Analyse de projets de chauffage solaire de l'air - Notes du formateur
ACÉTATE 1 : Analyse de projets de chauffage solaire de l'air
Ceci est le module de formation Analyse de projets de chauffage solaire de l'air du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons l'exploitation de l'énergie solaire pour chauffer de l'air comme dans ce système de chauffage d'air de ventilation, intégré à la façade d'un grand bâtiment industriel de Montréal, au Québec, au Canada.
ACÉTATE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux de ce type de système de chauffage solaire de l'air (CSA); le deuxième, de vous présenter quels peuvent être les éléments essentiels à considérer dans une analyse d'implantation d'un tel système; et le troisième, de vous présenter le modèle RETScreen International pour chauffage solaire de l'air.
ACÉTATE 3 : Qu'est-ce que les systèmes de CSA fournissent?Les systèmes de chauffage solaire de l'air utilisent tout simplement l'énergie solaire pour chauffer de l'air de ventilation de bâtiments, ou de l'air de certains procédés, du séchage par exemple. Comme l'énergie solaire n'est pas disponible en tout temps ni constante en intensité, de tels systèmes ne fournissent généralement qu'une partie des besoins à combler et contribuent à réduire la consommation d'énergie habituelle, par exemple du gaz naturel ou du mazout, générant ainsi des économies sur les budgets de chauffage. La photo du haut montre une école de Yellowknife dans les Territoires du Nord-Ouest, au Canada, dont le système solaire de chauffage d'air de ventilation permet d'économiser une quantité de mazout équivalente annuellement au nombre de barils empilés derrière les enfants sur la photo.
Mais, un système de chauffage solaire de l'air fait plus que simplement produire de l'air chaud : il permet de remplacer le recouvrement de façade du mur sur lequel il est installé. Dans la construction neuve et les rénovations, cela signifie donc des économies de coûts de construction. On voit sur la photo du bas une vue rapprochée du matériau utilisé : il s'agit d'un parement de façade standard en acier, peint de couleur sombre et perforé d'une multitude de petits trous régulièrement espacés. En cas de pluie battante ou de neige poudreuse, l'eau qui viendrait à passer à travers ces trous s'écoule tout simplement vers le bas du mur où elle est drainée. Il n'y a aucun vitrage, ce qui rend le capteur solaire d'autant plus simple et robuste.
Ce capteur est monté à une certaine distance du mur, ce qui laisse un espace d'air entre le mur existant et le revêtement de tôle. Cet espace d'air, en contact avec le mur existant, permet de collecter l'air qui est aspiré au travers de chacun des petits trous. L'air aspiré bénéficie donc des déperditions thermiques du mur existant et les récupère dans le système de ventilation. On peut donc dire qu'un système de chauffage solaire de l'air réduit les pertes thermiques du mur sur lequel il est installé.
Dans les bâtiments industriels ayant de grandes hauteurs de plafond, l'air chaud s'accumule sous le toit et la température de l'air décroît généralement au fur et à mesure que l'on descend jusqu'au niveau du sol. Ce phénomène de stratification des températures a deux inconvénients : d'une part, les pertes par la toiture sont élevées; d'autre part, le confort du personnel qui travaille sur le plancher est affecté par des courants d'air froid. L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air permet de diminuer ce phénomène en mélangeant l'air neuf de ventilation à la poche d'air chaud coincée sous le plafond.
Le chauffage solaire de l'air permet de réduire les coûts de ventilation d'un bâtiment et encourage les exploitants à offrir une meilleure qualité d'air à leurs occupants.
Enfin, il faut signaler qu'un grand nombre de bâtiments ont des problèmes de confort causés par une dépressurisation du volume intérieur. Cela arrive lorsque le système de ventilation rejette plus d'air à l'extérieur qu'il n'en laisse rentrer de l'extérieur. Le phénomène est que cela favorise les infiltrations d'air froid par les ouvertures du bâtiment (bas des portes de garage, couloirs, etc.) et des mouvements d'air inconfortables. Un système de chauffage solaire de l'air qui apporte de l'air extérieur permet de corriger la situation.
ACÉTATE 4 : Fonctionnement d'un système de CSA
Le principe de fonctionnement d'un tel système est très simple : il permet de convertir de 50 à 80 % du rayonnement solaire en chaleur utile du bâtiment et ce, à partir d'un petit nombre d'éléments. Le capteur solaire est une simple plaque métallique perforée de couleur sombre à travers laquelle on aspire uniformément de l'air extérieur. Cette plaque sert en même temps de revêtement de façade d'acier ou d'aluminium. Il s'agit donc d'un composant de construction simple, robuste et peu coûteux. L'air aspiré derrière le mur solaire circule dans l'espace ménagé entre celui-ci et le mur du bâtiment, puis se ramasse dans un conduit au niveau de la toiture où se trouve le système de ventilation qui le distribue à l'intérieur du bâtiment. Voyons maintenant de plus près comment fonctionnent ces différents éléments :
Point 1 : Tout d'abord, le rayonnement solaire se transforme en chaleur lorsqu'il est absorbé par la surface sombre du capteur solaire. L'air à proximité de cette plaque s'échauffe également.
Point 2 : Le système de ventilation aspire l'air extérieur à travers les perforations du capteur, puis le fait circuler dans l'espace entre le capteur et le mur du bâtiment. On récupère ainsi la chaleur de l'air qui s'est réchauffé au contact de la plaque sombre au lieu de la laisser se perdre dans des courants de convection. De plus, la température de la surface de capteur solaire ne s'élève que de très peu par rapport à la température ambiante extérieure, ce qui fait que les pertes thermiques sont très faibles et que le capteur solaire n'a donc pas besoin d'un vitrage pour offrir des rendements élevés.
