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Production de chaleur - Système de chauffage solaire de l'air - Industriel / Canada
Mandat de l'étude de cas
Une importante société industrielle du secteur manufacturier vous mandate afin de réaliser une étude de pré-faisabilité pour son compte. Ce fabricant veut évaluer différentes mesures d'efficacité énergétique dans le cadre d'importantes rénovations de son usine. Le revêtement extérieur du bâtiment est complètement à refaire depuis de nombreuses années, l'isolation des murs est à renforcer et on voudrait améliorer la qualité de l'air intérieur en augmentant la capacité de ventilation.
Plutôt que d'ajouter des unités conventionnelles de ventilation et de remettre un revêtement de façade ordinaire, on envisage l'installation d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA). En effet, des installations semblables auraient généré d'importantes économies d'énergie dans des bâtiments industriels du même genre.
Données techniques
L'usine est située à Montréal, dans la province de Québec au Canada. Pour des raisons d'esthétique, le client demande une couleur de capteur solaire gris foncé, avec un fronton blanc. Deux façades se prêtent bien à l'installation d'un mur solaire, l'une est située à 45º sud-est, l'autre à 45º sud-ouest. La surface totale disponible sur ces deux murs est de 8 826 m² répartie également entre les deux orientations. Pendant la saison de chauffage, des obstacles créent de l'ombre sur environ 10 % des murs exposés au sud.
Le système de CSA sera de très grande dimension avec plusieurs ventilateurs et gaines de distribution d'air. La surface totale des ateliers de production et d'assemblage à ventiler est de 116 000 m², ce qui exige une capacité de ventilation de 1 000 000 m³/h. L'usine tourne 24 heures par jour, 365 jours par année et on veut obtenir le maximum d'économies d'énergie. On considère que les ventilateurs d'amenée d'air neuf du système de CSA ne demanderont pas plus d'énergie électrique que ceux qui seraient utilisés dans des unités en toiture. Le bâtiment industriel est chauffé de la mi-septembre à la mi-mai et le système de référence fonctionne au gaz naturel avec un rendement saisonnier de 75 %.
À cause du type d'outillage utilisé, les gains internes dans le bâtiment sont élevés et les besoins de ventilation exigent un air plus frais que normalement. On estime que la température de distribution d'air devrait être de 15 ºC et que des températures supérieures à 20 ºC créeraient des surchauffes indésirables. Le plafond du bâtiment a une hauteur de 12 m, ce qui sera un défi pour l'installation des gaines de distribution. Cependant et fait surprenant, on a mesuré une stratification des températures de seulement 1 ºC entre le niveau du sol et celui du plafond. Les murs ont une résistance thermique RSI d'environ 1,0 (m²-ºC)/)/W, alors que celle du toit est de 1,5 (m²-ºC)/)/W.
Données financières
Les données financières pour l'analyse sont fournies par le client : taux d'imposition sur le revenu de 42,6 %, taux d'inflation de 1,5 %, taux d'indexation du coût en combustible de 3 %, ratio d'endettement de 25 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 8 %, durée de l'emprunt de 5 ans et durée de vie des installations de 20 ans. Le prix du gaz naturel est considéré autour de 0,20 $/m³. Comme la société avait prévu, de toutes façons, de faire d'importantes rénovations sur son bâtiment, il n'y a pas à prendre en compte de frais pour obtenir des permis, du financement ou des approbations. Les installations pourront être amorties à un taux dégressif accéléré de 30 % par année.
Comme des rénovations devaient être effectuées sur le bâtiment, certains crédits peuvent être appliqués au projet. Ainsi, on peut déduire des coûts d'investissement, le revêtement de façade qu'il aurait fallu installer. On peut considérer que le coût du capteur solaire une fois installé, est environ 65 % plus élevé que le revêtement conventionnel qu'il remplace. En revanche, la configuration des conduits de ventilation utilisés amènera une baisse des coûts de 5 % par rapport à des ventilateurs et conduits conventionnels. Les coûts de développement seront minimes.
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 1994, Canadair a demandé à Ressources naturelles Canada et à Enermodal Engineering Limited de préparer une étude de faisabilité sur l'implantation d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA) à leur atelier d'usinage et d'assemblage de pièces d'avion de Montréal, dans la province de Québec au Canada. Le revêtement extérieur du bâtiment était complètement à refaire depuis de nombreuses années, l'isolation des murs avait aussi besoin d'être augmentée et on voulait améliorer la qualité de l'air intérieur en augmentant la capacité de ventilation. L'objectif de l'étude de faisabilité était d'établir la viabilité financière du système de CSA en comparaison aux plans initiaux prévus pour les travaux.
