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Production de chaleur et de froid - Pompe à chaleur - Source : sol - École / États-Unis d'Amérique
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes le responsable technique du bâtiment d'un collège de 1 100 élèves construit en 1971. L'immeuble de 15 000 m² est chauffé par de simples résistances électriques et climatisé par un réseau à double tuyau d'eau froide, produite par une pompe à chaleur à compresseur centrifuge. Ce système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) a besoin d'être remplacé et vous devez spécifier ce par quoi il devra l'être. Les options envisageables doivent toutes permettre d'alimenter un réseau d'eau chaude ou refroidie. Des écoles de votre région ont installé des pompes à chaleur géothermique (c'est-à-dire avec échangeur dans le sol) et ces systèmes semblent avoir des performances intéressantes. Le fournisseur local d'électricité vous a aidé à établir que le système de CVAC le mieux adapté à votre cas serait un ensemble de pompes à chaleur raccordées à une même boucle d'eau (boucle mitigée). Deux options s'offrent alors pour alimenter cette boucle mitigée en chaleur ou la refroidir :
Vous devez choisir lequel de ces deux systèmes sera le plus avantageux au plan financier pour votre commission scolaire qui est aussi sensible aux concepts de développement durable. Sa décision sera donc basée sur une analyse du coût global sur la durée de vie du système. Vous devez présenter à la direction une étude de préfaisabilité qui guidera son processus de décision.
Données techniques
Le collège est situé à Johnson City au Tennessee. Les conditions météorologiques sont très proches de celles de Bristol au Tennessee. La température moyenne du sol en surface est de 16,1 °C avec une amplitude moyenne annuelle estimée de 11,7 °C. Les taux d'humidité sont assez faibles pendant les saisons où le collège est occupé. Un terrain inutilisé jouxte le bâtiment; sa superficie est de 2 000 m² et le sol semble constitué de roche friable.
Le système de CVAC alimente toutes les salles de classe, la cuisine, la cafétéria, l'auditorium et le gymnase. La charge de pointe en climatisation est estimée à 800 kW et celle de chauffage à 350 kW. Des mesures effectuées au préalable indiquent que la demande nette annuelle en chauffage d'une boucle d'eau mitigée serait d'environ 520 MWh/an, alors que les besoins de refroidissement seraient de 550 MWh/an. La charge de climatisation tient compte de la période des vacances scolaires où elle tombe à une valeur minimale. Le bâtiment de plein pied n'a aucun étage, il a des gains internes relativement faibles et un faible niveau d'isolation thermique.
Données financières
L'école à un budget disponible pour couvrir l'équivalent du coût d'un système conventionnel. Le fournisseur local d'électricité offrirait une subvention de 104 000 $ à l'installation d'un système de pompe à chaleur géothermique. Les coûts qui dépasseraient le total de ces deux montants seraient financés sur 20 ans à un taux d'intérêts sur la dette de 8 %. Le comptable de la commission scolaire suggère d'utiliser un taux d'actualisation de 9 %, un taux d'inflation de 2,5 % et un taux d'indexation du coût en combustible de 2,5 %.
Le bâtiment a une consommation d'électricité moyenne de 3 481 MWh/an qui représente un coût total annuel de 209 000 $. Au-delà des 50 premiers kW de puissance souscrite, chaque kW additionnel est facturé 9 $ par mois. Le prix moyen du gaz naturel est de 0,25 $/m³.
Le système de référence auquel le système géothermique est comparé comprend une pompe à chaleur conventionnelle (peu performante à faible écart de température) à échangeur à eau qui coûte 184 $ par kW, une chaudière au gaz naturel de 35 000 $, une tourelle de refroidissement de 20 000 $, des pompes de circulation pour 14 000 $ et un échangeur de chaleur à plaques 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 secondaire Daniel Boone de Johnson City au Tennessee (États-Unis), a installé au cours de l'hiver 1995-96, un système de pompes à chaleur à boucle mitigée raccordée à une pompe à chaleur géothermique en boucle fermée. Cinq configurations ont été envisagées pour raccorder la boucle mitigée d'interconnexion des pompes à chaleur du bâtiment :
Un modèle horaire d'analyse énergétique détaillée a été utilisé pour évaluer ces options. Le système de référence qui a été utilisé comme base de comparaison était une boucle mitigée avec une chaudière au gaz naturel et une tourelle de refroidissement. Le modèle a été validé à partir des données réelles de consommation d'énergie et des données climatiques correspondantes, avant de procéder à la comparaison des différentes options. Le système évalué comme le plus intéressant est celui où l'on raccorde directement la boucle mitigée à un échangeur géothermique, avec des économies annuelles d'énergie de 29 000 $US.
