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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - Pénitencier / Canada
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes ingénieur au ministère des Travaux publics et Services gouvernementaux du Canada et vous êtes chargé de gérer un appel d'offres pour le système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) destiné à équiper une nouvelle prison pour femmes. La prison sera construite en accord avec le Plan Vert du Service correctionnel du Canada. Vous demandez à l'entrepreneur d'envisager une pompe à chaleur géothermique (PCG) comme système de chauffage et de climatisation, mais vous voulez d'abord vérifier que cette option sera financièrement rentable.
Données techniques
La nouvelle prison sera située à Truro, en Nouvelle-Écosse. Épais de 16 m, le mort-terrain se compose de gravier et d'argile humide qui recouvrent l'assise rocheuse faite de grès et de grès fin. L'étude géotechnique du site a montré une température moyenne annuelle du sol en surface d'environ 8 °C avec une amplitude annuelle de 14 °C. Le centre pénitencier ressemble à un campus universitaire avec douze bâtiments de un à deux étages comprenant des logements, un gymnase, des aires de détente, un centre de formation, des bureaux, une infirmerie, un réfectoire et un bâtiment à sécurité renforcée. On peut ainsi accueillir trente-cinq détenues en plus du personnel. Le centre occupe une surface totale de 25 000 m².
Tous les bâtiments ont un haut niveau d'isolation thermique et des fenêtres à haute efficacité. Pour des raisons de sécurité, le choix s'est porté sur un système de chauffage par plancher radiant. Tous les bâtiments sont chauffés mais seulement 30 % de l'ensemble est climatisé (les zones réservées au personnel administratif) ; les zones réservées aux détenues ainsi que le gymnase ne le sont pas. L'alternative à la pompe à chaleur géothermique serait une chaudière au mazout à haute efficacité et des climatiseurs à évaporateur individuel séparé pour les zones administratives.
Des calculs énergétiques détaillés ont précisé les besoins énergétiques annuels en chauffage et en climatisation, ainsi que la puissance de pointe. Pour le chauffage, la demande en pointe est de 211 kW avec des besoins annuels de 440 MWh et pour la climatisation, la pointe est de 63 kW avec des besoins annuels de 33 MWh.
Actuellement, 70 % de l'électricité produite en Nouvelle-Écosse est issue du charbon, le reste étant produit également par du gaz naturel, du mazout et des petites centrales hydroélectriques.
Données financières
Quatre-vingts pour cent des coûts seront assurés par un emprunt à un taux d'intérêt sur la dette de 8 % sur une durée de 20 ans. Le taux d'actualisation utilisé par l'administration du Service correctionnel du Canada est de 8 % et le taux d'inflation est de 2 %. On considère que les coûts de l'énergie (taux d'indexation de l'énergie) dépasseront de 0,5 % le taux d'inflation. Le système de PCG, comme le système de CVAC conventionnel, aura une durée de vie estimée à 25 ans.
Actuellement, le coût de l'électricité est de 8,2 ¢/kWh. Bien que le coût du diesel (mazout #2) soit très variable, on prendra une valeur moyenne de 60 ¢/litre. Les frais d'entretien seront considérés identiques pour les deux systèmes. Les pompes à chaleur du système géothermique coûteront environ 330 $/kW (kW de climatisation). Pour le système mécanique de référence, il faudra compter environ 103 000 $ pour les climatiseurs à évaporateur plus 26 300 $ pour la chaudière au mazout à haut rendement. Pour simplifier l'analyse en question, les coûts du système de distribution pour le chauffage et la climatisation à l'intérieur des bâtiments (ex. conduites, tuyauterie) seront considérés comme approximativement égaux pour les deux systèmes de PCG et de CVAC conventionnel.
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
Projet réel
Résultats
L'établissement pour femmes purgeant une peine fédérale à Truro en Nouvelle-Écosse, a été construit en 1994. Pour chauffer et climatiser le bâtiment, on a installé un système de pompe à chaleur géothermique (PCG) à échangeur avec le sol. Ce système de PCG s'inscrit dans le cadre du Plan Vert du Service correctionnel du Canada qui encourage le département à réduire ses émissions de gaz à effet de serre (GES). Le site a également été choisi comme banc d'essai et plusieurs types d'échangeurs de chaleur ont été installés afin de comparer les performances de différentes configurations. Il y a donc eu des suivis de performance de différentes configurations d'échangeurs géothermiques.
Description du système
Trois types d'échangeurs géothermiques ont été évalués : le premier échangeur est une série de puits verticaux. Les deux autres types d'échangeurs évalués sont des échangeurs horizontaux en spirale ayant deux pas différents d'hélice. Depuis que le projet initial a débuté, deux nouvelles pompes à chaleur ont été installées, ainsi que de nouvelles configurations des échangeurs dans le sol. L'une des nouvelles pompes à chaleur utilise du propane comme fluide frigorigène. Au total, 20 pompes à chaleur ont été installées à travers l'ensemble des bâtiments et zones du pénitencier.
Pendant les mois d'hiver, les pompes à chaleur soutirent de la chaleur du sol pour la transférer à plus haute température dans le plancher radiant. Pendant les mois d'été, on n'utilise pas les pompes à chaleur et on rejette la chaleur des bâtiments directement dans le sol.
