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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - École / Canada
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes un consultant spécialisé en efficacité énergétique et dans l'implantation de systèmes d'innovations pour le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVAC). Vous êtes chargé de concevoir le système de CVAC d'une nouvelle école professionnelle. Cette école de formation technique en agriculture est séparée en deux sections différentes : la première comprend les salles de cours et les aires de détente; la deuxième des ateliers pouvant accueillir des projets d'usines-pilotes. Les exigences de conception sont que ces deux parties puissent être alimentées chacune par leur propre système et que la conception générale de ce système soit assez flexible pour s'adapter à des modifications envisageables de l'usage des différentes zones du bâtiment. Le confort des occupants et l'efficacité énergétique sont des critères importants pour votre client.
Étant donnés les forts taux de renouvellement d'air requis dans les ateliers et l'usine pilote, et les modifications possibles de ces locaux dans le futur, vous choisissez d'équiper cette section d'un système de chauffage à air pulsé au gaz naturel. De plus, les ateliers de l'usine pilote n'ont pas besoin d'air climatisé.
Pour la section des salles de cours et de détente, vous proposez un système géothermique comprenant plusieurs pompes à chaleur à échangeurs raccordés sur une même boucle de fluide caloporteur qui va aussi échanger sa chaleur dans le sol. La commission scolaire vous demande de comparer cette option avec un système de distribution d'air à volume variable avec compresseur à haut rendement et une chaudière au gaz naturel.
Données techniques
L'école professionnelle sera située près de Montréal, Québec, Canada et la station météorologique la plus proche est celle de l'aéroport de St-Hubert. Le sol de cette région est lourd et humide, et vous croyez que la roche sous la couche de surface est dense. La température moyenne annuelle du sol en surface est de 7,8 °C, avec une amplitude moyenne annuelle de 10 °C. Il y a une abondante surface de terrain disponible autour du bâtiment pour l'échangeur géothermique.
La section des salles de cours et des aires communes de détente sera équipée de l'air climatisé et s'étend sur 6 856 m² répartis sur 2 étages. Cette section est située dans le centre du bâtiment, entourée par la zone des ateliers.
Données financières
La commission scolaire vous fournit les principaux paramètres financiers utiles à votre analyse : 40 % des coûts de la nouvelle école sont empruntés à un taux d'intérêts sur la dette de 8 % sur 20 ans. Un taux d'actualisation de 9 % et un taux d'inflation de 2,5 % sont considéré. Le taux d'augmentation des coûts de l'énergie est légèrement inférieur à l'inflation générale pour la clientèle de type commercial. La durée de vie du système de CVAC est estimée à 25 ans.
Le gaz naturel est disponible et sa valeur est d'environ 0,21 $/m³, le prix de détail de l'électricité est de 0,045 $/kWh plus 11,6 $/mois par kW de puissance appelée. Vous estimez que les frais d'entretien devraient être les mêmes avec les deux options. L'école possède déjà un équipement nécessaire à l'installation de la tuyauterie de l'échangeur de chaleur horizontal dans le sol. Le coût d'un système conventionnel à volume variable d'air a été estimé à 173 130 $, incluant une chaudière centrale, des pompes à chaleur conventionnelles, des pompes de circulation, une tourelle de refroidissement et un échangeur de chaleur à plaques. De plus, le système à volume variable d'air exigera un système de chauffage périmétrique dont le coût prévu est de 35 000 $.
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
L'école professionnelle de St-Hyacinthe a été construite en 1994, à environ 50 km à l'est de Montréal. La commission scolaire cherchait une architecture de bâtiment offrant une grande flexibilité d'adaptation à de nouveaux usages éventuels de certaines parties. Le niveau de confort et l'efficacité énergétique font partie des critères essentiels de conception du bâtiment. C'est pourquoi plusieurs mesures innovatrices ont été adoptées :
La consommation annuelle d'énergie de l'école est d'environ 60 % celle d'écoles comparables. Cela signifie des économies annuelles de 4 $/m², ou 41 000 $.
