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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - Résidentiel / États-Unis d'Amérique
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes représentant technique d'un distributeur d'électricité de Hartford au Connecticut. Vos fonctions sont de conseiller les clients résidentiels sur les questions techniques d'efficacité énergétique. Un programme de promotion de l'utilisation efficace de l'énergie de votre société permet aux propriétaires de constructions neuves de bénéficier d'avantages financiers à l'adoption de mesures d'efficacité énergétique. Ces mesures peuvent concerner l'enveloppe du bâtiment et le système de chauffage, de ventilation et d'air climatisé (CVAC). Ce programme offre aussi du soutien technique gratuit pour guider les consommateurs dans le choix d'équipements et sur la conception de systèmes qui répondront le plus efficacement possible aux besoins de leur maison. La condition d'admissibilité au programme d'aide financière et d'assistance technique est que le système de CVAC doit être alimenté à l'électricité.
Un entrepreneur local vous contacte car il prévoit construire une maison de 2 étages pour un client qui a manifesté un intérêt à participer à votre programme. Ce client désire en savoir plus sur les avantages d'opter pour l'électricité plutôt que d'installer une chaudière au diesel (mazout #2) avec un climatiseur électrique conventionnel, notamment au plan financier et des économies d'énergie sur le chauffage et la climatisation de sa nouvelle maison. Vous devez préparer une analyse de préfaisabilité pour évaluer si un système CVAC à haute efficacité serait financièrement viable. Vous envisagez de choisir une pompe à chaleur géothermique performante raccordée à une boucle fermée enfouie dans le sol et vous devez préparer un dossier qui vous permettra de conseiller votre client sur l'intérêt de cette solution.
Données techniques
La maison sera construite à East Hampton, près de Hartford au Connecticut. Le terrain disponible autour de la maison est assez vaste car on est en zone rurale. La nouvelle maison aura 2 étages et une surface au sol de 12,2 m x 11,3 m. Le sous-sol ne sera pas chauffé.
Les règles d'admissibilité au programme exigent des épaisseurs minimums d'isolant de laine de verre de 18 cm au plafond du dernier étage, de 12 cm dans les murs extérieurs, et de 15 cm dans l'espace non chauffé; la laine de verre a une conductivité thermique de 0,045 W/(m-°C). Une estimation de l'infiltration de l'air et du mécanisme de ventilation montre que la maison aura un taux de renouvellement d'air d'environ 0,3 volume à l'heure.
Le sol environnant est sec et rocailleux, sans difficultés particulières pour réaliser des forages en cet endroit. Toutefois, la roche en dessous du sol de surface devient dense et il est difficile d'y faire des excavations. La température moyenne du sol en surface est d'environ 9 °C, avec une amplitude moyenne annuelle d'environ 14 °C.
Données financières
40 % du coût de la maison fera l'objet d'un prêt hypothécaire de 25 ans; pour les 5 premières années, le taux hypothécaire sera de 9 %. Les surcoûts d'un système de CVAC seront financés par cette hypothèque. Le taux d'inflation est estimé stable à 2 %. Compte tenu de la croissance de la demande d'électricité en été, les prix de l'électricité seront à la hausse, un peu plus que le taux d'inflation. Actuellement, le coût de l'électricité pour les clients résidentiels ayant le chauffage électrique est de 0,0988 $/kWh. Si l'électricité n'est pas utilisé comme principale source de chauffage, le tarif monte à 0,106 $/kWh. Le prix du diesel (mazout #2) atteint actuellement 0,50 $/litre, mais se situe en moyenne autour de 0,35 $/litre. Selon votre expérience, la durée de vie d'une pompe à chaleur géothermique est d'environ 15 ans et les coûts d'entretien ne sont pas plus élevés qu'avec un système de chauffage et de climatisation conventionnel. Pour cette maison, le coût d'une chaudière au diesel (mazout #2) à haute efficacité avec une chambre de combustion scellée à brûleur avec prise d'air extérieure est de 6 000 $, et celui d'un climatiseur conventionnel est de 1 500 $. L'isolation thermique renforcée et les mesures d'efficacité énergétique augmentent le coût de la maison d'environ 3 500 $. L'aide financière de votre compagnie est de 200 $ par kW de capacité installée de réfrigération de la pompe à chaleur géothermique installée et de 10 $ par m² de plancher chauffé pour les mesures d'efficacité énergétique et l'isolation thermique.
