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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - Bureaux-Entrepôt / Canada
Mandat de l'étude de cas
La compagnie locale d'électricité fait face à une compétition agressive de la part des fournisseurs locaux de gaz et de diesel (mazout #2). Ainsi, ses parts de marché diminuent dans le secteur du chauffage des locaux commerciaux de tailles moyennes et grandes. Vous faites partie de la direction des programmes et de la planification commerciale et voulez que cette tendance se renverse. Vous cherchez donc à proposer à vos clients des techniques de chauffage électrique qui puissent tenir la compétition. Les pompes à chaleur géothermique (PCG) apparaissent comme une solution prometteuse, mais cette technologie n'est pas connue dans votre région. Un projet concret qui démontrerait à l'échelle locale l'intérêt et la fiabilité de cette technologie, vous aiderait à faire en sorte que les clients de ce secteur de marché envisagent cette utilisation rationnelle de l'électricité.
Vous décidez de réaliser un projet de démonstration pour promouvoir les systèmes de pompe à chaleur géothermique. Votre compagnie prévoit construire un nouveau bâtiment comprenant à la fois des bureaux et un entrepôt. Vous désirez évaluer la faisabilité d'implantation d'une pompe à chaleur géothermique pour le chauffage et la climatisation de ce bâtiment, plus spécifiquement une pompe à chaleur de performance standard qui utiliserait l'eau souterraine. Une technique qui semblerait bien adaptée aux grands édifices. Avant la réalisation, vous décidez de comparer cette option par rapport à un système tout électrique conventionnel, c'est-à-dire des gaines d'air à débit variable avec éléments électriques et climatiseur standard.
Données techniques
Le nouveau bâtiment sera construit au nord-est de Moncton, Nouveau-Brunswick, Canada. La station météorologique la plus proche est celle de Chatham au Nouveau-Brunswick. La température moyenne annuelle du sol en surface est de 7,8 °C avec une amplitude annuelle de 10 °C. Le sol est de roche friable et ne pose pas de problème spécial pour le forage. D'après les puits connus dans la région, on sait que l'on peut obtenir un débit continu de 15 litre/s à une profondeur de 40 à 50 m. Il y a également suffisamment de terrain disponible pour installer le système de pompe à chaleur géothermique.
La partie du bâtiment comprenant les bureaux totalisera 745 m², alors que l'entrepôt aura une superficie de 785 m² de plein pied. En été, le bâtiment sera climatisé dans son ensemble. Il sera bien isolé et aura une surface moyenne de fenêtres pour sa taille.
Données financières
Les principaux paramètres financiers utiles à votre analyse seront les mêmes que ceux utilisés à l'intérieur de votre compagnie d'électricité qui ne paie pas d'impôts sur les revenus, étant une compagnie gouvernementale : 65 % des coûts du projet seront empruntés à un taux d'intérêts sur la dette de 8 % avec une durée de l'emprunt de 10 ans. Un taux d'actualisation de 9 %, un taux d'inflation de 2,5 % et un taux d'indexation des combustibles de 2,5 %. La durée de vie du système de pompe à chaleur utilisant l'eau souterraine est estimée à 20 ans.
Le prix de détail de l'électricité est de 0,065 $/kWh plus 8,50 $/mois par kW de puissance appelée. Le système conventionnel de référence est à débit variable d'air. Son coût, sans les contrôles, a été estimé à 92 825 $ incluant des unités de toitures à chauffage électrique, les systèmes de diffusion d'air à débit variable et un système de chauffage périmétrique. Les frais d'entretien devraient être les mêmes avec les deux options. Le système de gaines de distribution d'air à l'intérieur du bâtiment coûtera environ 55 000 $.
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
Au début des années 90, la société provinciale d'électricité du Nouveau-Brunswick, New Brunswick Power, a décidé de faire la promotion des systèmes géothermiques. L'objectif désiré était de développer un savoir-faire à l'échelle provinciale dans la conception, l'installation et la maintenance de tels systèmes. Pour poursuivre cet objectif, une série de projets de démonstration a été lancée à travers la province, donnant l'occasion à des entrepreneurs de se familiariser en conditions réelles avec cette technologie. Lorsque la construction d'un nouveau centre administratif a été décidée à Tracadie, il a été équipé d'un système de démonstration à eau souterraine en boucle ouverte, aux fins de projet de démonstration.
Le nouveau bâtiment comprend un seul étage de 1 530 m² dont 745 m² de bureaux, le reste étant un entrepôt. Il fut complété en janvier 1990.
Le coût du système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) incluant un système de gestion de l'énergie, a été estimé à 167 000 $. Le système géothermique (la boucle à eau souterraine) a coûté 14 000 $. Un système conventionnel avec des unités de climatisation en toiture, un chauffage périmétrique par plinthes électriques et un système de distibution d'air à débit variable aurait probablement coûté 119 000 $. La réduction des frais annuels d'exploitation du bâtiment a été estimée à 7 000 $, soit un temps de retour simple sur investissement de 7 ans.