Cette étude préliminaire a montré qu'un système de CSA serait rentable pour assurer les besoins de ventilation des ateliers de production et d'assemblage de Canadair d'une surface totale de 116 000 m². L'étude donnait un temps de retour simple sur l'investissement de 1,7 an. C'est pourquoi Canadair a décidé de procéder à l'installation du système de CSA au lieu d'un revêtement conventionnel et d'unités de ventilation en toiture. La décision a aussi été facilitée par les économies générées par cette technologie pour d'autres sites industriels.
Description du système
Plusieurs aspects rendent l'installation de l'usine Canadair unique en son genre :
Leçons à tirer
Aperçu général
Le système de l'usine de Canadair est le plus grand système solaire de chauffage de l'air à avoir jamais été installé. Ce projet a permis de montrer que l'énergie solaire permet de générer d'importantes quantités d'énergie en milieu industriel, et ce avec une rentabilité financière intéressante pour des clients de l'industrie.
Photo
Système de chauffage solaire de l'air de l'usine Canadair à Montréal, Québec, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Une importante société industrielle du secteur manufacturier vous mandate afin de réaliser une étude de pré-faisabilité pour son compte. Ce fabricant veut évaluer différentes mesures d'efficacité énergétique dans le cadre d'importantes rénovations de son usine. Le revêtement extérieur du bâtiment est complètement à refaire depuis de nombreuses années, l'isolation des murs est à renforcer et on voudrait améliorer la qualité de l'air intérieur en augmentant la capacité de ventilation.
Plutôt que d'ajouter des unités conventionnelles de ventilation et de remettre un revêtement de façade ordinaire, on envisage l'installation d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA). En effet, des installations semblables auraient généré d'importantes économies d'énergie dans des bâtiments industriels du même genre.
Données techniques
L'usine est située à Montréal, dans la province de Québec au Canada. Pour des raisons d'esthétique, le client demande une couleur de capteur solaire gris foncé, avec un fronton blanc. Deux façades se prêtent bien à l'installation d'un mur solaire, l'une est située à 45º sud-est, l'autre à 45º sud-ouest. La surface totale disponible sur ces deux murs est de 8 826 m² répartie également entre les deux orientations. Pendant la saison de chauffage, des obstacles créent de l'ombre sur environ 10 % des murs exposés au sud.
Le système de CSA sera de très grande dimension avec plusieurs ventilateurs et gaines de distribution d'air. La surface totale des ateliers de production et d'assemblage à ventiler est de 116 000 m², ce qui exige une capacité de ventilation de 1 000 000 m³/h. L'usine tourne 24 heures par jour, 365 jours par année et on veut obtenir le maximum d'économies d'énergie. On considère que les ventilateurs d'amenée d'air neuf du système de CSA ne demanderont pas plus d'énergie électrique que ceux qui seraient utilisés dans des unités en toiture. Le bâtiment industriel est chauffé de la mi-septembre à la mi-mai et le système de référence fonctionne au gaz naturel avec un rendement saisonnier de 75 %.
À cause du type d'outillage utilisé, les gains internes dans le bâtiment sont élevés et les besoins de ventilation exigent un air plus frais que normalement. On estime que la température de distribution d'air devrait être de 15 ºC et que des températures supérieures à 20 ºC créeraient des surchauffes indésirables. Le plafond du bâtiment a une hauteur de 12 m, ce qui sera un défi pour l'installation des gaines de distribution. Cependant et fait surprenant, on a mesuré une stratification des températures de seulement 1 ºC entre le niveau du sol et celui du plafond. Les murs ont une résistance thermique RSI d'environ 1,0 (m²-ºC)/)/W, alors que celle du toit est de 1,5 (m²-ºC)/)/W.
Données financières
Les données financières pour l'analyse sont fournies par le client : taux d'imposition sur le revenu de 42,6 %, taux d'inflation de 1,5 %, taux d'indexation du coût en combustible de 3 %, ratio d'endettement de 25 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 8 %, durée de l'emprunt de 5 ans et durée de vie des installations de 20 ans. Le prix du gaz naturel est considéré autour de 0,20 $/m³. Comme la société avait prévu, de toutes façons, de faire d'importantes rénovations sur son bâtiment, il n'y a pas à prendre en compte de frais pour obtenir des permis, du financement ou des approbations. Les installations pourront être amorties à un taux dégressif accéléré de 30 % par année.
Comme des rénovations devaient être effectuées sur le bâtiment, certains crédits peuvent être appliqués au projet. Ainsi, on peut déduire des coûts d'investissement, le revêtement de façade qu'il aurait fallu installer. On peut considérer que le coût du capteur solaire une fois installé, est environ 65 % plus élevé que le revêtement conventionnel qu'il remplace. En revanche, la configuration des conduits de ventilation utilisés amènera une baisse des coûts de 5 % par rapport à des ventilateurs et conduits conventionnels. Les coûts de développement seront minimes.