L'étude de préfaisabilité montre que les coûts d'entretien sont réduits d'environ 0,55 $US/m² de plancher chauffé avec un échangeur de chaleur dans le sol plutôt qu'avec le système de référence. En effet, un tel échangeur demande beaucoup moins d'entretien qu'un système conventionnel et il n'y a à prévoir aucun traitement d'aucune quantité d'eau d'alimentation de la tourelle de refroidissement.
Les résultats de la première année d'exploitation du système indiquent des économies annuelles nettes de 33 000 $US, ce qui donnerait un temps de retour simple sur investissement de 6 ans. Un suivi prolongé de la consommation d'énergie du bâtiment montre que les pompes à chaleur installées et l'échangeur dans le sol auraient été surdimensionnés d'environ 1/3.
Description du système
L'échangeur de chaleur dans le sol est constitué de 320 forages de 45,7 m. Chaque trou foré contient 91,4 m de tuyau de polyéthylène de 1,9 cm de diamètre. Les trous forés sont groupés par grappes de 20 trous espacés de 4,6 m les uns des autres. Ces grappes sont raccordées aux collecteurs d'alimentation et de retour de 20,3 cm de diamètre, qui les relient à la chambre mécanique qui existait déjà. La capacité totale installée est de 1 410 kW de puissance frigorifique. Deux pompes circulatrices de 30 kW chacune et à deux vitesses, assurent la circulation dans l'échangeur géothermique.
Le système géothermique a coûté 451 000 $US. Ce montant dépasse de 100 000 $US l'estimation initiale à cause de frais inattendus. Le distributeur local d'électricité, Tennessee Valley Authority (TVA), a accepté de financer une partie du projet, afin de faire la démonstration de l'intérêt de la géothermie, mais aussi pour évaluer certaines caractéristiques du projet, notamment le pompage à vitesse variable dans la boucle et le dimensionnement de la boucle elle-même. TVA a contribué pour 104 000 $US au projet et a pris en charge, en plus, les frais de suivi de l'installation. Le coût d'une chaudière classique au gaz naturel, d'une tourelle de refroidissement, d'un échangeur de chaleur à plaques, des pompes et des contrôles avait été estimé à 150 000 $US. Le coût net ou supplémentaire du système géothermique est donc de 197 000 $US.
Leçons à tirer
Aperçu général
Les projets dans le secteur institutionnel sont une excellente occasion de démontrer les avantages de la géothermie. Ce marché accepte de long temps de retour sur l'investissement et se montre plus ouvert à l'innovation. Souvent, le premier projet de géothermie dans une région est réalisé dans un bâtiment institutionnel et contribue à former la main d'œuvre locale à cette technique, à condition que les entrepreneurs locaux aient les compétences minimales et la volonté de bien faire. Des projets à problèmes peuvent rapidement ternir la réputation de cette technologie. En particulier, un surdimensionnement systématique des installations conduira à des surcoûts inutiles encore plus importants avec cette technologie qu'avec un système classique, ce qui nuit à sa rentabilité financière.