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
Cette étude de cas est basée sur une réelle installation de pompe à chaleur géothermique dans une maison neuve à East Hampton au Connecticut. Le système a été conçu et installé par un entrepreneur local. À cause des difficultés à réaliser des travaux dans le sol rocailleux, l'idée d'un échangeur à boucle fermée horizontale a été rejetté dès le départ. Ce projet a bénéficié du Programme Energy Crafted Home (ECH) de la compagnie Northeast Utilities.
Un estimé initial, réalisé à l'aide d'un logiciel de dimensionnement de CVAC (J-manual sizing software), a indiqué que cette maison aurait une charge de pointe en chauffage de 14,5 kW et une charge de pointe en climatisation de 8,9 kW. L'évaluation préliminaire préparée par le producteur d'électricité Northeast Utilities montre que le système géothermique, après subvention, donnerait un temps de retour sur investissement inférieur à 1 an, comparé à un système au diesel (mazout #2) , et de 2 ans, comparé à un système au gaz naturel. Le propriétaire de cette maison a choisi la pompe à chaleur géothermique aussi pour d'autres raisons, notamment le confort et les bénéfices pour l'environnement.
Description du système
La maison est chauffée et climatisée par une pompe à chaleur géothermique de 14,8 kW. L'échangeur vertical dans le sol, à boucle fermée, est inséré dans 2 puits d'une profondeur de 77 m et comprend 305 m de tuyau de polyéthylène. Un désurchauffeur à la sortie du compresseur permet de produire de l'eau chaude sanitaire et de réduire la consommation de propane du chauffe-eau auxiliaire. Ce chauffe-eau auxiliaire assure aussi un chauffage d'appoint de la maison grâce à un échangeur de chaleur à boucle indirecte. Pour assurer une bonne qualité de l'air intérieur dans cette maison étanche à l'air, un ventilateur-récupérateur de chaleur (VRC) qui injecte de l'air neuf dans les conduits du système de pompe à chaleur a été installé.
Le prix de la pompe à chaleur et des conduits de ventilation s'est élevé à 10 541 $US et celui de l'échangeur géothermique à 8 742 $US. Le propriétaire avait eu une soumission de 16 200 $US pour l'installation d'une chaudière au diesel (mazout #2) et d'un climatiseur conventionnels (conduits et système de ventilation inclus). La maison est équipée d'un système de contrôle à 3 zones ayant chacune leur propre circuit de ventilation.
Avec l'installation de la pompe à chaleur géothermique, le propriétaire a pu bénéficier du programme d'efficacité énergétique de la compagnie d'électricité Northeast Utilities avec une subvention de 200 $US par kW pour un total de 2 971 $US. Mais le prix net du système géothermique de 16 312 $US était équivalent à la soumission de l'option au diesel (mazout #2) qui ne bénéficie d'aucune subvention d'un programme de la compagnie d'électricité.
Leçons à tirer
Aperçu général
Les systèmes géothermiques résidentiels ont en général des temps de retour sur investissement plus longs que dans le secteur commercial ou industriel. Cependant, ce secteur de marché ne suit pas les mêmes règles d'évaluation financière que dans le secteur commercial. Les propriétaires acceptent un temps de retour plus long si le confort et les avantages pour l'environnement peuvent être clairement démontré. Avec leur prix, les systèmes géothermiques sont perçus comme une technologie haut de gamme.
La plupart des propriétaires et des constructeurs n'ont aucune connaissance de cette technologie et de ses avantages. Un effort d'éducation est nécessaire si l'on veut que cette situation change. Le défi pour l'industrie des pompes à chaleur géothermique est de rendre cette technologie abordable pour la construction à bas et moyen coûts.