Point 3 : Selon les applications, on contrôle la température de l'air fourni au bâtiment au moyen de registres qui ajustent automatiquement la proportion d'air neuf et d'air recirculé dans l'air envoyé dans le bâtiment. On peut aussi contrôler cette température en modulant le débit de ventilation ou encore en ajoutant un chauffage auxiliaire de l'air au mazout, au gaz naturel ou à l'électricité.
Point 4 : L'air est alors distribué dans le bâtiment.
Point 5 : On remarquera que la conception même d'un système de chauffage solaire d'air de ventilation permet de récupérer les pertes thermiques du mur du bâtiment. Dans le bilan thermique du bâtiment, les pertes de ce mur peuvent être typiquement réduites jusqu'à la moitié.
Point 6 : Dans les bâtiments soumis au phénomène de stratification des températures de l'air, on peut se permettre de fournir l'air neuf à une température inférieure à la température normalement désirée. L'air neuf, en se mélangeant à l'air surchauffé au niveau du plafond, devient alors à une température confortable. C'est une façon de récupérer de la chaleur qui aurait autrement été perdue à travers l'isolation de la toiture ou dans les extracteurs d'air vicié montés en toiture.
Point 7 : Signalons qu'en été, lorsque l'on ne veut pas d'apports solaires, il est possible d'utiliser un registre de dérivation qui permet d'aspirer directement l'air extérieur sans qu'il n'ait été échauffé.
ACÉTATE 5 : Systèmes de CSA commerciaux et résidentiels
Dans ces bâtiments, on retrouve deux configurations d'installation. Dans les immeubles d'appartements ou les écoles, les systèmes de ventilation sont généralement indépendants des systèmes de chauffage et de climatisation. Dans les autres bâtiments, les deux fonctions sont généralement combinées et les gaines de chauffage ou de climatisation transportent 10 à 20 % d'air neuf. Les systèmes de chauffage solaire de l'air peuvent s'adapter à chacune de ces 2 configurations.
Dans les bâtiments déjà conçus avec un système de ventilation, il n'est généralement pas nécessaire de prévoir des ventilateurs ou des conduits supplémentaires pour ajouter un système solaire. Le collecteur d'air du capteur solaire vient s'adapter au niveau de la prise d'air neuf du système conventionnel de ventilation.
On soutire un débit constant à travers le capteur solaire et la température de préchauffage augmente avec le niveau d'ensoleillement, Le système de chauffage conventionnel a alors besoin de fournir moins d'énergie. Le coût d'installation d'un système de chauffage solaire de l'air est donc peu élevé et son intégration à un système de ventilation standard ne pose pas de problème.
Dans les bâtiments résidentiels ou de type commercial, on est généralement peu confronté au problème de stratification des températures car les mouvements d'air y assurent un bon mélange et les hauteurs de plafond sont limitées.
En augmentant la température d'alimentation en air neuf du système standard de ventilation, celui-ci peut se permettre plus souvent d'augmenter la proportion d'air neuf, sans augmenter la consommation d'énergie, ce qui contribue à augmenter la qualité de l'air intérieur.
De plus, dans certains systèmes de climatisation, le système de chauffage solaire de l'air peut contribuer aussi à améliorer la qualité de l'air en augmentant, dans certaines conditions, le débit d'air neuf utilisable en mode de refroidissement par surventilation. Ce mode de refroidissement utilise l'air frais de l'extérieur pour rafraîchir les bâtiments lorsque les conditions le permettent, plutôt que de faire marcher des groupes frigorifiques. Lorsque la température extérieure devient plus fraîche, on diminue l'apport d'air neuf. Mais si le capteur solaire réchauffe l'air, on peut continuer d'utiliser des proportions plus élevées d'air neuf et donc améliorer la qualité de l'air intérieur.
ACÉTATE 6 : Systèmes de CSA industriels
Les systèmes solaires de chauffage d'air de ventilation s'adaptent très bien aux locaux industriels, hauts et vastes comme des usines ou des entrepôts. Ils diffèrent en 3 points des systèmes de type résidentiel ou commercial :
Point 1 : Ces systèmes comprennent des conduits de distribution de l'air neuf fournis avec le système solaire, alors que dans les systèmes de type commercial ou industriel, il suffit de se raccorder au système standard déjà prévu pour le
chauffage, la climatisation et la ventilation. Les conduits d'air sont des gaines flexibles perforées qui permettent à l'air de s'échapper au niveau du plafond.
Point 2 : Le débit dans le capteur solaire varie alors que dans les systèmes de type commercial ou résidentiel, on utilise un débit constant. C'est un jeu de registres dans une boîte de mélange qui fait varier le débit d'air neuf en fonction de la température de l'air fourni par le système solaire. Le système de ventilation distribue l'air mélangé dans le bâtiment avec un débit constant mais les proportions d'air neuf et d'air recyclé varieront de manière à redistribuer l'air à une température constante.
Point 3 : La température d'air souhaitée pour le distribuer dans le bâtiment est généralement entre 15 et 18 ºC, c'est-à-dire à une température inférieure à la température de confort. C'est que cela permet d'exploiter la température trop élevée que tendrait naturellement à avoir l'air au niveau du plafond. L'air neuf mélangé à l'air chaud qui monte au plafond redescendra au niveau du sol à une température confortable. C'est ainsi que l'on réduit la stratification des températures du bâtiment, ce qui réduit ses besoins de chauffage.
ACÉTATE 7 : Systèmes de CSA pour le chauffage de l'air de procédé
De nombreux procédés, que ce soit dans l'agriculture ou dans l'industrie, utilisent de grandes quantités d'air qui ont besoin d'être plus ou moins chauffées. Ces besoins peuvent souvent être comblés en partie par un système de chauffage solaire de l'air.
