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Production de chaleur - Système de chauffage solaire de l'air - Institutionnel / Canada (Cold Lake Airport)
Mandat de l'étude de cas
Une base militaire canadienne située au nord d'Edmonton, en Alberta, envisage d'utiliser des sources renouvelables d'énergie pour réduire sa consommation de gaz naturel. L'équipe d'ingénierie de la base vous demande d'évaluer la faisabilité d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA) destiné à réduire la demande de chauffage de l'air de ventilation dans la station d'épuration des eaux usées existante.
Données techniques
La base militaire est située près de la ville de Cold Lake dans la province de l'Alberta, à environ 280 km au nord-est d'Edmonton. La station d'épuration des eaux usées date de 10 ans. Un système de chauffage au gaz naturel, installé en toiture, en assure tous les besoins de chauffage. Le rendement saisonnier de ce système est de 75 %. La température maximale de l'air chaud souhaitée est de 30 °C. La superficie du bâtiment est d'environ 320 m². Le bâtiment est isolé, avec des murs ayant une résistance thermique RSI de 2,6, alors que celle du toit est égale à 2,1. La façade sud du bâtiment, qui a une surface d'environ 240 m², est propice à l'installation de capteurs solaires, car elle n'est jamais à l'ombre. La base militaire préfère utiliser la couleur noire afin d'optimiser les performances solaires. Pour les besoins de cette analyse, on assumera qu'il s'agit d'un bâtiment commercial.
La station d'épuration a besoin de taux élevés de renouvellement d'air afin de maintenir une qualité satisfaisante de l'air intérieur. D'après l'expérience acquise en exploitant ce bâtiment, l'air de ventilation doit être chauffé de la mi-septembre à la mi-mai. Le débit d'air neuf normalement utilisé est de 17 000 m³/h et il doit être fourni 24 heures par jour, 7 jours par semaine. Les calculs de conception ont permis d'établir que l'effet de cheminée dans le mur solaire sera suffisant pour compenser les pertes de charge d'aspiration de l'air à travers le mur solaire vers la prise d'air existante. Ainsi, aucun ventilateur additionnel (ou un de plus forte puissance) ne sera nécessaire.
Données financières
Actuellement, la base militaire a le choix d'acheter le système solaire ou de bénéficier de son installation dans le cadre d'un contrat de service éconergétique. On vous demande d'analyser l'option de l'acquisition directe de ce système. Dans ce cas, le ministère de la Défense nationale assumerait la totalité des coûts du système.
Le système de CSA devrait coûter environ 110 $/m² (installation non comprise). La durée de vie prévue est de 30 ans avec des coûts annuels d'entretien de 400 $.
Le coût du gaz naturel utilisé par la base est d'environ 0,25 $/m³. Le taux d'indexation de l'énergie est difficile à déterminer, mais on prévoit une valeur moyenne annuelle de 4,5 %. Le taux d'inflation sera fixé à 2,5 % par an et le taux d'actualisation utilisé pour l'étude sera de 9 %.
Le projet est admissible à une subvention d'un programme d'encouragement du gouvernement fédéral. Le programme peut financer 25 % des coûts d'acquisition et d'installation, jusqu'à concurrence de 80 000 $, des systèmes qui se qualifient.
Préparer une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirer 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
Résultats
Une base militaire canadienne située près de Cold Lake en Alberta (à environ 280 km au nord-est d'Edmonton) a récemment implanté plusieurs mesures d'efficacité énergétique afin de réduire ses coûts énergétiques. Un système de chauffage solaire de l'air (CSA) a été installé dans le cadre de ces mesures afin de réduire la consommation de gaz naturel pour le chauffage d'une station d'épuration des eaux usées de la base. La station a été construite il y a dix ans et a besoin de ventilation 24 heures par jour, 7 jours par semaine, afin de maintenir une qualité d'air acceptable dans le bâtiment. On considère que le système de CSA sera sollicité entre 7 à 8 mois par an dans le climat du nord de l'Alberta.
