Production de chaleur - Système de chauffage solaire de l'air - Salle de classe / Canada

Mandat de l'étude de cas

Vous êtes responsable de l'efficacité énergétique à la direction des ressources matérielles d'une importante commission scolaire. On vous demande d'enquêter suite à de nombreux problèmes qui surviennent dans des bâtiments scolaires préfabriqués. Ces problèmes touchent la consommation d'énergie anormalement élevée, le manque de ventilation, le développement de moisissures, de plaintes par les élèves et par les enseignants et en bout de ligne, une mauvaise presse.

Comme solution, on préconise l'installation de systèmes de ventilation avec chauffage, dans chacune des classes préfabriquées. Cette solution engendrera une augmentation significative des coûts de chauffage de ces bâtiments. C'est pourquoi on vous demande d'évaluer la possibilité et l'intérêt d'installer un système de chauffage solaire de l'air. D'après la commission scolaire, ces bâtiments préfabriqués sont normalement temporaires, et c'est pourquoi un critère important d'évaluation sera un court temps de retour sur l'investissement. D'un autre côté, la commission scolaire reconnaît qu'elle n'aura probablement pas d'autres choix, à court terme, que de faire durer ces bâtiments tant que nécessaire.

Données techniques

Les bâtiments scolaires préfabriqués sont situés dans la région de Toronto en Ontario, au Canada. Les pratiques en ventilation sont qu'une classe de 30 élèves a besoin d'une capacité de ventilation de l'ordre de 200 L/s. Sur la façade sud d'une salle de classe, une surface de 20 m² permet d'accueillir un capteur solaire. Les salles de classe sont utilisées environ 9 heures par jour. Les murs du bâtiment sont isolés avec une résistance RSI d'environ 1,5 (m²-°C)/W. Lorsque l'énergie solaire sera insuffisante pour garantir une ventilation confortable, des éléments électriques élèveront la température de l'air neuf avant distribution.

Données financières

Si le temps de retour simple sur l'investissement est suffisamment court, les coûts du projet pourront être absorbés à même les budgets d'entretien de la commission scolaire. Une subvention de 25 % des coûts d'investissement du projet sera accordée par un programme d'encouragement du gouvernement fédéral. La commission scolaire considère que le taux d'inflation est de 2 % et que le taux d'indexation de l'énergie est de 3 % par année en moyenne. Le taux d'actualisation est de 9 %. La durée de vie des bâtiments préfabriqués ne devrait pas dépasser 10 ans. Aucun impôt n'est à prendre en considération avec une commission scolaire.

Le prix de détail de l'électricité est de 0,08 $/kWh.

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

• La solution proposée dans la feuille de calcul RETScreen présente un capteur solaire sur un mur sud, raccordé à un ventilateur placé en toiture. Le ventilateur est activé par 2 modules photovoltaïques (PV) de 20 W aussi situés sur le mur sud. Le débit de ventilation dépend du niveau d'ensoleillement si bien que le débit diminue et l'élévation de température de l'air reste relativement élevée par faible ensoleillement. Un registre de dérivation avec thermostat permet de faire rentrer de l'air neuf directement de l'extérieur lorsque la salle de classe n'a pas besoin de chaleur solaire.
• Les jours très nuageux, l'alimentation PV diminue et le débit de ventilation sera plus faible que recommandé. Cependant, le débit fourni par le ventilateur varie avec le cube de la puissance électrique qu'il absorbe. Le débit ne baisse donc que de moitié avec 1/8 du niveau d'ensoleillement nécessaire pour le faire fonctionner à plein régime.
• La solution apportée est du type « gagnant-gagnant » (i.e., garder des coûts de ventilation et de chauffage bas tout en fournissant une bonne qualité de l'air).
• Les coûts d'étude de faisabilité et d'ingénierie sont bas car ils représentent la réalité d'un kit standard de système de ventilation qui s'adapterait facilement à toute nouvelle classe d'un bâtiment préfabriqué.
• On a alloué un crédit pour le matériel et pour l'installation d'un nouveau parement de façade sur le bâtiment préfabriqué. On considère donc que le système solaire serait installé sur un bâtiment neuf. Un ajout à un bâtiment existant ne bénéficierait pas de ce crédit.
• Les coûts des conduits sont bas car on considère que le ventilateur d'air neuf peut être installé en toiture, proche de la sortie du capteur solaire.
• On a pris une durée de vie du projet de 10 ans car cela reflète la réalité de la vie du bâtiment que la commission scolaire considère comme provisoire. En réalité, il est probable que ce bâtiment préfabriqué et le capteur solaire dureront plus longtemps que cela.