Photo
École - Pompe à chaleur - Source : sol, Tennessee, États-Unis d'Amérique
Références
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes le responsable technique du bâtiment d'un collège de 1 100 élèves construit en 1971. L'immeuble de 15 000 m² est chauffé par de simples résistances électriques et climatisé par un réseau à double tuyau d'eau froide, produite par une pompe à chaleur à compresseur centrifuge. Ce système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC) a besoin d'être remplacé et vous devez spécifier ce par quoi il devra l'être. Les options envisageables doivent toutes permettre d'alimenter un réseau d'eau chaude ou refroidie. Des écoles de votre région ont installé des pompes à chaleur géothermique (c'est-à-dire avec échangeur dans le sol) et ces systèmes semblent avoir des performances intéressantes. Le fournisseur local d'électricité vous a aidé à établir que le système de CVAC le mieux adapté à votre cas serait un ensemble de pompes à chaleur raccordées à une même boucle d'eau (boucle mitigée). Deux options s'offrent alors pour alimenter cette boucle mitigée en chaleur ou la refroidir :
- une chaudière au gaz naturel et une tourelle de refroidissement; ou
- un échangeur de chaleur dans le sol, en boucle fermée.
Vous devez choisir lequel de ces deux systèmes sera le plus avantageux au plan financier pour votre commission scolaire qui est aussi sensible aux concepts de développement durable. Sa décision sera donc basée sur une analyse du coût global sur la durée de vie du système. Vous devez présenter à la direction une étude de préfaisabilité qui guidera son processus de décision.
Données techniques
Le collège est situé à Johnson City au Tennessee. Les conditions météorologiques sont très proches de celles de Bristol au Tennessee. La température moyenne du sol en surface est de 16,1 °C avec une amplitude moyenne annuelle estimée de 11,7 °C. Les taux d'humidité sont assez faibles pendant les saisons où le collège est occupé. Un terrain inutilisé jouxte le bâtiment; sa superficie est de 2 000 m² et le sol semble constitué de roche friable.
Le système de CVAC alimente toutes les salles de classe, la cuisine, la cafétéria, l'auditorium et le gymnase. La charge de pointe en climatisation est estimée à 800 kW et celle de chauffage à 350 kW. Des mesures effectuées au préalable indiquent que la demande nette annuelle en chauffage d'une boucle d'eau mitigée serait d'environ 520 MWh/an, alors que les besoins de refroidissement seraient de 550 MWh/an. La charge de climatisation tient compte de la période des vacances scolaires où elle tombe à une valeur minimale. Le bâtiment de plein pied n'a aucun étage, il a des gains internes relativement faibles et un faible niveau d'isolation thermique.
Données financières
L'école à un budget disponible pour couvrir l'équivalent du coût d'un système conventionnel. Le fournisseur local d'électricité offrirait une subvention de 104 000 $ à l'installation d'un système de pompe à chaleur géothermique. Les coûts qui dépasseraient le total de ces deux montants seraient financés sur 20 ans à un taux d'intérêts sur la dette de 8 %. Le comptable de la commission scolaire suggère d'utiliser un taux d'actualisation de 9 %, un taux d'inflation de 2,5 % et un taux d'indexation du coût en combustible de 2,5 %.
Le bâtiment a une consommation d'électricité moyenne de 3 481 MWh/an qui représente un coût total annuel de 209 000 $. Au-delà des 50 premiers kW de puissance souscrite, chaque kW additionnel est facturé 9 $ par mois. Le prix moyen du gaz naturel est de 0,25 $/m³.
Le système de référence auquel le système géothermique est comparé comprend une pompe à chaleur conventionnelle (peu performante à faible écart de température) à échangeur à eau qui coûte 184 $ par kW, une chaudière au gaz naturel de 35 000 $, une tourelle de refroidissement de 20 000 $, des pompes de circulation pour 14 000 $ et un échangeur de chaleur à plaques 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
- 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.
- Compte tenu des conditions du sol, de la taille du système et de la surface disponible de terrain, une boucle fermée avec des puits verticaux à des tranchées horizontales a été choisie.
- Les crédits appliqués à l'étude de faisabilité, ingénierie et développement du projet correspondent à ceux qui auraient été engagés avec le système de base (conventionnel) de référence. En effet, cette analyse vise à établir la rentabilité des surcoûts du système géothermique par rapport à un système conventionnel.