Une étude de faisabilité a montré que le système de pompes à chaleur géothermique revient moins cher qu'une chaudière au gaz naturel à haut rendement avec une tourelle de refroidissement pour chauffer ou refroidir la boucle mitigée où sont raccordées les pompes à chaleur de zones. Le coût du système géothermique s'est élevé à 115 $/m² comparé à l'estimation de 155 $/m² pour le système conventionnel. C'est la disponibilité de terres agricoles environnantes et d'une machinerie d'enfouissage de drains agricoles qui a permis de réaliser l'échangeur géothermique à un coût particulièrement bas, ce qui a rendu cette option tellement attrayante, qu'il n'y a même pas de temps de retour sur investissement à calculer puisque l'option géothermique est, au départ, moins dispendieuse que le système conventionnel de chaudière avec tourelle de refroidissement.
Description du système
L'échangeur de chaleur géothermique comprend 32 boucles de 365 m. La moitié de la tuyauterie est enfouie à 1,8 m de profondeur, l'autre moitié a été enfouie sous forme de 2 tuyaux superposés, l'un à 1,8 m, l'autre à 1,2 m. Le fluide caloporteur est un mélange antigel d'eau comprenant 21 % de méthanol. Cette même boucle alimente la boucle mitigée qui circule dans tout le bâtiment pour alimenter 35 pompes à chaleur dont les différentes capacités frigorifiques sont comprises entre 12,3 et 19,9 kW selon la zone qu'elles desservent. La capacité totale du système installé est approximativement de 490 kW.
Leçons à tirer
Aperçu général
Il est rarement idéal d'utiliser un seul système central dans un bâtiment ayant plusieurs zones à usages différents. Cette étude de cas montre qu'il est possible de combiner des techniques classiques et des innovations technologiques de manière à obtenir une installation très intéressante à la fois au plan financier et au plan du rendement énergétique.
Photo
École professionnelle - Pompe à chaleur - Source : sol, Québec, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes un consultant spécialisé en efficacité énergétique et dans l'implantation de systèmes d'innovations pour le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVAC). Vous êtes chargé de concevoir le système de CVAC d'une nouvelle école professionnelle. Cette école de formation technique en agriculture est séparée en deux sections différentes : la première comprend les salles de cours et les aires de détente; la deuxième des ateliers pouvant accueillir des projets d'usines-pilotes. Les exigences de conception sont que ces deux parties puissent être alimentées chacune par leur propre système et que la conception générale de ce système soit assez flexible pour s'adapter à des modifications envisageables de l'usage des différentes zones du bâtiment. Le confort des occupants et l'efficacité énergétique sont des critères importants pour votre client.
Étant donnés les forts taux de renouvellement d'air requis dans les ateliers et l'usine pilote, et les modifications possibles de ces locaux dans le futur, vous choisissez d'équiper cette section d'un système de chauffage à air pulsé au gaz naturel. De plus, les ateliers de l'usine pilote n'ont pas besoin d'air climatisé.
Pour la section des salles de cours et de détente, vous proposez un système géothermique comprenant plusieurs pompes à chaleur à échangeurs raccordés sur une même boucle de fluide caloporteur qui va aussi échanger sa chaleur dans le sol. La commission scolaire vous demande de comparer cette option avec un système de distribution d'air à volume variable avec compresseur à haut rendement et une chaudière au gaz naturel.
Données techniques
L'école professionnelle sera située près de Montréal, Québec, Canada et la station météorologique la plus proche est celle de l'aéroport de St-Hubert. Le sol de cette région est lourd et humide, et vous croyez que la roche sous la couche de surface est dense. La température moyenne annuelle du sol en surface est de 7,8 °C, avec une amplitude moyenne annuelle de 10 °C. Il y a une abondante surface de terrain disponible autour du bâtiment pour l'échangeur géothermique.
La section des salles de cours et des aires communes de détente sera équipée de l'air climatisé et s'étend sur 6 856 m² répartis sur 2 étages. Cette section est située dans le centre du bâtiment, entourée par la zone des ateliers.
