont en fonction et sont réglés à 60 °C. Cette salle mécanique est à une distance horizontale de 4 m des capteurs solaires et 3 étages en-dessous. L'immeuble est occupé à 100 % durant toute l'année. Il est possible de passer la tuyauterie par l'extérieur du bâtiment dans un recoin de mur qui va de la chambre mécanique jusqu'à la toiture. Évitant ainsi de toucher à la membrane de la toiture et une seule traversée de mur est nécessaire.
Données financières
L'OMH vous fournit les données financières suivantes pour l'analyse : taux d'inflation de 2,5 %, ratio d'endettement de 80 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 9 % et durée de l'emprunt de 10 ans. L'OMH n'est pas soumis à l'impôt.
La durée de vie du système solaire est estimée à 25 ans. Une subvention de 25 % du gouvernement fédéral peut s'appliquer à cette installation. Les frais d'exploitation et d'entretien sont limités à une visite annuelle d'une heure et au remplacement du mélange antigel eau/glycol tous les 10 ans.
L'OMH paye l'électricité environ 0,05 $/kWh et ce coût n'augmentera pas de plus de 3 % par année.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Projet réel
Résultats
L'Office municipal d'habitation de Montréal (OMHM) a installé en 1991, un système de chauffage solaire de l'eau, à tubes sous vide, sur un immeuble de 9 appartements qu'elle possède. Ce projet a été réalisé à la suite d'une étude de faisabilité réalisée pour Hydro-Québec, le fournisseur d'électricité au Québec, qui était à l'époque au prise avec des problèmes de gestion de la demande. Spécifiquement, Hydro-Québec voulait vérifier si 1) un chauffe-eau solaire, avec sa réserve additionnelle d'eau chaude, pouvait être efficacement combiné à un thermostat programmable installé sur les chauffe-eau électriques et 2) l'efficacité de l'effacement de la demande électrique lorsque les chauffe-eau électriques préalablement élevés à 65 °C sont alimentés par le préchauffage solaire alors que la consigne s'abaisse à 45 °C.
Les performances du système ont été suivies de juin 1993 à février 1994. Le rendement global du système sur cette période a été de 31 %. Au cours de l'été, les performances ont légèrement chuté à cause du fait que les résidents réduisent en réalité leur demande d'eau chaude par temps chaud, mais surtout aussi à cause de la panne d'un régulateur de vitesse de la pompe de la boucle secondaire des réservoirs solaires (un système à débit variable a été évalué durant les premiers mois de surveillance du système).
Malgré les bons résultats obtenus et la fiabilité de ce système qui fonctionne toujours parfaitement après 10 ans, il n'y a pas eu d'autres installations similaires pour deux raisons :
Description du système
Le système solaire a été installé en préchauffage, c'est-à-dire en amont des deux réservoirs électriques existant dans la salle mécanique du sous-sol de l'immeuble. Une surface de 26 m² de capteurs solaires, incluant 14 capteurs, a été installée plein sud, sur des supports inclinés à 45° installés sur le toit plat. Ces supports ne sont pas ancrés au toit de l'immeuble mais plutôt reliés ensemble à la base par des poutrelles légères en bois. C'est un ensemble de haubans fixés au muret entourant la toiture, qui maintient la structure en place. Cette méthode d'installation est très économique et n'affecte pas la garantie offerte sur la membrane de la toiture. Les capteurs solaires sont chacun constitués de 14 tubes sous vide (surface absorbante de 0,1 m² chaque) assemblés dans un cadre d'aluminium anodisé. Un espace de 3 cm est laissé entre chaque tube et aucun réflecteur ou concentrateur n'est utilisé à l'arrière de ceux-ci. Cette conception est particulièrement bien adaptée au climat nordique : elle réduit la prise au vent et surtout élimine tout problème d'accumulation de neige qui devient même un avantage en hiver car elle agit comme réflecteur naturel qui augmente l'absorption d'énergie solaire par la face arrière des tubes.
Le système utilise 3 réservoirs standards de 450 litres en acier émaillé qui ont été branchés en série. Le système utilise également un échangeur de chaleur, un réservoir de drainage, un contrôleur de température (delta T) et 2 pompes circulatrices, une pompe pour la circulation de l'eau du côté du réservoir de stockage et l'autre pour la circulation du mélange antigel dans la boucle solaire.
Un mélange antigel (eau/propylène glycol) est utilisé dans la boucle entre les capteurs et l'échangeur de chaleur. Après plus de 10 ans d'opération (1991-2001), le mélange antigel d'origine est toujours utilisé et a gardé des propriétés physico-chimiques satisfaisantes. Ceci grâce à la conception de la boucle solaire et au bon dimensionnement du système qui protège le mélange de surchauffe.
Le coût total du système solaire installé a été de 26 800 $ répartis comme suit :
Mandat de l'étude de cas
La division technique d'un office municipal d'habitation (OMH) vous demande de préparer une étude de préfaisabilité pour un projet potentiel de chauffage solaire de l'eau. Le bâtiment en question est un petit immeuble à toit plat, typique du parc immobilier de l'OMH. L'OMH vous demande de considéré l'utilisation de tubes sous vide parce qu'ils sont disponibles localement.