- Peu de frais imprévus ont été ajouté. En les augmentant, une meilleure sécurité budgétaire serait assurée, mais la rentabilité du projet serait réduite. Dans le projet réel, il y a eu un dépassement de coûts de 100 000 $ à cause de coffrages supplémentaires des forages pour l'échangeur dans le sol.
- Aucun montant imprévu pour les frais annuels d'entretien n'ont été entré car ceux-ci seront les mêmes que pour un système conventionnel.
- Le taux d'endettement a été fixé de manière à correspondre à la subvention de 104 000 $. Toutes les sommes dépassant ce montant et le coût du système de référence sont donc bien considérées comme empruntées selon l'énoncé du problème.
- L'analyse donne un temps de retour sur l'investissement plus long que le temps de retour dans le projet réel. Il s'agit d'une estimation basée sur des frais d'entretien non vérifiés.
- L'hypothèse de roche légère au lieu de roche dense a une très grande influence sur la viabilité financière du projet. Il est très important de bien valider les hypothèses sur la nature du sol.
- Le taux de rendement interne (TRI) donné dans cette analyse concerne uniquement le surcoût d'investissement par rapport à un système classique et doit être interprété avec attention. Une part de 104 000 $ de ce surcoût est assurée par une subvention. La balance du surcoût est empruntée. Ce surcoût à l'investissement ne fait donc pas l'objet d'une « véritable » mise de fonds propre, et il y a possibilité d'avoir un TRI qui diverge à l'infini! Dans de telles situations, la valeur actualisée nette (VAN) d'un projet reste toujours une mesure très fiable d'évaluation de la viabilité financière d'un projet.
- Bien qu'aucune partie des surcoûts ne soit financée par des capitaux propres (ils sont soit l'objet d'une subvention, soit empruntés), il faut considérer que le budget de la commission scolaire qui aurait été consacré à l'achat du système conventionnel reste investi dans le système géothermique total et donc qu'une partie peut être considérée comme du capital propre investi. Cette façon de voir représente une forme de partage de risques pour les prêteurs qui ont à financer le surcoût de l'option géothermique.
Projet réel
Résultats
L'école secondaire Daniel Boone de Johnson City au Tennessee (États-Unis), a installé au cours de l'hiver 1995-96, un système de pompes à chaleur à boucle mitigée raccordée à une pompe à chaleur géothermique en boucle fermée. Cinq configurations ont été envisagées pour raccorder la boucle mitigée d'interconnexion des pompes à chaleur du bâtiment :
- Une chaudière à éléments électriques;
- une chaudière au gaz naturel;
- un stockage thermique de l'électricité;
- une chaudière au gaz naturel et une pompe à chaleur avec moteur au gaz naturel raccordées selon une configuration à 4 tuyaux; et
- un échangeur de chaleur constitué d'une boucle fermée enfouie dans le sol.
Un modèle horaire d'analyse énergétique détaillée a été utilisé pour évaluer ces options. Le système de référence qui a été utilisé comme base de comparaison était une boucle mitigée avec une chaudière au gaz naturel et une tourelle de refroidissement. Le modèle a été validé à partir des données réelles de consommation d'énergie et des données climatiques correspondantes, avant de procéder à la comparaison des différentes options. Le système évalué comme le plus intéressant est celui où l'on raccorde directement la boucle mitigée à un échangeur géothermique, avec des économies annuelles d'énergie de 29 000 $US.
L'étude de préfaisabilité montre que les coûts d'entretien sont réduits d'environ 0,55 $US/m² de plancher chauffé avec un échangeur de chaleur dans le sol plutôt qu'avec le système de référence. En effet, un tel échangeur demande beaucoup moins d'entretien qu'un système conventionnel et il n'y a à prévoir aucun traitement d'aucune quantité d'eau d'alimentation de la tourelle de refroidissement.
Les résultats de la première année d'exploitation du système indiquent des économies annuelles nettes de 33 000 $US, ce qui donnerait un temps de retour simple sur investissement de 6 ans. Un suivi prolongé de la consommation d'énergie du bâtiment montre que les pompes à chaleur installées et l'échangeur dans le sol auraient été surdimensionnés d'environ 1/3.
