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Production de chaleur - Chauffe-eau solaire - Aquaculture / Canada
Mandat de l'étude de cas
Une agence gouvernementale vous demande de préparer une étude de préfaisabilité pour l'implantation d'un système de chauffage solaire de l'eau dans une exploitation piscicole en Colombie-Britannique au Canada. Cette exploitation produit des alevins de saumon jusqu'à ce qu'ils aient une taille suffisante pour les transférer dans des cages d'élevage placées dans l'océan. Afin que le poisson ait assez d'oxygène, mais aussi pour éliminer les toxines et les déchets, de l'eau de puits renouvelle en continu les bassins d'élevage. Pour hâter la croissance des alevins, ces grandes quantités d'eau ont besoin d'être chauffées. Comme beaucoup de fermes de ce type en Colombie-Britannique, celle-ci est située en région éloignée et le combustible livré par camion est du propane. L'exploitant se demande si un système de chauffage solaire ne pourrait pas avantageusement remplacer le propane et réduire les frais d'exploitation de la ferme. L'agence gouvernementale veut évaluer la viabilité financière d'un système de chauffage solaire de l'eau.
Données techniques
La ferme d'élevage d'alevins est située près de Comox sur l'île de Vancouver, en Colombie-Britannique. L'eau est renouvelée dans les bassins à un rythme de 700 litres/minute et sa température de prélèvement varie de 6 °C au printemps à 8,5 °C en automne. Cette eau doit être chauffée à 12,7 °C pour permettre une croissance idéale des alevins.
À cause de l'âge de l'échangeur de chaleur de la chaudière, le rendement saisonnier de celle-ci n'est que de 50 %. Un autre échangeur de chaleur permet de récupérer 65 % de la chaleur de l'eau à la sortie du bassin, pour la transférer à l'eau fraîche du bassin. Par conséquent, l'on peut assumer que l'apport de ce deuxième échangeur de chaleur permettra d'économiser une surface supplémentaire de capteurs solaires équivalente à 25 ou 30 % de la surface totale normalement utilisée.
Un réservoir sera nécessaire pour stocker l'eau chauffée par le chauffe-eau solaire pendant la nuit. Le coût d'un réservoir de polyéthylène est d'environ 0,36 $/litre. Comme l'eau douce peut être directement chauffée dans les capteurs solaires, il n'est pas nécessaire de prévoir un échangeur de chaleur.
Après une visite préliminaire du site, vous en êtes arrivés à la conclusion que le seul espace disponible pour les capteurs solaires est le versant sud du toit du bâtiment principal de l'exploitation qui se trouve à 40 m de la chambre mécanique. Ce toit offre une surface de 335 m² avec une pente de 25 %. Vous estimez qu'environ 20 % de la surface du toit doit rester dégagée pour passer la tuyauterie et dégager l'accès en vue de l'entretien. Pour éviter les risques de gel de la tuyauterie et des capteurs solaires, le système solaire ne sera en service que 7 mois et demi par an. Il faut assumer que la tuyauterie sera en PVC de 63 mm de diamètre (2½ ").
Données financières
Le système sera acheté par l'agence gouvernementale, le budget de l'exploitation piscicole n'étant pas affecté par cet investissement. L'agence utilise un taux d'actualisation de 9 % et prévoit une durée de vie du système de 20 ans. Les coûts du propane ont fortement augmenté récemment et sont passés en une année de 0,25 $/litre à 0,45 $/litre. Le taux d'inflation estimé est de 2,2 % et l'augmentation des coûts de l'énergie est sensiblement égale au taux d'inflation. Le prix de détail de l'électricité est de 0,05 $/kWh. De plus, ce type de système peut bénéficier d'une subvention du gouvernement fédéral équivalente à 25 % de son coût initial.
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
En 1996, Ressources naturelles Canada et Pêches et océans Canada ont conjointement appuyé un projet d'évaluation du chauffage solaire de l'eau en pisciculture. Deux sites ont été retenus, l'un à Guelph, en Ontario, l'autre sur l'île de Vancouver à Fanny Bay en Colombie-Britannique. L'objectif était de démontrer, en conditions réelles, quelles étaient les performances et la facilité d'utilisation du chauffage solaire de l'eau en pisciculture.
Un système complet de suivi des performances a été installé et les résultats ont montré que les coûts élevés de chauffage de l'eau avaient été réduits de manière importante, réduisant par la même occasion les émissions de gaz à effet de serre de ces sites.
Description du système
En août 1997, la société Taylor Munro Energy Systems a installé un système solaire de 266 m² (2 880 pi²) à la ferme productrice d'alevins de saumon de Rosewall Creek à Fanny Bay, en Colombie-Britannique. L'eau d'alimentation des bassins d'élevage circule directement dans les capteurs solaires montés sur le toit du bâtiment. L'eau réchauffée est stockée dans deux réservoirs isolés, ce qui permet d'en garder pour la nuit. Le système solaire a été conçu pour élever la température de l'eau de puits de 7 °C, jusqu'à 14,5 °C, mais, si désiré, celui-ci peut monter la température de l'eau jusqu'à 18 °C. Une valve de mélange thermostatée assure que les alevins ne soient pas soumis à des variations de température.