C'est le premier système de CSA installé sur la base de Cold Lake et c'est également le premier système adopté par le ministère de la Défense nationale. Avec l'assistance de Ressources naturelles Canada dans le cadre de l'Initiative des Bâtiments Fédéraux (IBF), la base militaire a accepté un contrat de performance éconergétique qui lui a été présenté par une société spécialisée dans ce type de financement de plans de mesures d'efficacité énergétique. Le système a été installé en juillet 2002 et opère depuis de manière satisfaisante.
Description du système
Le système de CSA préchauffe l'air extérieur utilisé pour ventiler la station d'épuration des eaux usées. Cela permet de réduire la charge de chauffage assurée habituellement par un système au gaz naturel installé en toiture. Le système de CSA a été installé sur la façade sud du bâtiment. L'air extérieur préchauffé passe à travers le capteur et est collecté pour être aspiré dans une gaine au niveau du toit. Ce conduit collecteur alimente en air préchauffé le système existant de ventilation dans lequel l'air peut être élevé à une température supérieure (si nécessaire) avant d'être injecté dans le bâtiment par les conduits existants de distribution d'air. Des registres d'ajustement des débits d'air ont été inclus lors de la conception du système afin de pouvoir régler la température de l'air pendant les périodes les plus chaudes. Pendant les mois d'été, lorsque l'air extérieur n'a pas besoin d'être chauffé, le système solaire est délaissé et on aspire l'air directement de l'extérieur.
La surface totale de capteur solaire est de 140 m² et couvre environ 60 % de la façade sud du bâtiment. Le débit nominal d'air de conception de ce système est de 17 000 m³/h.
Leçons à tirer
Ce projet de chauffage solaire de l'air a permis de démontrer qu'une source d'énergie renouvelable peut être très rentable en plus des avantages qu'elle représente au plan environnemental. L'application en climat froid de systèmes de CSA est d'autant plus avantageuse si le bâtiment bénéficie d'un bon ensoleillement et qu'il exige de grands volumes d'air de ventilation.
Photo
Station d'épuration des eaux usées - Système de chauffage solaire de l'air, Alberta, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Une base militaire canadienne située au nord d'Edmonton, en Alberta, envisage d'utiliser des sources renouvelables d'énergie pour réduire sa consommation de gaz naturel. L'équipe d'ingénierie de la base vous demande d'évaluer la faisabilité d'un système de chauffage solaire de l'air (CSA) destiné à réduire la demande de chauffage de l'air de ventilation dans la station d'épuration des eaux usées existante.
Données techniques
La base militaire est située près de la ville de Cold Lake dans la province de l'Alberta, à environ 280 km au nord-est d'Edmonton. La station d'épuration des eaux usées date de 10 ans. Un système de chauffage au gaz naturel, installé en toiture, en assure tous les besoins de chauffage. Le rendement saisonnier de ce système est de 75 %. La température maximale de l'air chaud souhaitée est de 30 °C. La superficie du bâtiment est d'environ 320 m². Le bâtiment est isolé, avec des murs ayant une résistance thermique RSI de 2,6, alors que celle du toit est égale à 2,1. La façade sud du bâtiment, qui a une surface d'environ 240 m², est propice à l'installation de capteurs solaires, car elle n'est jamais à l'ombre. La base militaire préfère utiliser la couleur noire afin d'optimiser les performances solaires. Pour les besoins de cette analyse, on assumera qu'il s'agit d'un bâtiment commercial.
La station d'épuration a besoin de taux élevés de renouvellement d'air afin de maintenir une qualité satisfaisante de l'air intérieur. D'après l'expérience acquise en exploitant ce bâtiment, l'air de ventilation doit être chauffé de la mi-septembre à la mi-mai. Le débit d'air neuf normalement utilisé est de 17 000 m³/h et il doit être fourni 24 heures par jour, 7 jours par semaine. Les calculs de conception ont permis d'établir que l'effet de cheminée dans le mur solaire sera suffisant pour compenser les pertes de charge d'aspiration de l'air à travers le mur solaire vers la prise d'air existante. Ainsi, aucun ventilateur additionnel (ou un de plus forte puissance) ne sera nécessaire.