Dans ces systèmes, les capteurs solaires sont installés sur une surface convenablement orientée au soleil. Par exemple, dans les pays tropicaux, on pourra utiliser un toit à faible pente. L'air fourni par les capteurs solaires alimente directement le procédé. Sa température est contrôlée soit par un apport de chaleur d'un système auxiliaire de chauffage, soit par mélange à de l'air extérieur ou à de l'air recyclé. Lorsque l'on installe un système de chauffage auxiliaire, cela permet de faire fonctionner le procédé indépendamment des conditions d'ensoleillement tout en bénéficiant des économies d'énergie conventionnelle remplacée par l'énergie solaire lorsqu'elle est disponible.
Le séchage des récoltes est un bel exemple d'utilisation des systèmes de chauffage solaire de l'air. Cette photo montre une installation de séchage du thé, un projet réalisé en Indonésie dans la partie occidentale de l'Île de Java. Le séchage des récoltes demande de grands volumes d'air tiède, pas trop chaud, de façon à sécher les plantes et non à les cuire. Il s'agit d'une application idéale des capteurs solaires à air perforés sans vitrage, qui sont conçus pour n'élever la température de l'air que de quelques dizaines de degrés Celsius.
Dans les procédés industriels, même si les volumes d'air neuf doivent souvent être chauffés à de plus hautes températures, un système solaire de l'air peut être utilisé en mode de préchauffage, ce qui conduit à des économies d'énergie.
ACÉTATE 8 : Ressource solaire vs demande en chauffage de l'air de ventilation
La ressource solaire est-elle disponible quand il y a des besoins de chauffage de l'air de ventilation? Nous devons en effet nous poser cette question car un système de chauffage solaire de l'air n'a de sens que s'il y a des besoins de chauffage lorsque le système solaire produit de la chaleur. Par ailleurs, certaines personnes doutent de l'efficacité d'un système solaire pour fournir de l'air de ventilation, croyant qu'en hiver, au milieu de la saison de chauffage, il n'y a pour ainsi dire pas d'ensoleillement.
Pour répondre à ces questions, nous vous proposons de regarder les graphiques suivants qui donnent l'ensoleillement moyen pour chacun des mois de l'année dans 5 villes à travers le monde. L'ensoleillement est donné en kWh/jour sur un m² de surface verticale faisant face à l'équateur, sauf pour Jakarta. Le mois 1 correspond au mois de janvier.
La période où il y a des besoins de chauffage de l'air de ventilation est illustrée par les barres ombrées en bleu qui correspondent aux mois dont la température moyenne est inférieure à 10 ºC.
Iqaluit est la capitale du Nunavut, au Canada, proche du cercle Arctique. Pendant tous les mois de l'année, il peut être utile de chauffer l'air de ventilation. Comme il y a peu de nuages à Iqaluit, en hiver et au printemps, une surface verticale orientée au sud bénéficie pleinement de l'énergie provenant du soleil, bas à l'horizon. C'est vrai tout particulièrement de mars à mai alors que les températures sont encore très froides. On voit donc que le chauffage solaire de l'air s'adapte très bien aux conditions du Grand Nord.
Moscou, en Russie, est environ 10º plus au sud qu'Iqaluit, et le climat y est plus nuageux. La ressource solaire y est moins intéressante mais reste présente pendant la saison froide, surtout en fin d'hiver.
Buffalo, aux États-Unis dans l'état de New York, est encore 10º plus au sud et a un climat continental. On a besoin de chauffer l'air de ventilation environ 6 mois par an. On notera que sur un plan vertical face au sud, c'est au coeur de la saison froide, en février, que l'ensoleillement y est le plus important, et les mois d'hiver offrent une meilleure ressource que les mois d'été.
Cette tendance est encore plus fortement marquée à Lanzhou, en Chine, à une latitude nord de 36º. Bien que l'on soit au sud, les hivers y sont rudes mais bien ensoleillés, ce qui montre le chauffage solaire de l'air comme étant intéressant à moyenne latitude.
Le dernier graphique concerne Jakarta, en Indonésie, au niveau de l'équateur. Il n'y a pas besoin de chauffage, mais un système solaire de chauffage de l'air peut servir au séchage des récoltes. Dans ce graphique, l'ensoleillement n'est pas celui d'une surface verticale mais celui d'une surface horizontale, comme si on installait le capteur en toiture. L'ensoleillement varie peu d'un mois à l'autre et demeure élevé toute l'année.
ACÉTATE 9 : Coûts et économies générés par un système de CSA
L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air nécessite un certain investissement qui génère ensuite des économies sur les coûts de chauffage. Dans le cadre d'une analyse sommaire, on peut ramener ces montants à 1 m² de capteur solaire. Comme ces systèmes ne demandent pratiquement aucun entretien, les seuls coûts importants sont l'investissement initial.
Regardons les économies générées : 1 m² de capteur solaire produira de 1 à 3 GJ d'énergie thermique utile par année. Cette quantité d'énergie réduit donc la consommation de combustibles classiques comme le gaz naturel, le mazout ou l'électricité. Le prix de ces combustibles varie dans le temps et selon les régions. Le gaz naturel, par exemple, coûte entre 17 et 45 ¢ le m³ selon les régions qui sont desservies par un réseau de gazoducs.
Si l'on considère la valeur de 2 GJ/m² par an comme valeur typique produite par 1 m² de capteur solaire à air et que l'on utilise des valeurs représentatives des rendements de chaudières à combustible classique, on peut donc calculer le revenu annuel généré par 1 m² de capteur solaire. Le graphique en bas de l'image montre que les économies produites annuellement par 1 m² de capteur solaire sont de 10 à 30 $ lorsqu'on évite de consommer du gaz naturel, de 20 à 45 $ pour du mazout et de 30 à 65 $ pour de l'électricité.