Le système solaire a permis de réduire la consommation de la chaudière d'environ 25 % et se remboursera par lui-même par l'énergie économisée en 6 ans. Les capteurs solaires non vitrés en plastique noir protégé contre les UV auront une durée de vie de 20 ans. Ce système compte soixante capteurs non vitrés de la compagnie FAFCO et mesurent chacun 1,2 m x 3,7 m et ont été installés sur le versant sud du toit du bâtiment qui a une faible pente.
Leçons à tirer
Aperçu général
La production d'eau chaude à basse température est l'application du chauffage solaire offrant le plus grand potentiel de rentabilité car des capteurs bon marché, sans vitrage, peuvent être utilisés avec de bons rendements. Les marchés du secteur commercial et de l'agriculture qui utilisent de grands volumes d'eau chaude et qui ne sont pas raccordés au réseau de gaz naturel sont les plus intéressants. Dans certains cas, les utilisateurs peuvent éviter d'avoir à investir dans les coûts de l'installation solaire en achetant plutôt l'énergie fournie d'une société de service énergétique qui installe, à ses frais, l'équipement solaire.
Photo
Exploitation piscicole - Chauffe-eau solaire, Colombie-Britannique, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Une agence gouvernementale vous demande de préparer une étude de préfaisabilité pour l'implantation d'un système de chauffage solaire de l'eau dans une exploitation piscicole en Colombie-Britannique au Canada. Cette exploitation produit des alevins de saumon jusqu'à ce qu'ils aient une taille suffisante pour les transférer dans des cages d'élevage placées dans l'océan. Afin que le poisson ait assez d'oxygène, mais aussi pour éliminer les toxines et les déchets, de l'eau de puits renouvelle en continu les bassins d'élevage. Pour hâter la croissance des alevins, ces grandes quantités d'eau ont besoin d'être chauffées. Comme beaucoup de fermes de ce type en Colombie-Britannique, celle-ci est située en région éloignée et le combustible livré par camion est du propane. L'exploitant se demande si un système de chauffage solaire ne pourrait pas avantageusement remplacer le propane et réduire les frais d'exploitation de la ferme. L'agence gouvernementale veut évaluer la viabilité financière d'un système de chauffage solaire de l'eau.
Données techniques
La ferme d'élevage d'alevins est située près de Comox sur l'île de Vancouver, en Colombie-Britannique. L'eau est renouvelée dans les bassins à un rythme de 700 litres/minute et sa température de prélèvement varie de 6 °C au printemps à 8,5 °C en automne. Cette eau doit être chauffée à 12,7 °C pour permettre une croissance idéale des alevins.
À cause de l'âge de l'échangeur de chaleur de la chaudière, le rendement saisonnier de celle-ci n'est que de 50 %. Un autre échangeur de chaleur permet de récupérer 65 % de la chaleur de l'eau à la sortie du bassin, pour la transférer à l'eau fraîche du bassin. Par conséquent, l'on peut assumer que l'apport de ce deuxième échangeur de chaleur permettra d'économiser une surface supplémentaire de capteurs solaires équivalente à 25 ou 30 % de la surface totale normalement utilisée.
Un réservoir sera nécessaire pour stocker l'eau chauffée par le chauffe-eau solaire pendant la nuit. Le coût d'un réservoir de polyéthylène est d'environ 0,36 $/litre. Comme l'eau douce peut être directement chauffée dans les capteurs solaires, il n'est pas nécessaire de prévoir un échangeur de chaleur.
Après une visite préliminaire du site, vous en êtes arrivés à la conclusion que le seul espace disponible pour les capteurs solaires est le versant sud du toit du bâtiment principal de l'exploitation qui se trouve à 40 m de la chambre mécanique. Ce toit offre une surface de 335 m² avec une pente de 25 %. Vous estimez qu'environ 20 % de la surface du toit doit rester dégagée pour passer la tuyauterie et dégager l'accès en vue de l'entretien. Pour éviter les risques de gel de la tuyauterie et des capteurs solaires, le système solaire ne sera en service que 7 mois et demi par an. Il faut assumer que la tuyauterie sera en PVC de 63 mm de diamètre (2½ ").
Données financières
Le système sera acheté par l'agence gouvernementale, le budget de l'exploitation piscicole n'étant pas affecté par cet investissement. L'agence utilise un taux d'actualisation de 9 % et prévoit une durée de vie du système de 20 ans. Les coûts du propane ont fortement augmenté récemment et sont passés en une année de 0,25 $/litre à 0,45 $/litre. Le taux d'inflation estimé est de 2,2 % et l'augmentation des coûts de l'énergie est sensiblement égale au taux d'inflation. Le prix de détail de l'électricité est de 0,05 $/kWh. De plus, ce type de système peut bénéficier d'une subvention du gouvernement fédéral équivalente à 25 % de son coût initial.
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
- L'énergie électrique pour le pompage est de 2 W/m². Compte tenu de la conception à faible débit de ce système, utilisant un débit plus faible qu'un système habituel; les besoins de pompage sont donc réduits.