Description du système
L'échangeur de chaleur dans le sol est constitué de 320 forages de 45,7 m. Chaque trou foré contient 91,4 m de tuyau de polyéthylène de 1,9 cm de diamètre. Les trous forés sont groupés par grappes de 20 trous espacés de 4,6 m les uns des autres. Ces grappes sont raccordées aux collecteurs d'alimentation et de retour de 20,3 cm de diamètre, qui les relient à la chambre mécanique qui existait déjà. La capacité totale installée est de 1 410 kW de puissance frigorifique. Deux pompes circulatrices de 30 kW chacune et à deux vitesses, assurent la circulation dans l'échangeur géothermique.
Le système géothermique a coûté 451 000 $US. Ce montant dépasse de 100 000 $US l'estimation initiale à cause de frais inattendus. Le distributeur local d'électricité, Tennessee Valley Authority (TVA), a accepté de financer une partie du projet, afin de faire la démonstration de l'intérêt de la géothermie, mais aussi pour évaluer certaines caractéristiques du projet, notamment le pompage à vitesse variable dans la boucle et le dimensionnement de la boucle elle-même. TVA a contribué pour 104 000 $US au projet et a pris en charge, en plus, les frais de suivi de l'installation. Le coût d'une chaudière classique au gaz naturel, d'une tourelle de refroidissement, d'un échangeur de chaleur à plaques, des pompes et des contrôles avait été estimé à 150 000 $US. Le coût net ou supplémentaire du système géothermique est donc de 197 000 $US.
Leçons à tirer
- L'énergie de pompage pour faire circuler un fluide caloporteur dans une boucle mitigée ou une boucle d'échangeur enfoui dans le sol, peut être une source importante d'économies d'énergie et la stratégie de contrôle des pompes circulatrices mérite d'étre conçue avec soin. Souvent on se contente de faire circuler les fluides à débit constant, même quand les quantités d'énergie à échanger sont faibles. Il en résulte une consommation d'énergie électrique inutile qui diminue le rendement global de tels systèmes.
- Des coûts imprévus peuvent remettre en cause la viabilité économique d'un système géothermique. Cela vaut la peine de réaliser des estimations assez détaillées et de prévoir un coussin budgétaire pour imprévus. Les caractéristiques du sol devraient être établies par un géotechnicien local.
- Le surdimensionnement d'un échangeur géothermique résulte souvent d'une surestimation des charges de climatisation.
- Dans la construction neuve, des économies importantes en investissement peuvent être créditées à un système géothermique car il n'y a plus besoin que d'une chambre mécanique minimale en comparaison d'un système conventionnel. Cela contribue à améliorer la rentabilité financière de cette option.
Aperçu général
Les projets dans le secteur institutionnel sont une excellente occasion de démontrer les avantages de la géothermie. Ce marché accepte de long temps de retour sur l'investissement et se montre plus ouvert à l'innovation. Souvent, le premier projet de géothermie dans une région est réalisé dans un bâtiment institutionnel et contribue à former la main d'œuvre locale à cette technique, à condition que les entrepreneurs locaux aient les compétences minimales et la volonté de bien faire. Des projets à problèmes peuvent rapidement ternir la réputation de cette technologie. En particulier, un surdimensionnement systématique des installations conduira à des surcoûts inutiles encore plus importants avec cette technologie qu'avec un système classique, ce qui nuit à sa rentabilité financière.
Photo
École - Pompe à chaleur - Source : sol, Tennessee, États-Unis d'Amérique
Références
- Dinse, David, « Communications personnelles », Tennessee Valley Authority, mars 2000.
- Dinse, David., Geothermal System for School , ASHRAE Journal, mai 1998, pp.52-54.
- GeoExchange Case Study, Energy Crafted Homes in Connecticut, http://www.geoexchange.com, mars 2000.
- Henderson, H.I., Implications of Measured Commercial Building Loads on Geothermal System Sizing, ASHRAE Transactions, 1999, V. 105 # SE-99-20-02.
- Parent, Michel, « Communications personnelles », Technosim Inc., 2000.