Si l'on s'intéresse maintenant aux coûts d'un système de chauffage solaire de l'air, il faut compter entre 100 et 250 $ par m² de capteur solaire, installation comprise. Ces coûts dépendent de l'ampleur du projet, du lieu de construction et des contraintes d'installation propres à certains bâtiments. En général, il n'est pas nécessaire d'ajouter quoique ce soit au système de ventilation initialement prévu mais quelquefois des modifications peuvent représenter l'équivalent de 100 $/m² de capteur solaire, si bien que le coût total d'un projet pourra varier entre 100 et 350 $/m² de capteur solaire. Il ne faut pas oublier que l'installation d'un système de chauffage solaire de l'air permet de remplacer un parement de façade et il y a donc des économies au niveau des matériaux et de l'installation de ceux-ci, qui peuvent représenter un tiers à une moitié des coûts et de l'installation du capteur solaire. Le coût net d'un système solaire de chauffage oscillera donc entre 50 et 225 $/m² de capteur solaire. La plupart des installations tombent dans la partie inférieure de cette plage de coûts.
Lorsque l'on compare ces coûts d'investissement aux économies générées annuellement, on voit que l'on peut obtenir des temps de retour simple sur investissement typiquement de 2 à 5 ans. Comme la durée de vie d'un système de chauffage solaire de l'air est de plusieurs décennies, il s'agit d'un investissement très intéressant qui générera année après année des économies, longtemps après que le système sera remboursé.
ACÉTATE 10 : Enjeux d'un projet de chauffage solaire de l'air
L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air est particulièrement intéressante dans le cas d'une nouvelle construction. En effet, on bénéficie directement dans ce cas des coûts évités au niveau du parement de façade conventionnel qu'il aurait fallu installer, ce qui réduit le coût net du système solaire. De plus, le système de ventilation peut être conçu et positionné dans le bâtiment de manière à faciliter l'installation des capteurs solaires, à minimiser les longueurs de conduits et à éviter l'ajout d'un ventilateur.
L'autre type d'application du chauffage solaire de l'air qui suit, au niveau de la rentabilité, est la rénovation de bâtiments, lorsque les parements de façade doivent être remplacés ou les murs extérieurs réparés, ou encore lorsqu'il y a des problèmes de qualité d'air intérieur ou d'infiltrations d'air causées par une pression négative à l'intérieur des locaux. Dans ce cas, on peut bénéficier des économies sur les coûts évités en parement de façade, mais il peut y avoir de coûts pour modifier le système existant de ventilation, par exemple pour relocaliser la prise d'air extérieur. Lorsque les coûts de l'énergie sont élevés, un système de chauffage solaire de l'air de ventilation ou de procédé peut être rentable uniquement par les économies d'énergie qu'il procure.
Il n'y a pas que le noir qui est une couleur efficace pour capter l'énergie solaire. D'autres couleurs sombres ont une absorptivité qui se situe entre 0,80 et 0,95, et si on préfère une autre couleur que le noir, on pénalisera les performances d'au plus 15 % environ. On peut donc s'équiper d'un système de chauffage solaire de l'air sans sacrifier l'intégration architecturale.
Lorsque les bâtiments ne sont pas occupés, leurs besoins de ventilation sont réduits. Un système de chauffage solaire de l'air sera donc plus rentable dans les bâtiments occupés en permanence, 7 jours par semaine.
Il est plus facile d'installer un système solaire sur un mur qui ne comprend pas d'ouvertures, ni portes ni fenêtres. Cependant, il est toujours possible de les incorporer si nécessaire.
L'entretien d'un système de chauffage solaire de l'air est quasi nul. Le registre de prise d'air directe à l'extérieur, pour les chaudes journées, demande peu de surveillance et s'entretient comme n'importe quel registre de dérivation. Le système de ventilation ne demande aucune attention particulière parce que sa prise d'air extérieur se fait par l'intermédiaire d'un système solaire. Le capteur solaire ne demande pas plus d'entretien qu'un revêtement de façade ordinaire. Si nécessaire, il peut être repeint comme tout autre parement d'acier. Les salissures n'affectent pas le rendement de manière significative. Les perforations ne s'obstruent jamais à cause du pollen, de la poussière fine ou de la neige poudreuse car le débit d'air réparti sur toute la surface du mur n'est pas suffisant pour attirer ces particules. Le débit d'air chaud entre le capteur solaire et le mur assèche cet endroit qui n'est pas attirant pour les insectes. Ces constats, basés sur plusieurs années d'expérience, doivent donc rassurer ceux qui envisagent adopter un tel système.
ACÉTATE 11: Système de chauffage de l'air de ventilation - Exemples : Canada et États-unis
Jusqu'à présent, la majorité des projets de chauffage solaire de l'air ont été pour la ventilation de bâtiments. En préchauffant l'air de ventilation, on réduit les coûts d'exploitation des bâtiments, leur permettant d'avoir une meilleure qualité d'air intérieur.
En bas à gauche, on voit un bâtiment scolaire préfabriqué dans lequel il y avait de sérieux problèmes de qualité d'air. Il serait revenu très cher d'augmenter les débits de ventilation pour les résoudre mais cela est devenu possible lorsque l'on a pu exploiter l'énergie solaire qui est disponible aux heures de classe.
Chauffer de l'air extérieur à l'énergie solaire est particulièrement avantageux dans les bâtiments industriels qui ont besoin de grandes quantités d'air neuf pour remplacer l'air extrait d'ateliers de peinture, de soudure, des chaînes de montage d'automobiles ou d'autres procédés industriels. Le chauffage solaire de l'air s'applique également aux bâtiments de type commercial ou résidentiel. La photo en haut à droite montre un immeuble en hauteur situé en Ontario, au Canada. La bande sombre près du coin de l'immeuble est formée du capteur solaire.
Les capteurs solaires peuvent n'avoir que quelques m² de surface comme ils peuvent atteindre plusieurs milliers de m². Les premiers s'appliqueront par exemple à des maisons unifamilliales alors que les autres se retrouveront plutôt sur de grands bâtiments industriels. Dans la région de Montréal, au Québec, existe un mur de 10 000 m², installé sur une usine aéronautique. Ce mur est équivalent à celui d'un bâtiment de 3 étages qui aurait 1 km de long. C'est ce projet qui illustre le premier et le dernier acétate de cette présentation.