Données techniques
L'immeuble se situe près de Montréal, Québec, Canada; l'aéroport le plus près est celui de St-Hubert. Le toit plat offre une surface propice à l'installation de capteurs solaires de 25m x 18 m. Cet immeuble de 9 appartements dispose d'une salle mécanique suffisamment grande (25 m²) pour accueillir tous les autres équipements du système solaire (réservoirs, échangeur de chaleur, pompes, contrôles, etc.) Présentement, deux chauffe-eau électriques sont en fonction et sont réglés à 60 °C. Cette salle mécanique est à une distance horizontale de 4 m des capteurs solaires et 3 étages en-dessous. L'immeuble est occupé à 100 % durant toute l'année. Il est possible de passer la tuyauterie par l'extérieur du bâtiment dans un recoin de mur qui va de la chambre mécanique jusqu'à la toiture. Évitant ainsi de toucher à la membrane de la toiture et une seule traversée de mur est nécessaire.
Données financières
L'OMH vous fournit les données financières suivantes pour l'analyse : taux d'inflation de 2,5 %, ratio d'endettement de 80 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 9 % et durée de l'emprunt de 10 ans. L'OMH n'est pas soumis à l'impôt.
La durée de vie du système solaire est estimée à 25 ans. Une subvention de 25 % du gouvernement fédéral peut s'appliquer à cette installation. Les frais d'exploitation et d'entretien sont limités à une visite annuelle d'une heure et au remplacement du mélange antigel eau/glycol tous les 10 ans.
L'OMH paye l'électricité environ 0,05 $/kWh et ce coût n'augmentera pas de plus de 3 % par année.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Les pertes causées par les salissures et la neige sont faibles (2 %) à cause de la configuration des capteurs tubulaires avec intervalle espacé éliminant l'accumulation de neige.
- Le coût des capteurs solaires à tubes sous vide est plus bas que la valeur inférieure de la plage de coûts suggérée par RETScreen pour les capteurs solaires de cette technologie. Le coût utilisé dans cette analyse est basé sur celui de capteurs similaires maintenant fabriqués et disponibles en Chine. Un facteur 1,7 a été appliqué au prix de vente en Chine pour tenir compte des frais de transport, d'importation et de distribution au Canada.
Projet réel
Résultats
L'Office municipal d'habitation de Montréal (OMHM) a installé en 1991, un système de chauffage solaire de l'eau, à tubes sous vide, sur un immeuble de 9 appartements qu'elle possède. Ce projet a été réalisé à la suite d'une étude de faisabilité réalisée pour Hydro-Québec, le fournisseur d'électricité au Québec, qui était à l'époque au prise avec des problèmes de gestion de la demande. Spécifiquement, Hydro-Québec voulait vérifier si 1) un chauffe-eau solaire, avec sa réserve additionnelle d'eau chaude, pouvait être efficacement combiné à un thermostat programmable installé sur les chauffe-eau électriques et 2) l'efficacité de l'effacement de la demande électrique lorsque les chauffe-eau électriques préalablement élevés à 65 °C sont alimentés par le préchauffage solaire alors que la consigne s'abaisse à 45 °C.
Les performances du système ont été suivies de juin 1993 à février 1994. Le rendement global du système sur cette période a été de 31 %. Au cours de l'été, les performances ont légèrement chuté à cause du fait que les résidents réduisent en réalité leur demande d'eau chaude par temps chaud, mais surtout aussi à cause de la panne d'un régulateur de vitesse de la pompe de la boucle secondaire des réservoirs solaires (un système à débit variable a été évalué durant les premiers mois de surveillance du système).
Malgré les bons résultats obtenus et la fiabilité de ce système qui fonctionne toujours parfaitement après 10 ans, il n'y a pas eu d'autres installations similaires pour deux raisons :
- La gestion de la demande électrique n'a pas d'intérêt pour les utilisateurs car Hydro-Québec n'offre aucun tarif différentié dans le temps à sa clientèle des secteurs résidentiel et petit commercial.
- Hydro-Québec a certaines réticences quant au principe du thermostat programmable et des réservoirs de préchauffage solaire. Plus spécifiquement, elle craint la possibilité de contamination bactérienne de l'eau chaude sanitaire (par ex. par la maladie du légionnaire).
Description du système
Le système solaire a été installé en préchauffage, c'est-à-dire en amont des deux réservoirs électriques existant dans la salle mécanique du sous-sol de l'immeuble. Une surface de 26 m² de capteurs solaires, incluant 14 capteurs, a été installée plein sud, sur des supports inclinés à 45° installés sur le toit plat. Ces supports ne sont pas ancrés au toit de l'immeuble mais plutôt reliés ensemble à la base par des poutrelles légères en bois. C'est un ensemble de haubans fixés au muret entourant la toiture, qui maintient la structure en place. Cette méthode d'installation est très économique et n'affecte pas la garantie offerte sur la membrane de la toiture. Les capteurs solaires sont chacun constitués de 14 tubes sous vide (surface absorbante de 0,1 m² chaque) assemblés dans un cadre d'aluminium anodisé. Un espace de 3 cm est laissé entre chaque tube et aucun réflecteur ou concentrateur n'est utilisé à l'arrière de ceux-ci. Cette conception est particulièrement bien adaptée au climat nordique : elle réduit la prise au vent et surtout élimine tout problème d'accumulation de neige qui devient même un avantage en hiver car elle agit comme réflecteur naturel qui augmente l'absorption d'énergie solaire par la face arrière des tubes.