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 coûts de main-d'œuvre pour les ventilateurs et les conduits d'air sont élevés à cause des défis posés par leur installation sur ce site de grande hauteur.
- Si le capteur solaire est installé sur deux façades ou plus avec différentes orientations, on utilisera une valeur moyenne des différentes orientations (par rapport à l'azimut). Puisque le modèle ne prend pas en compte la différence entre une direction est ou ouest, le signe de l'angle d'azimut de chaque façade sera tout simplement ignoré pour le calcul de cette moyenne.
Projet réel
Résultats
En 1994, Canadair a demandé à Ressources naturelles Canada et à Enermodal Engineering Limited de préparer une étude de faisabilité sur l'implantation d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA) à leur atelier d'usinage et d'assemblage de pièces d'avion de Montréal, dans la province de Québec au Canada. Le revêtement extérieur du bâtiment était complètement à refaire depuis de nombreuses années, l'isolation des murs avait aussi besoin d'être augmentée et on voulait améliorer la qualité de l'air intérieur en augmentant la capacité de ventilation. L'objectif de l'étude de faisabilité était d'établir la viabilité financière du système de CSA en comparaison aux plans initiaux prévus pour les travaux.
Cette étude préliminaire a montré qu'un système de CSA serait rentable pour assurer les besoins de ventilation des ateliers de production et d'assemblage de Canadair d'une surface totale de 116 000 m². L'étude donnait un temps de retour simple sur l'investissement de 1,7 an. C'est pourquoi Canadair a décidé de procéder à l'installation du système de CSA au lieu d'un revêtement conventionnel et d'unités de ventilation en toiture. La décision a aussi été facilitée par les économies générées par cette technologie pour d'autres sites industriels.
Description du système
Plusieurs aspects rendent l'installation de l'usine Canadair unique en son genre :
- La conception du système de CSA intègre des pratiques qui relèvent à la fois du secteur industriel et du secteur commercial. La moitié de la capacité de ventilation est assurée comme si le système de CSA était de type industriel, c'est-à-dire que des ventilateurs d'air sont combinés à des registres qui font varier le ratio d'air neuf réchauffé à l'énergie solaire et d'air repris au niveau du plafond, de manière à réguler la température. L'autre moitié du système fonctionne comme si le système de CSA était de type commercial, c'est-à-dire que des unités de chauffage d'air au gaz naturel s'ajoutent à l'énergie solaire pour assurer, lorsque nécessaire, la température désirée d'air neuf.
- L'installation utilise des ventilateurs centrifuges construits sur mesure et intégrant des filtres à air, plutôt que des ventilateurs à débit axial, plus communs.
- Le capteur solaire est réparti sur deux façades qui sont orientées par rapport au sud, l'une de 40º vers l'est, l'autre de 50º vers l'ouest.
- Les extracteurs d'air en toiture sont commandés par des thermostats situés au niveau du plafond. Cela permet de réduire les pertes thermiques du bâtiment et de générer des économies par déstratification.
- Enfin, le capteur solaire est de couleur gris ardoise plutôt que noir et l'auvent collecteur d'air est blanc plutôt que d'une couleur sombre. Cet auvent ne fait pas partie du capteur solaire mais permet d'assurer une bonne répartition du débit d'air sur toute la largeur du mur. Dans ce projet, il est aussi utilisé comme un élément architectural intéressant.
Leçons à tirer
- Utiliser deux façades d'un bâtiment permet d'augmenter la surface disponible pour l'installation de capteurs solaires.
- La couleur plus claire du capteur solaire n'a pas eu un impact significatif sur ses performances.
- L'utilisation de ventilateurs à haute efficacité permet d'éviter d'augmenter la consommation d'électricité pour extraire l'air du capteur solaire à un débit comparable à celui de simples unités de toit.
Aperçu général
Le système de l'usine de Canadair est le plus grand système solaire de chauffage de l'air à avoir jamais été installé. Ce projet a permis de montrer que l'énergie solaire permet de générer d'importantes quantités d'énergie en milieu industriel, et ce avec une rentabilité financière intéressante pour des clients de l'industrie.
Photo
Système de chauffage solaire de l'air de l'usine Canadair à Montréal, Québec, Canada
Références
- Carpenter, Stephen, « Communications personnelles », Enermodal Engi-neering Ltd., 2000.
- Kokko, John, « Comunications personnelles », Enermodal Engineering Ltd., 2000.
- Ressources Naturelles Canada, Performance Assessment of the World's Largest Solarwall, septembre 1997.