Données financières
La commission scolaire vous fournit les principaux paramètres financiers utiles à votre analyse : 40 % des coûts de la nouvelle école sont empruntés à un taux d'intérêts sur la dette de 8 % sur 20 ans. Un taux d'actualisation de 9 % et un taux d'inflation de 2,5 % sont considéré. Le taux d'augmentation des coûts de l'énergie est légèrement inférieur à l'inflation générale pour la clientèle de type commercial. La durée de vie du système de CVAC est estimée à 25 ans.
Le gaz naturel est disponible et sa valeur est d'environ 0,21 $/m³, le prix de détail de l'électricité est de 0,045 $/kWh plus 11,6 $/mois par kW de puissance appelée. Vous estimez que les frais d'entretien devraient être les mêmes avec les deux options. L'école possède déjà un équipement nécessaire à l'installation de la tuyauterie de l'échangeur de chaleur horizontal dans le sol. Le coût d'un système conventionnel à volume variable d'air a été estimé à 173 130 $, incluant une chaudière centrale, des pompes à chaleur conventionnelles, des pompes de circulation, une tourelle de refroidissement et un échangeur de chaleur à plaques. De plus, le système à volume variable d'air exigera un système de chauffage périmétrique dont le coût prévu est de 35 000 $.
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
- Comme la zone des salles de cours et des aires de détente est entourée par les ateliers, le niveau d'isolation thermique est élevé avec une surface standard de fenêtres.
- Un échangeur à boucle horizontale a été choisi compte tenu de son coût de départ peu élevé, de la disponibilité de grandes surfaces de terres agricoles autour de l'école professionnelle et de la disponibilité des équipements nécessaires à l'excavation (c'est une école d'agriculture) et la roche dense sous le sol, qui rendait le forage plus dispendieux.
- Les coûts d'étude de faisabilité, de développement et d'ingénierie du système conventionnel sont crédités dans la section « Analyse des coûts ».
- L'école ne paye aucun impôt sur le revenu.
- Le système de distribution de chaleur peut être conçu de manière à éviter d'avoir à ajouter un chauffage périmétrique. Le coût de cette installation a été crédité au bénéfice du système géothermique.
- Le système géothermique est moins dispendieux à la fois au niveau de l'investissement initial et des frais annuels d'exploitation. Par conséquent, le temps de retour sur l'investissement est instantané et le taux de rendement interne est infini. Pour la même raison, la dette et les paiements sur la dette ont des valeurs négatives. Il devient évident que la valeur actualisée nette du projet est positive. Le recouvrement de la dette ne doit pas être pris en considération.
- D'après l'analyse RETScreen, la viabilité financière du projet est sensible au COP de chauffage de la pompe à chaleur. Si le COP est bas, la charge électrique croit rapidement et les coûts supplémentaires de l'électricité deviennent très importants. Ce qui résulte en un système géothermique à faible coût d'investissement mais engendrant des frais annuels plus importants qu'un système conventionnel. Simplement, un système conventionnel à haut rendement doit toujours être comparé à un système géothermique de haut rendement également.
- À cause de la disponibilité de machinerie agricole pour enfouir l'échangeur géothermique à boucles horizontales, le plus bas coût suggéré pour l'installation et le creusage de tranchées doit être indiqué. Comme cette machine d'enfouissement de drains agricoles dépose immédiatement le sol derrière elle, par-dessus la tuyauterie, il n'y a pas non plus à prévoir de coût de remplissage de tranchées. Cette technique très économique s'adapte bien au contexte de terres où il n'y a pas de roches qui peuvent endommager les tuyaux.
Projet réel
Résultats
L'école professionnelle de St-Hyacinthe a été construite en 1994, à environ 50 km à l'est de Montréal. La commission scolaire cherchait une architecture de bâtiment offrant une grande flexibilité d'adaptation à de nouveaux usages éventuels de certaines parties. Le niveau de confort et l'efficacité énergétique font partie des critères essentiels de conception du bâtiment. C'est pourquoi plusieurs mesures innovatrices ont été adoptées :
- Un système de pompes à chaleur raccordées à une boucle mitigée connectée à un échangeur géothermique horizontal;
- un stockage thermique intermédiaire entre la boucle mitigée et l'échangeur géothermique, permettant d'absorber les pointes de puissance sans surdimensionner l'échangeur;
- un mur solaire de 618 m² pour préchauffer l'air neuf de ventilation;
- un système d'éclairage à haut rendement; et
- un système intégré de gestion énergétique du bâtiment.