Le système utilise 3 réservoirs standards de 450 litres en acier émaillé qui ont été branchés en série. Le système utilise également un échangeur de chaleur, un réservoir de drainage, un contrôleur de température (delta T) et 2 pompes circulatrices, une pompe pour la circulation de l'eau du côté du réservoir de stockage et l'autre pour la circulation du mélange antigel dans la boucle solaire.
Un mélange antigel (eau/propylène glycol) est utilisé dans la boucle entre les capteurs et l'échangeur de chaleur. Après plus de 10 ans d'opération (1991-2001), le mélange antigel d'origine est toujours utilisé et a gardé des propriétés physico-chimiques satisfaisantes. Ceci grâce à la conception de la boucle solaire et au bon dimensionnement du système qui protège le mélange de surchauffe.
Le coût total du système solaire installé a été de 26 800 $ répartis comme suit :
Leçons à tirer
Les chauffe-eau solaires à tubes sous vide sont une option techniquement très intéressante pour produire de l'énergie renouvelable dans un climat froid et enneigé. Cependant, ils sont difficiles à justifier au plan financier quand la source d'énergie déplacée est simple et avantageuse à utiliser (par ex., dans cette étude de cas de l'hydro-électricité bon marché). Cependant, des consommateurs sont prêts à payer un surcoût pour bénéficier d'une source d'énergie non dommageable pour l'environnement et il serait avantageux que les distributeurs d'électricité envisagent des moyens de faire bénéficier à ces consommateurs des tarifs leur permettant de mieux bénéficier de leur demande réduite de puissance en période de pointe.
Photos
Immeuble d'habitation - Chauffe-eau solaire - Local technique, Québec, Canada
Immeuble d'habitation - Chauffe-eau solaire, Québec, Canada
Références
- Ce système, en opération depuis 10 ans, démontre la fiabilité et la capacité des capteurs solaires à tubes sous vide à opérer efficacement en hiver, à basse température, sans accumulation de neige.
- Après 10 ans de fonctionnement, le mélange antigel eau/propylène-glycol original est toujours en bonne condition. Le système fut conçu pour permettre le drainage du fluide solaire dans un réservoir tampon situé juste en-dessous du niveau des capteurs solaires lorsque la pompe solaire s'arrête. Le mélange eau/propylène-glycol est donc protégé de la dégradation due à la surchauffe dès que la pompe solaire s'arrête.
- Avant d'intégrer à des systèmes réels des stratégies de contrôle ou des composants sophistiqués, il est nécessaire d'être sûr de leur fiabilité. Autrement, ils peuvent affecter négativement les performances escomptées du système. Du côté de la boucle secondaire de l'échangeur de chaleur, un variateur de vitesse fut développé sur mesure, pour contrôler une pompe en courant continu de manière à avoir une assez importante élévation de température au passage de l'échangeur de chaleur. Après deux années d'ajustements et de réparations de cet ensemble, il a été remplacé par une simple pompe circulatrice standard en C.A. de faible puissance. Ainsi, depuis ce temps, le système fonctionne parfaitement avec des coûts d'entretien quasi nuls.
Les chauffe-eau solaires à tubes sous vide sont une option techniquement très intéressante pour produire de l'énergie renouvelable dans un climat froid et enneigé. Cependant, ils sont difficiles à justifier au plan financier quand la source d'énergie déplacée est simple et avantageuse à utiliser (par ex., dans cette étude de cas de l'hydro-électricité bon marché). Cependant, des consommateurs sont prêts à payer un surcoût pour bénéficier d'une source d'énergie non dommageable pour l'environnement et il serait avantageux que les distributeurs d'électricité envisagent des moyens de faire bénéficier à ces consommateurs des tarifs leur permettant de mieux bénéficier de leur demande réduite de puissance en période de pointe.
Photos
Immeuble d'habitation - Chauffe-eau solaire - Local technique, Québec, Canada
Immeuble d'habitation - Chauffe-eau solaire, Québec, Canada
Références
- Hosatte, Pierre, « Communications personnelles », TN conseil, 2000.
- Queen's University, « Performance Monitoring of a Multi-Unit Solar Domestic Hot Water System » (1994), p.34. DSS Contract n°23440-1-9612, Secteur des technologies de l'énergie, CANMET, RNCan, Ottawa, ON.
- TN conseil, « Eau chaude solaire et réduction de la charge du réseau électrique au Québec, Projet de démonstration », DSS contract n°23440-1-9612. Hydro-Québec PO: HA309120, 1991-1993.