Dans l'hémisphère nord, il est préférable d'installer le capteur solaire sur une façade sud, mais toutes les orientations situées du plein est au plein ouest peuvent permettre une utilisation rentable de l'énergie solaire. On évite des coûts de conduits d'air si on peut utiliser le mur où se trouve déjà la prise d'air neuf.
Des systèmes de chauffage solaire de l'air peuvent avoir des temps de retour simple compris entre 2 et 5 ans dans le cas d'installations lors d'une nouvelle construction, pour réhabiliter un mur extérieur vétuste, pour résoudre des problèmes de qualité d'air intérieur, ou encore des infiltrations inconfortables. Les systèmes industriels sont souvent ceux qui sont les plus rentables. En bas à droite, on voit un exemple d'un tel bâtiment situé en Nouvelle Angleterre, au Connecticut. Le capteur solaire a été choisi de couleur brune et peut facilement s'accommoder des nombreuses ouvertures que l'on retrouve sur cette façade.
ACÉTATE 12 : Système de chauffage de l'air de procédé - Exemple : Indonésie
Cette photo montre une installation de séchage du thé, réalisée dans la partie occidentale de Java en Indonésie. L'air chaud fourni par les capteurs solaires peut être utile au séchage des récoltes ou à des procédés industriels.
Généralement, ces systèmes utilisent un débit constant dans le capteur solaire, comme dans les systèmes de type commercial ou résidentiel, ce qui rend leur contrôle très simple. Si nécessaire, un système de chauffage auxiliaire réchauffe l'air à la sortie du capteur solaire si la température qu'il fournit n'est pas suffisante.
Dans ce type d'application, il est rare de pouvoir bénéficier de crédits (ou de coûts évités) en matériaux de recouvrement de bâtiments. Ces systèmes doivent donc se rentabiliser par les seules économies d'énergie qu'ils procurent. Leur application devient intéressante dès que les prix de l'énergie sont plus élevés.
Le séchage des récoltes est une application très intéressante de l'énergie solaire surtout si les économies sont réalisées en évitant l'achat de mazout, un combustible cher, ce qui était le cas de ce séchoir à thé. On peut d'autant plus justifier l'investissement dans une installation solaire que celle-ci peut être utilisée plus longtemps dans l'année. On visera donc d'abord des cultures dont la récolte se fait tout au long de l'année. Dans les climats de mousson ou ayant une saison pluvieuse, on favorisera plutôt les cultures dont la récolte se fait pendant la saison sèche.
ACÉTATE 13 : Modèle RETScreen pour les projets de chauffage solaire de l'air
Bien que simple, ce modèle est un outil très pratique dans le cadre d'une analyse préliminaire de la faisabilité technique et financière d'implanter un système de chauffage solaire de l'air. Où qu'elle soit réalisée dans le monde, une installation peut être analysée au niveau de l'énergie produite, des coûts globaux sur la durée de vie, et des réductions d'émissions de gaz à effet de serre, qu'il s'agisse de fournir de l'air de ventilation à un bâtiment ou de l'air à un procédé. Dans le cas des bâtiments, RETScreen calcule également la récupération des pertes thermiques du mur sur lequel le système solaire est installé. Dans le cas des bâtiments industriels, le modèle tient compte des économies réalisées en déstratifiant les températures de l'air à l'intérieur du bâtiment.
Pour effectuer une telle analyse, l'utilisateur fournira 3 données météorologiques pour chacun des mois de l'année : la température moyenne, l'ensoleillement moyen quotidien au sol, et la vitesse moyenne du vent. Cependant, ces données sont disponibles dans une base de données intégrée à RETScreen et couvrent le monde entier. L'utilisation de moyennes mensuelles facilite l'obtention et le traitement de ces données en comparaison des séries de 8 760 valeurs qu'il faut manipuler dans un logiciel de simulation horaire.
Le modèle RETScreen a été conçu pour représenter les performances de la technologie
du mur solaire « Solarwall » développé par la société Conserval Engineering et n'a pas été mis au point pour d'autres types de capteurs solaires à air. Le modèle ne tient pas non plus compte des possibilités de récupération de chaleur sur l'air extrait du bâtiment, que ce soit en complément du système solaire ou pour une analyse comparative si un système de ventilation à récupération de chaleur était utilisé au lieu du système de chauffage solaire de l'air. Enfin, dans le modèle, on considère que le bâtiment aura un système de ventilation équilibré après installation du système solaire; c'est-à-dire que l'on extrait autant d'air du bâtiment que l'on en introduit, ce qui n'est pas le cas de tous les bâtiments.
ACÉTATE 14 : Calculs RETScreen : chauffage solaire de l'air
Comme on l'a mentionné précédemment, ce modèle utilise les moyennes mensuelles de température, d'ensoleillement quotidien au sol et de vitesse du vent, afin de calculer la quantité d'énergie produite par le système solaire de ventilation pendant sa saison d'utilisation. Comme il ne s'agit pas d'un modèle de simulation horaire, ces valeurs mensuelles sont suffisantes. Voici un aperçu de la structure de ce modèle. Pour plus de précisions, l'utilisateur peut consulter le Manuel d'ingénierie et d'études de cas disponible sans frais sur le site Internet de RETScreen, à la rubrique e-Manuel.
RETScreen effectue trois calculs : celui de l'énergie solaire effectivement transmise au système de ventilation, celui des pertes thermiques récupérées du mur du bâtiment recouvert par le capteur solaire et celui des économies associées à une destratification des températures à l'intérieur des bâtiments industriels.
Dans le cas d'un bâtiment industriel, le résultat est la somme de ces trois calculs. Pour un bâtiment de type commercial ou résidentiel, on ne tient pas compte de la stratification des températures dans le bâtiment. Dans le cas de procédés industriels, seuls les gains solaires sont pris en compte.