Description du système
Un système géothermique à boucle ouverte puise l'eau à une profondeur de 46 m, à partir d'un puits d'alimentation de 15 cm de diamètre. Un puits de réinjection équivalent permet de rejeter l'eau dans la nappe aquifère. Un débit de circulation d'eau de 2,5 litre/s est assuré par une pompe de 1,5 kW.
Ces 9 pompes à chaleur ont des puissances frigorifiques entre 3,5 et 17,6 kW, pour une capacité totale de 77,4 kW. Un ventilateur récupérateur de chaleur permet de préchauffer l'air neuf de ventilation qui est ensuite réchauffé au besoin par des résistances électriques.
Leçons à tirer
Aperçu général
Avec un temps de retour simple sur investissement de 7 ans, ce système présente de l'intérêt pour le marché commercial et institutionnel. Généralement, au Canada, le secteur institutionnel accepte des périodes de retour simple sur l'investissement de 5 à 10 ans. Cependant, on exigera souvent moins de 5 ans dans le secteur commercial. Des stratégies doivent être déployées pour réduire au maximum les coûts des systèmes de pompes à chaleur géothermique afin de maximiser le retour sur investissement de ces systèmes. (Kavanaugh, 1997).
New Brunswick Power fait la promotion des systèmes à eaux souterraines toutes les fois que cette ressource est disponible en quantité suffisante. En effet, les systèmes à boucles ouvertes ont l'avantage de coûter moins cher et d'offrir des rendements supérieurs aux systèmes à boucles fermées enfouies dans le sol.
Mandat de l'étude de cas
La compagnie locale d'électricité fait face à une compétition agressive de la part des fournisseurs locaux de gaz et de diesel (mazout #2). Ainsi, ses parts de marché diminuent dans le secteur du chauffage des locaux commerciaux de tailles moyennes et grandes. Vous faites partie de la direction des programmes et de la planification commerciale et voulez que cette tendance se renverse. Vous cherchez donc à proposer à vos clients des techniques de chauffage électrique qui puissent tenir la compétition. Les pompes à chaleur géothermique (PCG) apparaissent comme une solution prometteuse, mais cette technologie n'est pas connue dans votre région. Un projet concret qui démontrerait à l'échelle locale l'intérêt et la fiabilité de cette technologie, vous aiderait à faire en sorte que les clients de ce secteur de marché envisagent cette utilisation rationnelle de l'électricité.
Vous décidez de réaliser un projet de démonstration pour promouvoir les systèmes de pompe à chaleur géothermique. Votre compagnie prévoit construire un nouveau bâtiment comprenant à la fois des bureaux et un entrepôt. Vous désirez évaluer la faisabilité d'implantation d'une pompe à chaleur géothermique pour le chauffage et la climatisation de ce bâtiment, plus spécifiquement une pompe à chaleur de performance standard qui utiliserait l'eau souterraine. Une technique qui semblerait bien adaptée aux grands édifices. Avant la réalisation, vous décidez de comparer cette option par rapport à un système tout électrique conventionnel, c'est-à-dire des gaines d'air à débit variable avec éléments électriques et climatiseur standard.
Données techniques
Le nouveau bâtiment sera construit au nord-est de Moncton, Nouveau-Brunswick, Canada. La station météorologique la plus proche est celle de Chatham au Nouveau-Brunswick. La température moyenne annuelle du sol en surface est de 7,8 °C avec une amplitude annuelle de 10 °C. Le sol est de roche friable et ne pose pas de problème spécial pour le forage. D'après les puits connus dans la région, on sait que l'on peut obtenir un débit continu de 15 litre/s à une profondeur de 40 à 50 m. Il y a également suffisamment de terrain disponible pour installer le système de pompe à chaleur géothermique.
La partie du bâtiment comprenant les bureaux totalisera 745 m², alors que l'entrepôt aura une superficie de 785 m² de plein pied. En été, le bâtiment sera climatisé dans son ensemble. Il sera bien isolé et aura une surface moyenne de fenêtres pour sa taille.
Données financières
Les principaux paramètres financiers utiles à votre analyse seront les mêmes que ceux utilisés à l'intérieur de votre compagnie d'électricité qui ne paie pas d'impôts sur les revenus, étant une compagnie gouvernementale : 65 % des coûts du projet seront empruntés à un taux d'intérêts sur la dette de 8 % avec une durée de l'emprunt de 10 ans. Un taux d'actualisation de 9 %, un taux d'inflation de 2,5 % et un taux d'indexation des combustibles de 2,5 %. La durée de vie du système de pompe à chaleur utilisant l'eau souterraine est estimée à 20 ans.