Photos
Maison - Pompe à chaleur - Source : sol, Connecticut, États-Unis d'Amérique - Photo 1
Maison - Pompe à chaleur - Source : sol, Connecticut, États-Unis d'Amérique - Photo 2
Références
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes représentant technique d'un distributeur d'électricité de Hartford au Connecticut. Vos fonctions sont de conseiller les clients résidentiels sur les questions techniques d'efficacité énergétique. Un programme de promotion de l'utilisation efficace de l'énergie de votre société permet aux propriétaires de constructions neuves de bénéficier d'avantages financiers à l'adoption de mesures d'efficacité énergétique. Ces mesures peuvent concerner l'enveloppe du bâtiment et le système de chauffage, de ventilation et d'air climatisé (CVAC). Ce programme offre aussi du soutien technique gratuit pour guider les consommateurs dans le choix d'équipements et sur la conception de systèmes qui répondront le plus efficacement possible aux besoins de leur maison. La condition d'admissibilité au programme d'aide financière et d'assistance technique est que le système de CVAC doit être alimenté à l'électricité.
Un entrepreneur local vous contacte car il prévoit construire une maison de 2 étages pour un client qui a manifesté un intérêt à participer à votre programme. Ce client désire en savoir plus sur les avantages d'opter pour l'électricité plutôt que d'installer une chaudière au diesel (mazout #2) avec un climatiseur électrique conventionnel, notamment au plan financier et des économies d'énergie sur le chauffage et la climatisation de sa nouvelle maison. Vous devez préparer une analyse de préfaisabilité pour évaluer si un système CVAC à haute efficacité serait financièrement viable. Vous envisagez de choisir une pompe à chaleur géothermique performante raccordée à une boucle fermée enfouie dans le sol et vous devez préparer un dossier qui vous permettra de conseiller votre client sur l'intérêt de cette solution.
Données techniques
La maison sera construite à East Hampton, près de Hartford au Connecticut. Le terrain disponible autour de la maison est assez vaste car on est en zone rurale. La nouvelle maison aura 2 étages et une surface au sol de 12,2 m x 11,3 m. Le sous-sol ne sera pas chauffé.
Les règles d'admissibilité au programme exigent des épaisseurs minimums d'isolant de laine de verre de 18 cm au plafond du dernier étage, de 12 cm dans les murs extérieurs, et de 15 cm dans l'espace non chauffé; la laine de verre a une conductivité thermique de 0,045 W/(m-°C). Une estimation de l'infiltration de l'air et du mécanisme de ventilation montre que la maison aura un taux de renouvellement d'air d'environ 0,3 volume à l'heure.
Le sol environnant est sec et rocailleux, sans difficultés particulières pour réaliser des forages en cet endroit. Toutefois, la roche en dessous du sol de surface devient dense et il est difficile d'y faire des excavations. La température moyenne du sol en surface est d'environ 9 °C, avec une amplitude moyenne annuelle d'environ 14 °C.
Données financières
40 % du coût de la maison fera l'objet d'un prêt hypothécaire de 25 ans; pour les 5 premières années, le taux hypothécaire sera de 9 %. Les surcoûts d'un système de CVAC seront financés par cette hypothèque. Le taux d'inflation est estimé stable à 2 %. Compte tenu de la croissance de la demande d'électricité en été, les prix de l'électricité seront à la hausse, un peu plus que le taux d'inflation. Actuellement, le coût de l'électricité pour les clients résidentiels ayant le chauffage électrique est de 0,0988 $/kWh. Si l'électricité n'est pas utilisé comme principale source de chauffage, le tarif monte à 0,106 $/kWh. Le prix du diesel (mazout #2) atteint actuellement 0,50 $/litre, mais se situe en moyenne autour de 0,35 $/litre. Selon votre expérience, la durée de vie d'une pompe à chaleur géothermique est d'environ 15 ans et les coûts d'entretien ne sont pas plus élevés qu'avec un système de chauffage et de climatisation conventionnel. Pour cette maison, le coût d'une chaudière au diesel (mazout #2) à haute efficacité avec une chambre de combustion scellée à brûleur avec prise d'air extérieure est de 6 000 $, et celui d'un climatiseur conventionnel est de 1 500 $. L'isolation thermique renforcée et les mesures d'efficacité énergétique augmentent le coût de la maison d'environ 3 500 $. L'aide financière de votre compagnie est de 200 $ par kW de capacité installée de réfrigération de la pompe à chaleur géothermique installée et de 10 $ par m² de plancher chauffé pour les mesures d'efficacité énergétique et l'isolation thermique.