Données financières
Actuellement, la base militaire a le choix d'acheter le système solaire ou de bénéficier de son installation dans le cadre d'un contrat de service éconergétique. On vous demande d'analyser l'option de l'acquisition directe de ce système. Dans ce cas, le ministère de la Défense nationale assumerait la totalité des coûts du système.
Le système de CSA devrait coûter environ 110 $/m² (installation non comprise). La durée de vie prévue est de 30 ans avec des coûts annuels d'entretien de 400 $.
Le coût du gaz naturel utilisé par la base est d'environ 0,25 $/m³. Le taux d'indexation de l'énergie est difficile à déterminer, mais on prévoit une valeur moyenne annuelle de 4,5 %. Le taux d'inflation sera fixé à 2,5 % par an et le taux d'actualisation utilisé pour l'étude sera de 9 %.
Le projet est admissible à une subvention d'un programme d'encouragement du gouvernement fédéral. Le programme peut financer 25 % des coûts d'acquisition et d'installation, jusqu'à concurrence de 80 000 $, des systèmes qui se qualifient.
Préparer une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirer 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
- Le type de bâtiment a été défini comme « commercial » plutôt qu' « industriel », et ce pour deux raisons : a) Il ne faut pas tenir compte dans les calculs des économies obtenues par « déstratification en température » parce que le système de chauffage solaire de l'air (CSA) consiste en un capteur qui est ajouté à un système de ventilation existant et il n'y a pas d'économies additionnelles à prendre en compte; b) La station d'épuration des eaux usées demande un débit constant d'air extérieur. Or, pour le type de bâtiment industriel, le débit nominal d'air implique un mélange d'air neuf et d'air recirculé dont les proportions varient avec la température d'air neuf fournie par le système de CSA.
- L'objectif de conception retenu pour le dimensionnement des capteurs solaires est du type « standard », car l'intention du concepteur est de réaliser le meilleur compromis entre le maximum d'énergie renouvelable captée et un rendement optimal pour le capteur.
- La vitesse du vent frappant le capteur solaire a une influence significative sur l'estimation de l'énergie fournie par le système de chauffage solaire de l'air. Des obstacles tels que d'autres bâtiments, des arbres et des clôtures vont typiquement atténuer, mais dans certains cas intensifier, la vitesse du vent frappant le capteur solaire. Dans ce cas, on estime un coefficient d'atténuation du vent de 0.70 (ceci a été fait en en multipliant chacune des valeurs de vitesse du vent par 0.70 dans la section des données climatiques de la feuille de travail Démarrer).
- Aucune puissance additionnelle n'est à envisager pour le ventilateur, car on considère que l'effet cheminée est suffisant pour compenser les pertes de charge du capteur solaire et des conduits additionnels.
- Un coût relativement faible de 500 $ a été attribué à l'étude de faisabilité, car l'analyse RETScreen devrait être suffisante pour déterminer la faisabilité de ce projet et peut être réalisée rapidement. De plus, une étude complète de faisabilité s'avère inutile puisque le préchauffage de l'air de ventilation par les murs solaires est aujourd'hui une technologie bien connue sur le plan technique et économique.
- Des coûts assez élevés de transport de l'ordre de 2 000 $ ont été pris en compte pour la livraison des équipements sur ce site éloigné.
- Aucun crédit n'a été accordé pour les matériaux de façade : le bâtiment ayant moins de 10 ans , ils sont encore en bon état.
- Les coûts pour les ventilateurs et les conduits sont relativement faibles, puisque seul un système de raccordement au système de ventilation existant (pas de ventilateurs additionnels) a été nécessaire.
- Aucun crédit n'est prévu pour installer des ventilateurs et des conduits, car aucune modification à l'installation existante n'a été apportée dans le scénario de référence.