Une autre mesure d'efficacité énergétique innovatrice a consisté à utiliser l'échangeur souterrain pour absorber la chaleur dégagée par les unités de réfrigération du réfectoire. Cela a permis de réduire les surchauffes dans la cuisine et de transférer cette énergie vers les autres bâtiments de la prison.
Leçons à tirer
Aperçu général
Le gouvernement a mis en place des projets de réduction d'émissions de gaz à effet de serre qui contribuent de manière exemplaire à encourager l'utilisation des technologies d'énergies renouvelables. Les systèmes de PCG sont particulièrement efficaces pour la réduction d'émissions de GES dans les marchés où elles remplacent les combustibles ayant une forte teneur en carbone (ex. charbon, diesel), ainsi que dans les marchés où l'électricité est produite à partir de sources peu polluantes telles que : l'hydroélectricité, l'éolien ou encore le gaz naturel.
Issus d'une technologie éprouvée, les systèmes de PCG impliquent des dispositifs de compression-expansion qui sont simples et faciles d'entretien. Le suivi détaillé des performances réalisées à la prison de Truro encouragera l'adoption de cette technologie au fur et à mesure que ses avantages concrets seront reconnus.
Photo
Pénitencier - Pompe à chaleur - Source : sol, Nouvelle-Écosse, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes ingénieur au ministère des Travaux publics et Services gouvernementaux du Canada et vous êtes chargé de gérer un appel d'offres pour le système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) destiné à équiper une nouvelle prison pour femmes. La prison sera construite en accord avec le Plan Vert du Service correctionnel du Canada. Vous demandez à l'entrepreneur d'envisager une pompe à chaleur géothermique (PCG) comme système de chauffage et de climatisation, mais vous voulez d'abord vérifier que cette option sera financièrement rentable.
Données techniques
La nouvelle prison sera située à Truro, en Nouvelle-Écosse. Épais de 16 m, le mort-terrain se compose de gravier et d'argile humide qui recouvrent l'assise rocheuse faite de grès et de grès fin. L'étude géotechnique du site a montré une température moyenne annuelle du sol en surface d'environ 8 °C avec une amplitude annuelle de 14 °C. Le centre pénitencier ressemble à un campus universitaire avec douze bâtiments de un à deux étages comprenant des logements, un gymnase, des aires de détente, un centre de formation, des bureaux, une infirmerie, un réfectoire et un bâtiment à sécurité renforcée. On peut ainsi accueillir trente-cinq détenues en plus du personnel. Le centre occupe une surface totale de 25 000 m².
Tous les bâtiments ont un haut niveau d'isolation thermique et des fenêtres à haute efficacité. Pour des raisons de sécurité, le choix s'est porté sur un système de chauffage par plancher radiant. Tous les bâtiments sont chauffés mais seulement 30 % de l'ensemble est climatisé (les zones réservées au personnel administratif) ; les zones réservées aux détenues ainsi que le gymnase ne le sont pas. L'alternative à la pompe à chaleur géothermique serait une chaudière au mazout à haute efficacité et des climatiseurs à évaporateur individuel séparé pour les zones administratives.
Des calculs énergétiques détaillés ont précisé les besoins énergétiques annuels en chauffage et en climatisation, ainsi que la puissance de pointe. Pour le chauffage, la demande en pointe est de 211 kW avec des besoins annuels de 440 MWh et pour la climatisation, la pointe est de 63 kW avec des besoins annuels de 33 MWh.
Actuellement, 70 % de l'électricité produite en Nouvelle-Écosse est issue du charbon, le reste étant produit également par du gaz naturel, du mazout et des petites centrales hydroélectriques.
Données financières
Quatre-vingts pour cent des coûts seront assurés par un emprunt à un taux d'intérêt sur la dette de 8 % sur une durée de 20 ans. Le taux d'actualisation utilisé par l'administration du Service correctionnel du Canada est de 8 % et le taux d'inflation est de 2 %. On considère que les coûts de l'énergie (taux d'indexation de l'énergie) dépasseront de 0,5 % le taux d'inflation. Le système de PCG, comme le système de CVAC conventionnel, aura une durée de vie estimée à 25 ans.
Actuellement, le coût de l'électricité est de 8,2 ¢/kWh. Bien que le coût du diesel (mazout #2) soit très variable, on prendra une valeur moyenne de 60 ¢/litre. Les frais d'entretien seront considérés identiques pour les deux systèmes. Les pompes à chaleur du système géothermique coûteront environ 330 $/kW (kW de climatisation). Pour le système mécanique de référence, il faudra compter environ 103 000 $ pour les climatiseurs à évaporateur plus 26 300 $ pour la chaudière au mazout à haut rendement. Pour simplifier l'analyse en question, les coûts du système de distribution pour le chauffage et la climatisation à l'intérieur des bâtiments (ex. conduites, tuyauterie) seront considérés comme approximativement égaux pour les deux systèmes de PCG et de CVAC conventionnel.