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
- Bien que le projet soit situé aux États-Unis, tous les coûts ont été exprimés en dollars canadiens, aussi bien dans l'énoncé du problème, que dans les feuilles de calcul RETScreen. En effet, dans ce projet, malgré la différence de taux de change entre le Canada et les États-Unis, on peut dire que 1 $ CAN = 1 $ US si on compare les prix de la construction entre les 2 pays. Autrement dit, la valeur plus élevée du $ US par rapport au $ CAN est annulée en pouvoir d'achat par les coûts plus élevés de la construction aux États-Unis.
- Les coûts d'excavation dans le sol rocheux ont influencé le choix d'un forage vertical plutôt que des tranchées horizontales. Le forage vertical est facile et creuser des fossés horizontaux est dispendieux.
- Les coûts et les avantages de l'isolation thermique renforcée et d'autres mesures d'efficacité énergétique requise par la compagnie d'électricité devraient être incluses dans l'analyse du système géothermique. Le programme vise à encourager l'utilisation efficace de l'électricité. Ni une isolation thermique renforcée avec un chauffage au diesel (mazout #2), ni un système géothermique sans isolation renforcée n'auraient été admissibles à ce programme de subvention.
- L'analyse a été réalisée avec le niveau d'isolation thermique exigé par le programme. Cela signifie qu'il faut comparer le système géothermique avec isolation thermique renforcée à celui au diesel (mazout #2) avec isolation thermique renforcée. Pour bénéficier de la subvention, il n'aurait pas été possible d'installer le système géothermique sans renforcer l'isolation. Et sans subvention, probablement que l'isolation thermique de la maison n'aurait pas été renforcée. Donc la vraie comparaison aurait été de comparer le système géothermique avec isolation thermique renforcée à celui au diesel (mazout #2) sans isolation thermique renforcée, ce qui aurait montré des économies d'énergie bien plus importantes.
- Le système de CVAC doit comprendre une soufflante et des conduits. Comme cet équipement aurait de toute façon été requis pour le système au diesel (mazout #2) avec climatiseur, le coût réel est nul.
- Aucun coût pour l'étude de faisabilité, le développement et l'ingénierie de ce projet n'ont été comptabilisé car il s'agit d'un projet résidentiel et que ces coûts, limités, sont en général pris en charge par le détaillant sur sa marge de profit.
Projet réel
Résultats
Cette étude de cas est basée sur une réelle installation de pompe à chaleur géothermique dans une maison neuve à East Hampton au Connecticut. Le système a été conçu et installé par un entrepreneur local. À cause des difficultés à réaliser des travaux dans le sol rocailleux, l'idée d'un échangeur à boucle fermée horizontale a été rejetté dès le départ. Ce projet a bénéficié du Programme Energy Crafted Home (ECH) de la compagnie Northeast Utilities.
Un estimé initial, réalisé à l'aide d'un logiciel de dimensionnement de CVAC (J-manual sizing software), a indiqué que cette maison aurait une charge de pointe en chauffage de 14,5 kW et une charge de pointe en climatisation de 8,9 kW. L'évaluation préliminaire préparée par le producteur d'électricité Northeast Utilities montre que le système géothermique, après subvention, donnerait un temps de retour sur investissement inférieur à 1 an, comparé à un système au diesel (mazout #2) , et de 2 ans, comparé à un système au gaz naturel. Le propriétaire de cette maison a choisi la pompe à chaleur géothermique aussi pour d'autres raisons, notamment le confort et les bénéfices pour l'environnement.