La consommation annuelle d'énergie de l'école est d'environ 60 % celle d'écoles comparables. Cela signifie des économies annuelles de 4 $/m², ou 41 000 $.
Une étude de faisabilité a montré que le système de pompes à chaleur géothermique revient moins cher qu'une chaudière au gaz naturel à haut rendement avec une tourelle de refroidissement pour chauffer ou refroidir la boucle mitigée où sont raccordées les pompes à chaleur de zones. Le coût du système géothermique s'est élevé à 115 $/m² comparé à l'estimation de 155 $/m² pour le système conventionnel. C'est la disponibilité de terres agricoles environnantes et d'une machinerie d'enfouissage de drains agricoles qui a permis de réaliser l'échangeur géothermique à un coût particulièrement bas, ce qui a rendu cette option tellement attrayante, qu'il n'y a même pas de temps de retour sur investissement à calculer puisque l'option géothermique est, au départ, moins dispendieuse que le système conventionnel de chaudière avec tourelle de refroidissement.
Description du système
L'échangeur de chaleur géothermique comprend 32 boucles de 365 m. La moitié de la tuyauterie est enfouie à 1,8 m de profondeur, l'autre moitié a été enfouie sous forme de 2 tuyaux superposés, l'un à 1,8 m, l'autre à 1,2 m. Le fluide caloporteur est un mélange antigel d'eau comprenant 21 % de méthanol. Cette même boucle alimente la boucle mitigée qui circule dans tout le bâtiment pour alimenter 35 pompes à chaleur dont les différentes capacités frigorifiques sont comprises entre 12,3 et 19,9 kW selon la zone qu'elles desservent. La capacité totale du système installé est approximativement de 490 kW.
Leçons à tirer
- Les coûts d'entretien d'un système géothermique ne sont pas plus élevés que ceux d'autres systèmes à condition que le personnel ait reçu une formation spéciale.
- Le système géothermique s'est avéré plus facile à modifier et à adapter à des modifications au bâtiment qu'un système conventionnel.
- Les échangeurs géothermiques à boucles horizontales dans le sol ne sont pas limités aux petites applications résidentielles ou commerciales. Lorsque du terrain est disponible à bas coût, cela peut-être un meilleur choix qu'un système avec des forages verticaux.
- D'excellents résultats peuvent être obtenus en combinant un système géothermique à d'autres sources renouvelables d'énergie : un mur solaire contribue à diminuer la charge de renouvellement d'air du bâtiment qui est importante lorsqu'on est en climat froid.
- Les concepteurs devraient toujours s'intéresser à l'environnement d'un projet pour identifier des bonnes occasions d'implanter une technique d'utilisation d'une énergie renouvelable. Dans ce cas-ci, il s'agissait de la disponibilité de grandes surfaces de terrain autour de l'école professionnelle, et aussi du savoir-faire et de techniques locales, dans cette région agricole, dans l'enfouissement de tuyaux de drainage. Cela a permis la réalisation, à très bas coût, d'un échangeur géothermique à boucles horizontales.
Aperçu général
Il est rarement idéal d'utiliser un seul système central dans un bâtiment ayant plusieurs zones à usages différents. Cette étude de cas montre qu'il est possible de combiner des techniques classiques et des innovations technologiques de manière à obtenir une installation très intéressante à la fois au plan financier et au plan du rendement énergétique.
Photo
École professionnelle - Pompe à chaleur - Source : sol, Québec, Canada
Références
- CADDET Brochure R289, Heat pump system coupled to a geothermal heat exchanger, novembre 1997.
- LRDÉC, rapport préliminaire: Learning from Experiences with Commercial/Institutionnal Heat Pump Systems in Cold Climates, preparé par Caneta Research Inc., 2000.
- Soumis, Jean-François, « Communications personnelles », Commission Scolaire Saint-Hyacinthe, mars 2000.
- Thibault, Guy, « Communications personnelles », Commission scolaire de Saint-Hyacinthe, mars 2000.