L'énergie solaire effectivement transmise au système de ventilation ou au procédé est calculée en différentes étapes. On commence par calculer l'ensoleillement dans le plan du capteur solaire à partir des données fournies au sol, c'est-à-dire sur un plan horizontal. Ensuite, RETScreen établit un rendement de capteur solaire à partir du débit d'air qui le traverse et de la vitesse du vent, comme principales variables. Connaissant le rendement du capteur solaire et l'ensoleillement qui atteint sa surface, RETScreen peut calculer l'énergie transmise à l'air qui traverse le capteur et donc l'élévation de température qu'il subit. Ensuite, en fonction de la température d'air désirée, RETScreen tient compte de la portion d'énergie solaire qui peut ne pas être utile lorsque la température extérieure est clémente ou que l'ensoleillement est élevé.
Dans le cas des bâtiments de type commercial ou résidentiel, et des procédés industriels, le calcul de l'énergie solaire transmise à l'air de ventilation est direct. Dans le cas des systèmes industriels, on doit tenir compte du fait que le débit d'air à travers le capteur solaire varie en fonction de la température à laquelle il est capable de fournir l'air neuf. Cette variation de débit est obtenue au moyen de registres dans une boîte de mélange d'air neuf et d'air recyclé. La conséquence de ce débit variable est un rendement variable du capteur solaire, et donc des variations de la température de l'air neuf fourni. Pour tenir compte de ces variations, RETScreen utilise donc une série de boucles de calculs par itération. On reprend à trois reprises les calculs de l'élévation de température de l'air et du rendement de capteur solaire.
ACÉTATE 15 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de CSA
Le modèle RETScreen a été validé de plusieurs façons. Par exemple, on l'a comparé au modèle de simulation horaire SWift de Ressources naturelles Canada. Ce modèle horaire utilise des algorithmes sophistiqués basés sur des calculs thermodynamiques plutôt que sur des corrélations empiriques basées sur les performances mesurées sur le terrain.
Pour comparer ces deux modèles, on a utilisé un projet théorique utilisant un capteur solaire noir, pour un bâtiment de 1 200 m² ayant besoin d'un apport d'air neuf de 4000 L/s. La surface du capteur solaire varie avec les objectifs de conception et est de 100 m² pour des conditions d'utilisation à haut rendement. Les deux villes canadiennes de Toronto en Ontario et de Winnipeg au Manitoba ont été choisies pour leurs données météorologiques. Trois combinaisons de type de système solaire et de dimensions de capteurs ont été évaluées avec les deux modèles : un système commercial avec un rendement élevé, et un système industriel avec soit un rendement élevé, soit une forte hausse de température au passage du capteur solaire.
Les 2 modèles donnent les mêmes résultats à une différence de 10 % près dans cinq cas sur les six. Sur une base annuelle, RETScreen ne semble ni surestimer, ni sous-estimer les performances du système solaire. Ceci nous laisse croire que RETScreen peut être considéré comme étant aussi précis qu'un modèle de simulation horaire, en tout cas, sa précision est suffisante pour réaliser des préliminaires de faisabilité.
ACÉTATE 16 : Conclusions
Le chauffage solaire de l'air est une technologie rentable pour ventiler des bâtiments de type industriel, commercial ou résidentiel et fournir de l'air chaud à des procédés industriels. Dans de nombreux climats, il y a une bonne ressource solaire pendant la saison de chauffage de l'air de ventilation.
Les capteurs solaires d'un système de ventilation ne sont pas juste des capteurs d'énergie solaire; ce sont aussi un véritable parement de façade. Un système de chauffage d'air de ventilation se connecte directement à la prise d'air neuf d'un système standard de ventilation. Un système solaire est encore plus rentable s'il est prévu dès la construction d'un nouveau bâtiment ou lors de travaux de réhabilitation d'une façade, de travaux d'amélioration de la qualité d'air intérieur ou pour rééquilibrer un système de ventilation.
Le modèle RETScreen calcule l'énergie produite par le système de chauffage solaire de l'air, le rendement des capteurs solaires et l'élévation de température de l'air qui les traverse. Le calcul de l'énergie produite tient compte, lorsque cela s'applique, des pertes thermiques récupérées du mur du bâtiment recouvert par le capteur solaire et des économies dues à la déstratification des températures des bâtiments industriels. En utilisant des données mensuelles, RETScreen offre une précision de calcul comparable à celle de modèles de simulation horaire et réduit considérablement les coûts de réalisation d'études préliminaires de faisabilité sur l'implantation de projets de chauffage solaire de l'air.
ACÉTATE 17 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de chauffage solaire de l'air du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
Ceci est le module de formation Analyse de projets de chauffage solaire de l'air du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons l'exploitation de l'énergie solaire pour chauffer de l'air comme dans ce système de chauffage d'air de ventilation, intégré à la façade d'un grand bâtiment industriel de Montréal, au Québec, au Canada.
ACÉTATE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux de ce type de système de chauffage solaire de l'air (CSA); le deuxième, de vous présenter quels peuvent être les éléments essentiels à considérer dans une analyse d'implantation d'un tel système; et le troisième, de vous présenter le modèle RETScreen International pour chauffage solaire de l'air.
ACÉTATE 3 : Qu'est-ce que les systèmes de CSA fournissent?Les systèmes de chauffage solaire de l'air utilisent tout simplement l'énergie solaire pour chauffer de l'air de ventilation de bâtiments, ou de l'air de certains procédés, du séchage par exemple. Comme l'énergie solaire n'est pas disponible en tout temps ni constante en intensité, de tels systèmes ne fournissent généralement qu'une partie des besoins à combler et contribuent à réduire la consommation d'énergie habituelle, par exemple du gaz naturel ou du mazout, générant ainsi des économies sur les budgets de chauffage. La photo du haut montre une école de Yellowknife dans les Territoires du Nord-Ouest, au Canada, dont le système solaire de chauffage d'air de ventilation permet d'économiser une quantité de mazout équivalente annuellement au nombre de barils empilés derrière les enfants sur la photo.