- Les pertes thermiques dans la tuyauterie et les réservoirs sont faibles compte tenu de la faible température de stockage et du faible temps de séjour de l'eau stockée avant son utilisation.
- Les pertes dues à la neige ou aux salissures sont faibles puisque : 1) le système n'est pas en opération pendant la saison où il y a de la neige 2) le climat pluvieux de la région permet un lavage fréquent des surfaces des capteurs.
- Le temps alloué pour la conception du système de chauffage solaire de l'eau et la surveillance des travaux de construction est plus élevé à cause de l'ampleur de ce projet.
- Les coûts des matériaux et de l'installation de la boucle solaire sont plus élevés à cause d'une tranchée qui a été creusée pour faire passer la tuyauterie entre les deux bâtiments, d'une valve de mélange thermostatée et un système d'alimentation qui permettent de garantir aux bassins d'élevage une entrée d'eau à température constante.
- Les coûts d'installation des capteurs solaires sont plus faibles car ils ont été déposés directement sur la toiture du bâtiment, sans structure de support.
- La grande sensibilité des alevins de saumon à la température de l'eau nécessite qu'un assemblage précis et dispendieux de la valve de mélange thermostatée soit fait.
- Une approche assez conservatrice est utilisé pour estimer les coûts du propane en prenant la moyenne des coûts courants et de l'année précédente, ce qui donne une valeur de 0, 35 $/litre.
- Les équipements solaires sont exemptés de la taxe de vente de 7 % en Colombie-Britannique.
Projet réel
Résultats
En 1996, Ressources naturelles Canada et Pêches et océans Canada ont conjointement appuyé un projet d'évaluation du chauffage solaire de l'eau en pisciculture. Deux sites ont été retenus, l'un à Guelph, en Ontario, l'autre sur l'île de Vancouver à Fanny Bay en Colombie-Britannique. L'objectif était de démontrer, en conditions réelles, quelles étaient les performances et la facilité d'utilisation du chauffage solaire de l'eau en pisciculture.
Un système complet de suivi des performances a été installé et les résultats ont montré que les coûts élevés de chauffage de l'eau avaient été réduits de manière importante, réduisant par la même occasion les émissions de gaz à effet de serre de ces sites.
Description du système
En août 1997, la société Taylor Munro Energy Systems a installé un système solaire de 266 m² (2 880 pi²) à la ferme productrice d'alevins de saumon de Rosewall Creek à Fanny Bay, en Colombie-Britannique. L'eau d'alimentation des bassins d'élevage circule directement dans les capteurs solaires montés sur le toit du bâtiment. L'eau réchauffée est stockée dans deux réservoirs isolés, ce qui permet d'en garder pour la nuit. Le système solaire a été conçu pour élever la température de l'eau de puits de 7 °C, jusqu'à 14,5 °C, mais, si désiré, celui-ci peut monter la température de l'eau jusqu'à 18 °C. Une valve de mélange thermostatée assure que les alevins ne soient pas soumis à des variations de température.
Le système solaire a permis de réduire la consommation de la chaudière d'environ 25 % et se remboursera par lui-même par l'énergie économisée en 6 ans. Les capteurs solaires non vitrés en plastique noir protégé contre les UV auront une durée de vie de 20 ans. Ce système compte soixante capteurs non vitrés de la compagnie FAFCO et mesurent chacun 1,2 m x 3,7 m et ont été installés sur le versant sud du toit du bâtiment qui a une faible pente.
Leçons à tirer
- Par sa conception à faible débit, on a pu réduire le débit à pomper, le diamètre des tuyaux, le coût des pompes et la consommation annuelle d'électricité, rendant ainsi le système moins cher et plus rentable.
- En utilisant la toiture existante du bâtiment, les coûts d'une structure dédiée aux capteurs solaires sont éliminés, réduisant ainsi notablement le coût total du projet.
- Des réservoirs en PVC sont suffisants pour stocker de l'eau non pressurisée et coûtent beaucoup moins cher que ceux utilisant n'importe quel autre matériau.
Aperçu général
La production d'eau chaude à basse température est l'application du chauffage solaire offrant le plus grand potentiel de rentabilité car des capteurs bon marché, sans vitrage, peuvent être utilisés avec de bons rendements. Les marchés du secteur commercial et de l'agriculture qui utilisent de grands volumes d'eau chaude et qui ne sont pas raccordés au réseau de gaz naturel sont les plus intéressants. Dans certains cas, les utilisateurs peuvent éviter d'avoir à investir dans les coûts de l'installation solaire en achetant plutôt l'énergie fournie d'une société de service énergétique qui installe, à ses frais, l'équipement solaire.
Photo
Exploitation piscicole - Chauffe-eau solaire, Colombie-Britannique, Canada
Références
- Enermodal Engineering Ltd., Solar Water Heating at Rosewall Creek Salmon Hatchery, octobre 1997.
- Thwaites, Joe, « Communications personnelles », Taylor Munroe Energy Systems, Inc., 2000.