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
- En Nouvelle-Écosse, 70 % de l'électricité est produite grâce au charbon, source d'énergie fortement génératrice de gaz à effet de serre (GES). Dans le futur, une part importante de cette source d'énergie devrait être remplacée par du gaz naturel. La réduction d'émissions de GES engendrée par le système de PCG peut varier considérablement en fonction du combustible utilisé pour produire l'électricité nécessaire au système de PCG et aussi du combustible utilisé pour le système de CVAC alternatif. La feuille « Analyse des GES » peut être utilisée assez facilement pour évaluer différents scénarios de combustibles.
- Le coût des équipements mécaniques a été obtenu à partir d'un guide d'estimation des coûts de systèmes mécaniques.
- Sous la rubrique « Coûts périodiques », le coût de remplacement des compresseurs des pompes à chaleur a été estimé à 50 % de leur coût initial d'installation. Le coût de maintenance/remplacement des climatiseurs conventionnels a été estimé à 33 % de leur coût initial (l'évaporateur et les bobinages de certains ventilateurs étant supposés avoir une plus grande durée de vie que les compresseurs).
- On n'a pas inclus d'analyse financière après impôts, car le Service correctionnel du Canada n'est pas assujetti à l'impôt.
Projet réel
Résultats
L'établissement pour femmes purgeant une peine fédérale à Truro en Nouvelle-Écosse, a été construit en 1994. Pour chauffer et climatiser le bâtiment, on a installé un système de pompe à chaleur géothermique (PCG) à échangeur avec le sol. Ce système de PCG s'inscrit dans le cadre du Plan Vert du Service correctionnel du Canada qui encourage le département à réduire ses émissions de gaz à effet de serre (GES). Le site a également été choisi comme banc d'essai et plusieurs types d'échangeurs de chaleur ont été installés afin de comparer les performances de différentes configurations. Il y a donc eu des suivis de performance de différentes configurations d'échangeurs géothermiques.
Description du système
Trois types d'échangeurs géothermiques ont été évalués : le premier échangeur est une série de puits verticaux. Les deux autres types d'échangeurs évalués sont des échangeurs horizontaux en spirale ayant deux pas différents d'hélice. Depuis que le projet initial a débuté, deux nouvelles pompes à chaleur ont été installées, ainsi que de nouvelles configurations des échangeurs dans le sol. L'une des nouvelles pompes à chaleur utilise du propane comme fluide frigorigène. Au total, 20 pompes à chaleur ont été installées à travers l'ensemble des bâtiments et zones du pénitencier.
Pendant les mois d'hiver, les pompes à chaleur soutirent de la chaleur du sol pour la transférer à plus haute température dans le plancher radiant. Pendant les mois d'été, on n'utilise pas les pompes à chaleur et on rejette la chaleur des bâtiments directement dans le sol.
Une autre mesure d'efficacité énergétique innovatrice a consisté à utiliser l'échangeur souterrain pour absorber la chaleur dégagée par les unités de réfrigération du réfectoire. Cela a permis de réduire les surchauffes dans la cuisine et de transférer cette énergie vers les autres bâtiments de la prison.
Leçons à tirer
- Les coûts d'entretien d'un système de PCG sont comparables à ceux d'un système mécanique classique, mais ce système requiert une formation spéciale du personnel d'entretien. Cette installation a connu quelques problèmes au démarrage, mais un programme d'entretien préventif complet a été mis en place depuis lors.
- Une fois les difficultés initiales surmontées, le système fonctionne maintenant de manière fiable.
- Le client est très satisfait du système de pompes à chaleur géothermique. Les réductions d'émissions de GES obtenues grâce à ce système se comparent à celles obtenues avec l'autre option envisagée (chaudière à haut rendement au propane). Cependant, les frais d'exploitation du système de PCG sont plus faibles que ceux du système au propane.
Aperçu général
Le gouvernement a mis en place des projets de réduction d'émissions de gaz à effet de serre qui contribuent de manière exemplaire à encourager l'utilisation des technologies d'énergies renouvelables. Les systèmes de PCG sont particulièrement efficaces pour la réduction d'émissions de GES dans les marchés où elles remplacent les combustibles ayant une forte teneur en carbone (ex. charbon, diesel), ainsi que dans les marchés où l'électricité est produite à partir de sources peu polluantes telles que : l'hydroélectricité, l'éolien ou encore le gaz naturel.
Issus d'une technologie éprouvée, les systèmes de PCG impliquent des dispositifs de compression-expansion qui sont simples et faciles d'entretien. Le suivi détaillé des performances réalisées à la prison de Truro encouragera l'adoption de cette technologie au fur et à mesure que ses avantages concrets seront reconnus.
Photo
Pénitencier - Pompe à chaleur - Source : sol, Nouvelle-Écosse, Canada
Références
- Green, Troy, « Communications personnelles », Earth Energy Utility, 2002.
- Kemp, Steve, « Communications personnelles », Enermodal Engineering Ltd., 2002.
- O'Blenes, Brian, « Communications personnelles », Services correctionnels du Canada - Région de l'Atlantique, 2002.
- Ressources Naturelles Canada, Installations pour femmes purgeant une peine fédérale, Ottawa, Canada, 1999.