Description du système
La maison est chauffée et climatisée par une pompe à chaleur géothermique de 14,8 kW. L'échangeur vertical dans le sol, à boucle fermée, est inséré dans 2 puits d'une profondeur de 77 m et comprend 305 m de tuyau de polyéthylène. Un désurchauffeur à la sortie du compresseur permet de produire de l'eau chaude sanitaire et de réduire la consommation de propane du chauffe-eau auxiliaire. Ce chauffe-eau auxiliaire assure aussi un chauffage d'appoint de la maison grâce à un échangeur de chaleur à boucle indirecte. Pour assurer une bonne qualité de l'air intérieur dans cette maison étanche à l'air, un ventilateur-récupérateur de chaleur (VRC) qui injecte de l'air neuf dans les conduits du système de pompe à chaleur a été installé.
Le prix de la pompe à chaleur et des conduits de ventilation s'est élevé à 10 541 $US et celui de l'échangeur géothermique à 8 742 $US. Le propriétaire avait eu une soumission de 16 200 $US pour l'installation d'une chaudière au diesel (mazout #2) et d'un climatiseur conventionnels (conduits et système de ventilation inclus). La maison est équipée d'un système de contrôle à 3 zones ayant chacune leur propre circuit de ventilation.
Avec l'installation de la pompe à chaleur géothermique, le propriétaire a pu bénéficier du programme d'efficacité énergétique de la compagnie d'électricité Northeast Utilities avec une subvention de 200 $US par kW pour un total de 2 971 $US. Mais le prix net du système géothermique de 16 312 $US était équivalent à la soumission de l'option au diesel (mazout #2) qui ne bénéficie d'aucune subvention d'un programme de la compagnie d'électricité.
Leçons à tirer
- Les programmes de subvention peuvent avoir une grande influence sur la viabilité financière d'un système de pompes à chaleur géothermique. Il faut aussi évaluer tous les autres investissements requis pour être admissible à une subvention (par exemple une isolation thermique renforcée des murs).
- Le coût d'un système conventionnel peut parfois dépasser la gamme de prix habituelle. Le système mécanique dans cette maison était plus compliqué, ce qui a conduit à des coûts hors normes.
- Malgré son coût initial élevé, le système géothermique s'est avéré financièrement rentable dans ce cas particulier. Les systèmes géothermiques résidentiels devant produire de faibles quantités d'énergie seront souvent plus difficiles à rentabiliser en un court laps de temps.
- Une boucle fermée horizontale peut être moins dispendieuse qu'un système à forage vertical, mais cet avantage peut être annulé par des performances plus faibles, donc des coûts annuels en électricité plus élevés. Particulièrement si le sol rocheux présente de conditions difficiles.
Aperçu général
Les systèmes géothermiques résidentiels ont en général des temps de retour sur investissement plus longs que dans le secteur commercial ou industriel. Cependant, ce secteur de marché ne suit pas les mêmes règles d'évaluation financière que dans le secteur commercial. Les propriétaires acceptent un temps de retour plus long si le confort et les avantages pour l'environnement peuvent être clairement démontré. Avec leur prix, les systèmes géothermiques sont perçus comme une technologie haut de gamme.
La plupart des propriétaires et des constructeurs n'ont aucune connaissance de cette technologie et de ses avantages. Un effort d'éducation est nécessaire si l'on veut que cette situation change. Le défi pour l'industrie des pompes à chaleur géothermique est de rendre cette technologie abordable pour la construction à bas et moyen coûts.
Photos
Maison - Pompe à chaleur - Source : sol, Connecticut, États-Unis d'Amérique - Photo 1
Maison - Pompe à chaleur - Source : sol, Connecticut, États-Unis d'Amérique - Photo 2
Références
- GeoExchange Residential Case Study, Energy Crafted Homes in Connecticut, http://www.geoexchange.com, mars 2000.
- Taylor, Marshall C., « Communications personnelles », Northeast Utilities, mars 2000.
- Parent, Michel, « Communications personnelles », Technosim Inc., 2000.