Le prix de détail de l'électricité est de 0,065 $/kWh plus 8,50 $/mois par kW de puissance appelée. Le système conventionnel de référence est à débit variable d'air. Son coût, sans les contrôles, a été estimé à 92 825 $ incluant des unités de toitures à chauffage électrique, les systèmes de diffusion d'air à débit variable et un système de chauffage périmétrique. Les frais d'entretien devraient être les mêmes avec les deux options. Le système de gaines de distribution d'air à l'intérieur du bâtiment coûtera environ 55 000 $.
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 d'étude de faisabilité, de développement et d'ingénierie du système conventionnel sont crédités dans la feuille de calcul « Analyse des coûts ».
- Les coûts du système de régulation et de contrôle ne sont pas inclus dans le système conventionnel, ni dans le système géothermique, car il est considéré qu'ils seront à peu près les mêmes dans les deux cas.
Projet réel
Résultats
Au début des années 90, la société provinciale d'électricité du Nouveau-Brunswick, New Brunswick Power, a décidé de faire la promotion des systèmes géothermiques. L'objectif désiré était de développer un savoir-faire à l'échelle provinciale dans la conception, l'installation et la maintenance de tels systèmes. Pour poursuivre cet objectif, une série de projets de démonstration a été lancée à travers la province, donnant l'occasion à des entrepreneurs de se familiariser en conditions réelles avec cette technologie. Lorsque la construction d'un nouveau centre administratif a été décidée à Tracadie, il a été équipé d'un système de démonstration à eau souterraine en boucle ouverte, aux fins de projet de démonstration.
Le nouveau bâtiment comprend un seul étage de 1 530 m² dont 745 m² de bureaux, le reste étant un entrepôt. Il fut complété en janvier 1990.
Le coût du système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) incluant un système de gestion de l'énergie, a été estimé à 167 000 $. Le système géothermique (la boucle à eau souterraine) a coûté 14 000 $. Un système conventionnel avec des unités de climatisation en toiture, un chauffage périmétrique par plinthes électriques et un système de distibution d'air à débit variable aurait probablement coûté 119 000 $. La réduction des frais annuels d'exploitation du bâtiment a été estimée à 7 000 $, soit un temps de retour simple sur investissement de 7 ans.
Description du système
Un système géothermique à boucle ouverte puise l'eau à une profondeur de 46 m, à partir d'un puits d'alimentation de 15 cm de diamètre. Un puits de réinjection équivalent permet de rejeter l'eau dans la nappe aquifère. Un débit de circulation d'eau de 2,5 litre/s est assuré par une pompe de 1,5 kW.
Ces 9 pompes à chaleur ont des puissances frigorifiques entre 3,5 et 17,6 kW, pour une capacité totale de 77,4 kW. Un ventilateur récupérateur de chaleur permet de préchauffer l'air neuf de ventilation qui est ensuite réchauffé au besoin par des résistances électriques.
Leçons à tirer
- Le circuit alimentant les pompes à chaleur utilisait d'abord de l'eau mais cela a occasionné l'endommagement de l'évaporateur d'une des pompes à chaleur à cause du gel. Du méthanol a été ajouté dans ce circuit afin d'abaisser le point de congélation à - 7 °C.
- L'utilisation de résistances électriques en secours a causé des problèmes de contrôle qui ont été longs à résoudre.
- L'utilisation d'appareils électriques et d'un éclairage à haut rendement énergétique permet de réduire les gains internes du bâtiment et donc la demande de climatisation, et ainsi réduire les coûts d'investissement du système géothermique en plus de réduire les coûts annuel et la consommation d'électricité.
- Les puits d'injection peuvent se colmater, ce qui cause des frais d'entretien qui doivent être envisagés lors de la décision du projet d'implantation.
Aperçu général
Avec un temps de retour simple sur investissement de 7 ans, ce système présente de l'intérêt pour le marché commercial et institutionnel. Généralement, au Canada, le secteur institutionnel accepte des périodes de retour simple sur l'investissement de 5 à 10 ans. Cependant, on exigera souvent moins de 5 ans dans le secteur commercial. Des stratégies doivent être déployées pour réduire au maximum les coûts des systèmes de pompes à chaleur géothermique afin de maximiser le retour sur investissement de ces systèmes. (Kavanaugh, 1997).
New Brunswick Power fait la promotion des systèmes à eaux souterraines toutes les fois que cette ressource est disponible en quantité suffisante. En effet, les systèmes à boucles ouvertes ont l'avantage de coûter moins cher et d'offrir des rendements supérieurs aux systèmes à boucles fermées enfouies dans le sol.
Références
- Dashner, George, « Communications personnelles », NB Power, mars 2000.
- Ébauche de rapport pour le LRDÉC, Learning from Experiences with Commercial/Institutional Heat Pump Systems in Cold Climates, préparé par Caneta Research Inc., 2000.
- Kavanaugh, S.P., Rafferty, K., Ground-Source Heat Pumps: Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings, ASHRAE, 1997.
- Parent, Michel, « Communications personnelles », Technosim Inc., 2000.