Mais, un système de chauffage solaire de l'air fait plus que simplement produire de l'air chaud : il permet de remplacer le recouvrement de façade du mur sur lequel il est installé. Dans la construction neuve et les rénovations, cela signifie donc des économies de coûts de construction. On voit sur la photo du bas une vue rapprochée du matériau utilisé : il s'agit d'un parement de façade standard en acier, peint de couleur sombre et perforé d'une multitude de petits trous régulièrement espacés. En cas de pluie battante ou de neige poudreuse, l'eau qui viendrait à passer à travers ces trous s'écoule tout simplement vers le bas du mur où elle est drainée. Il n'y a aucun vitrage, ce qui rend le capteur solaire d'autant plus simple et robuste.
Ce capteur est monté à une certaine distance du mur, ce qui laisse un espace d'air entre le mur existant et le revêtement de tôle. Cet espace d'air, en contact avec le mur existant, permet de collecter l'air qui est aspiré au travers de chacun des petits trous. L'air aspiré bénéficie donc des déperditions thermiques du mur existant et les récupère dans le système de ventilation. On peut donc dire qu'un système de chauffage solaire de l'air réduit les pertes thermiques du mur sur lequel il est installé.
Dans les bâtiments industriels ayant de grandes hauteurs de plafond, l'air chaud s'accumule sous le toit et la température de l'air décroît généralement au fur et à mesure que l'on descend jusqu'au niveau du sol. Ce phénomène de stratification des températures a deux inconvénients : d'une part, les pertes par la toiture sont élevées; d'autre part, le confort du personnel qui travaille sur le plancher est affecté par des courants d'air froid. L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air permet de diminuer ce phénomène en mélangeant l'air neuf de ventilation à la poche d'air chaud coincée sous le plafond.
Le chauffage solaire de l'air permet de réduire les coûts de ventilation d'un bâtiment et encourage les exploitants à offrir une meilleure qualité d'air à leurs occupants.
Enfin, il faut signaler qu'un grand nombre de bâtiments ont des problèmes de confort causés par une dépressurisation du volume intérieur. Cela arrive lorsque le système de ventilation rejette plus d'air à l'extérieur qu'il n'en laisse rentrer de l'extérieur. Le phénomène est que cela favorise les infiltrations d'air froid par les ouvertures du bâtiment (bas des portes de garage, couloirs, etc.) et des mouvements d'air inconfortables. Un système de chauffage solaire de l'air qui apporte de l'air extérieur permet de corriger la situation.
ACÉTATE 4 : Fonctionnement d'un système de CSA
Le principe de fonctionnement d'un tel système est très simple : il permet de convertir de 50 à 80 % du rayonnement solaire en chaleur utile du bâtiment et ce, à partir d'un petit nombre d'éléments. Le capteur solaire est une simple plaque métallique perforée de couleur sombre à travers laquelle on aspire uniformément de l'air extérieur. Cette plaque sert en même temps de revêtement de façade d'acier ou d'aluminium. Il s'agit donc d'un composant de construction simple, robuste et peu coûteux. L'air aspiré derrière le mur solaire circule dans l'espace ménagé entre celui-ci et le mur du bâtiment, puis se ramasse dans un conduit au niveau de la toiture où se trouve le système de ventilation qui le distribue à l'intérieur du bâtiment. Voyons maintenant de plus près comment fonctionnent ces différents éléments :
Point 1 : Tout d'abord, le rayonnement solaire se transforme en chaleur lorsqu'il est absorbé par la surface sombre du capteur solaire. L'air à proximité de cette plaque s'échauffe également.
Point 2 : Le système de ventilation aspire l'air extérieur à travers les perforations du capteur, puis le fait circuler dans l'espace entre le capteur et le mur du bâtiment. On récupère ainsi la chaleur de l'air qui s'est réchauffé au contact de la plaque sombre au lieu de la laisser se perdre dans des courants de convection. De plus, la température de la surface de capteur solaire ne s'élève que de très peu par rapport à la température ambiante extérieure, ce qui fait que les pertes thermiques sont très faibles et que le capteur solaire n'a donc pas besoin d'un vitrage pour offrir des rendements élevés.
Point 3 : Selon les applications, on contrôle la température de l'air fourni au bâtiment au moyen de registres qui ajustent automatiquement la proportion d'air neuf et d'air recirculé dans l'air envoyé dans le bâtiment. On peut aussi contrôler cette température en modulant le débit de ventilation ou encore en ajoutant un chauffage auxiliaire de l'air au mazout, au gaz naturel ou à l'électricité.
Point 4 : L'air est alors distribué dans le bâtiment.
Point 5 : On remarquera que la conception même d'un système de chauffage solaire d'air de ventilation permet de récupérer les pertes thermiques du mur du bâtiment. Dans le bilan thermique du bâtiment, les pertes de ce mur peuvent être typiquement réduites jusqu'à la moitié.
Point 6 : Dans les bâtiments soumis au phénomène de stratification des températures de l'air, on peut se permettre de fournir l'air neuf à une température inférieure à la température normalement désirée. L'air neuf, en se mélangeant à l'air surchauffé au niveau du plafond, devient alors à une température confortable. C'est une façon de récupérer de la chaleur qui aurait autrement été perdue à travers l'isolation de la toiture ou dans les extracteurs d'air vicié montés en toiture.
Point 7 : Signalons qu'en été, lorsque l'on ne veut pas d'apports solaires, il est possible d'utiliser un registre de dérivation qui permet d'aspirer directement l'air extérieur sans qu'il n'ait été échauffé.