- Il n'est pas nécessaire de définir le « réseau électrique de référence » pour l'analyse des gaz à effet de serre, puisque le combustible du système de chauffage de référence est le gaz naturel (et non l'électricité) et que le fait de ne pas rajouter de ventilateur supplémentaire implique qu'il n'y aura aucun besoin supplémentaire en électricité pour le système de CSA.
Résultats
Une base militaire canadienne située près de Cold Lake en Alberta (à environ 280 km au nord-est d'Edmonton) a récemment implanté plusieurs mesures d'efficacité énergétique afin de réduire ses coûts énergétiques. Un système de chauffage solaire de l'air (CSA) a été installé dans le cadre de ces mesures afin de réduire la consommation de gaz naturel pour le chauffage d'une station d'épuration des eaux usées de la base. La station a été construite il y a dix ans et a besoin de ventilation 24 heures par jour, 7 jours par semaine, afin de maintenir une qualité d'air acceptable dans le bâtiment. On considère que le système de CSA sera sollicité entre 7 à 8 mois par an dans le climat du nord de l'Alberta.
C'est le premier système de CSA installé sur la base de Cold Lake et c'est également le premier système adopté par le ministère de la Défense nationale. Avec l'assistance de Ressources naturelles Canada dans le cadre de l'Initiative des Bâtiments Fédéraux (IBF), la base militaire a accepté un contrat de performance éconergétique qui lui a été présenté par une société spécialisée dans ce type de financement de plans de mesures d'efficacité énergétique. Le système a été installé en juillet 2002 et opère depuis de manière satisfaisante.
Description du système
Le système de CSA préchauffe l'air extérieur utilisé pour ventiler la station d'épuration des eaux usées. Cela permet de réduire la charge de chauffage assurée habituellement par un système au gaz naturel installé en toiture. Le système de CSA a été installé sur la façade sud du bâtiment. L'air extérieur préchauffé passe à travers le capteur et est collecté pour être aspiré dans une gaine au niveau du toit. Ce conduit collecteur alimente en air préchauffé le système existant de ventilation dans lequel l'air peut être élevé à une température supérieure (si nécessaire) avant d'être injecté dans le bâtiment par les conduits existants de distribution d'air. Des registres d'ajustement des débits d'air ont été inclus lors de la conception du système afin de pouvoir régler la température de l'air pendant les périodes les plus chaudes. Pendant les mois d'été, lorsque l'air extérieur n'a pas besoin d'être chauffé, le système solaire est délaissé et on aspire l'air directement de l'extérieur.
La surface totale de capteur solaire est de 140 m² et couvre environ 60 % de la façade sud du bâtiment. Le débit nominal d'air de conception de ce système est de 17 000 m³/h.
Leçons à tirer
- C'est le premier système de CSA commandé par le ministère de la Défense nationale.
- Ce système fonctionne de manière fiable depuis qu'il a été installé.
- L'installation d'un système de CSA pour une station d'épuration des eaux usées est particulièrement intéressante, car ce genre de bâtiment exige un taux élevé de renouvellement d'air afin de maintenir un air intérieur de qualité.
- L'emplacement du site au nord occasionne une forte demande de chauffage de l'air de ventilation, ce qui justifie d'autant plus le système de CSA
Ce projet de chauffage solaire de l'air a permis de démontrer qu'une source d'énergie renouvelable peut être très rentable en plus des avantages qu'elle représente au plan environnemental. L'application en climat froid de systèmes de CSA est d'autant plus avantageuse si le bâtiment bénéficie d'un bon ensoleillement et qu'il exige de grands volumes d'air de ventilation.
Photo
Station d'épuration des eaux usées - Système de chauffage solaire de l'air, Alberta, Canada
Références
- Jones, Rowland, « Communications personnelles », Conserval Engineering Inc., 2002.
- Northcott, Rod, « Communications personnelles », 4 Wing Military Base, Ministère de la Défense nationale, 2002.
- Pelton, Michael, « Communications personnelles », Enermodal Engineering Ltd., 2002.