Projet réel

Résultats

La Commission scolaire de Toronto exige des taux de renouvellement d'air assez élevés dans les salles de classe, pour éviter des problèmes de qualité d'air intérieur. L'air neuf peut être réchauffé à l'électricité, ce qui engendre des coûts d'énergie très élevés. Des essais ont aussi été réalisés avec des ventilateurs récupérateurs de chaleur. Avec leur coût élevé, ces appareils n'ont pas généré d'économies suffisantes en plus d'utiliser des moteurs électriques inefficaces pour les ventilateurs, consommant 200 W. Il fallait aussi nettoyer régulièrement les filtres de ces systèmes.

Ressources naturelles Canada a fourni à la commission scolaire un système de chauffage solaire de l'air avec alimentation photovoltaïque (PV) intégrée, afin qu'elle en évalue les performances. Le système utilise une surface absorbante en métal perforé pour le chauffage solaire de l'air et 2 modules PV pour alimenter les ventilateurs. C'est Ontario Hydro qui a réalisé le monitoring de ce système, alors que la commission scolaire se chargeait de son installation et de son exploitation.

Les salles de classe sont une application idéale pour les systèmes de chauffage solaire de l'air parce que leur occupation, donc les besoins d'air neuf et d'énergie, sont en phase avec les heures de plus fort ensoleillement. La surface de 16 m² avec une capacité de ventilation de 680 m³/h représente un ratio optimal pour les performances du capteur solaire. Ontario Hydro a pu également constater que le système contribuait à réduire la demande d'électricité pendant sa pointe du milieu de la journée.

Le suivi des performances du système indique que les ventilateurs se mettent en marche chaque matin vers 9 heures pour s'arrêter vers 5 heures. Les jours ensoleillés, l'élévation de température de l'air passant dans le système peut atteindre 30 ºC par rapport à la température ambiante. Même pendant les journées nuageuses, cette élévation de température se maintient entre 5 et 8 ºC car le débit d'air diminue avec l'ensoleillement, les modules PV régulant la puissance des ventilateurs. La quantité typique de chaleur produite par le système en une journée de fonctionnement est de 30 kWh et le profil journalier de la fourniture d'énergie suit bien les besoins en chauffage d'air neuf. Le monitoring a aussi montré que par temps très froid et ensoleillé, en moyenne, la seule consommation d'électricité de la salle de classe était pour l'éclairage, ce qui prouve que le chauffage électrique auxiliaire n'était pas utilisé et donc que le système de chauffage solaire de l'air était capable de répondre entièrement non seulement à la demande de chauffage d'air neuf de ventilation mais en plus à la charge de chauffage du local.

Description du système

Seize mètres carrés de capteurs solaires perforés pour chauffage de l'air, équipés de deux ventilateurs alimentés au PV, d'une capacité de 340 m³/h, ont été installés sur le mur sud d'une classe d'un bâtiment préfabriqué. À l'intérieur de la salle de classe, deux conduits d'air d'un diamètre de 15 cm distribuent uniformément l'air d'un bord à l'autre du plafond, fournissant à tous les élèves l'air neuf dont ils ont besoin.

Deux modules PV de 60 W ont une puissance suffisante pour alimenter les deux ventilateurs, même par temps nuageux. Cette alimentation simplifie le contrôle du fonctionnement du système, et évite des dépenses de raccordement électrique.

Les coûts additionnels de l'option chauffage solaire de l'air par rapport à un système conventionnel sont d'environ 1 500 $ et on prévoit qu'il générera des économies annuelles de l'ordre de 500 $, ce qui donne un temps de retour simple sur l'investissement de 3 ans.

Leçons à tirer

• Un système de chauffage solaire de l'air peut résoudre les problèmes de qualité de l'air à l'intérieur des bâtiments scolaires préfabriqués.
• La taille des modules PV pourrait être réduite considérablement. Pour alimenter les deux ventilateurs, une capacité totale de 40 à 60 W de module PV serait suffisante. Utiliser des modules plus petits réduira les coûts du système de ventilation.
• Le système de chauffage solaire de l'air peut fonctionner le week-end afin de réduire la charge de chauffage du bâtiment.
• Un système combinant l'énergie solaire thermique et le PV est un bel outil pédagogique. Dans ce projet, on a impliqué les élèves qui prenaient régulièrement des mesures de température fournies par le système solaire.
• Les commentaires généraux sont que la qualité de l'air et le confort dans les salles de classe se sont nettement améliorés grâce au système de chauffage solaire de l'air.

Photo

Capteur solaire pour chauffage solaire d'air neuf de ventilation avec modules PV intégrés, installé sur le mur sud d'une salle de classe préfabriquée à Toronto, Ontario, Canada

Références

• Nikiforov, Vladimir, « Communications personnelles », Conserval Engineering Inc., 2000.