ACÉTATE 5 : Systèmes de CSA commerciaux et résidentiels
Dans ces bâtiments, on retrouve deux configurations d'installation. Dans les immeubles d'appartements ou les écoles, les systèmes de ventilation sont généralement indépendants des systèmes de chauffage et de climatisation. Dans les autres bâtiments, les deux fonctions sont généralement combinées et les gaines de chauffage ou de climatisation transportent 10 à 20 % d'air neuf. Les systèmes de chauffage solaire de l'air peuvent s'adapter à chacune de ces 2 configurations.
Dans les bâtiments déjà conçus avec un système de ventilation, il n'est généralement pas nécessaire de prévoir des ventilateurs ou des conduits supplémentaires pour ajouter un système solaire. Le collecteur d'air du capteur solaire vient s'adapter au niveau de la prise d'air neuf du système conventionnel de ventilation.
On soutire un débit constant à travers le capteur solaire et la température de préchauffage augmente avec le niveau d'ensoleillement, Le système de chauffage conventionnel a alors besoin de fournir moins d'énergie. Le coût d'installation d'un système de chauffage solaire de l'air est donc peu élevé et son intégration à un système de ventilation standard ne pose pas de problème.
Dans les bâtiments résidentiels ou de type commercial, on est généralement peu confronté au problème de stratification des températures car les mouvements d'air y assurent un bon mélange et les hauteurs de plafond sont limitées.
En augmentant la température d'alimentation en air neuf du système standard de ventilation, celui-ci peut se permettre plus souvent d'augmenter la proportion d'air neuf, sans augmenter la consommation d'énergie, ce qui contribue à augmenter la qualité de l'air intérieur.
De plus, dans certains systèmes de climatisation, le système de chauffage solaire de l'air peut contribuer aussi à améliorer la qualité de l'air en augmentant, dans certaines conditions, le débit d'air neuf utilisable en mode de refroidissement par surventilation. Ce mode de refroidissement utilise l'air frais de l'extérieur pour rafraîchir les bâtiments lorsque les conditions le permettent, plutôt que de faire marcher des groupes frigorifiques. Lorsque la température extérieure devient plus fraîche, on diminue l'apport d'air neuf. Mais si le capteur solaire réchauffe l'air, on peut continuer d'utiliser des proportions plus élevées d'air neuf et donc améliorer la qualité de l'air intérieur.
ACÉTATE 6 : Systèmes de CSA industriels
Les systèmes solaires de chauffage d'air de ventilation s'adaptent très bien aux locaux industriels, hauts et vastes comme des usines ou des entrepôts. Ils diffèrent en 3 points des systèmes de type résidentiel ou commercial :
Point 1 : Ces systèmes comprennent des conduits de distribution de l'air neuf fournis avec le système solaire, alors que dans les systèmes de type commercial ou industriel, il suffit de se raccorder au système standard déjà prévu pour le
chauffage, la climatisation et la ventilation. Les conduits d'air sont des gaines flexibles perforées qui permettent à l'air de s'échapper au niveau du plafond.
Point 2 : Le débit dans le capteur solaire varie alors que dans les systèmes de type commercial ou résidentiel, on utilise un débit constant. C'est un jeu de registres dans une boîte de mélange qui fait varier le débit d'air neuf en fonction de la température de l'air fourni par le système solaire. Le système de ventilation distribue l'air mélangé dans le bâtiment avec un débit constant mais les proportions d'air neuf et d'air recyclé varieront de manière à redistribuer l'air à une température constante.
Point 3 : La température d'air souhaitée pour le distribuer dans le bâtiment est généralement entre 15 et 18 ºC, c'est-à-dire à une température inférieure à la température de confort. C'est que cela permet d'exploiter la température trop élevée que tendrait naturellement à avoir l'air au niveau du plafond. L'air neuf mélangé à l'air chaud qui monte au plafond redescendra au niveau du sol à une température confortable. C'est ainsi que l'on réduit la stratification des températures du bâtiment, ce qui réduit ses besoins de chauffage.
ACÉTATE 7 : Systèmes de CSA pour le chauffage de l'air de procédé
De nombreux procédés, que ce soit dans l'agriculture ou dans l'industrie, utilisent de grandes quantités d'air qui ont besoin d'être plus ou moins chauffées. Ces besoins peuvent souvent être comblés en partie par un système de chauffage solaire de l'air.
Dans ces systèmes, les capteurs solaires sont installés sur une surface convenablement orientée au soleil. Par exemple, dans les pays tropicaux, on pourra utiliser un toit à faible pente. L'air fourni par les capteurs solaires alimente directement le procédé. Sa température est contrôlée soit par un apport de chaleur d'un système auxiliaire de chauffage, soit par mélange à de l'air extérieur ou à de l'air recyclé. Lorsque l'on installe un système de chauffage auxiliaire, cela permet de faire fonctionner le procédé indépendamment des conditions d'ensoleillement tout en bénéficiant des économies d'énergie conventionnelle remplacée par l'énergie solaire lorsqu'elle est disponible.
Le séchage des récoltes est un bel exemple d'utilisation des systèmes de chauffage solaire de l'air. Cette photo montre une installation de séchage du thé, un projet réalisé en Indonésie dans la partie occidentale de l'Île de Java. Le séchage des récoltes demande de grands volumes d'air tiède, pas trop chaud, de façon à sécher les plantes et non à les cuire. Il s'agit d'une application idéale des capteurs solaires à air perforés sans vitrage, qui sont conçus pour n'élever la température de l'air que de quelques dizaines de degrés Celsius.
Dans les procédés industriels, même si les volumes d'air neuf doivent souvent être chauffés à de plus hautes températures, un système solaire de l'air peut être utilisé en mode de préchauffage, ce qui conduit à des économies d'énergie.
ACÉTATE 8 : Ressource solaire vs demande en chauffage de l'air de ventilation
La ressource solaire est-elle disponible quand il y a des besoins de chauffage de l'air de ventilation? Nous devons en effet nous poser cette question car un système de chauffage solaire de l'air n'a de sens que s'il y a des besoins de chauffage lorsque le système solaire produit de la chaleur. Par ailleurs, certaines personnes doutent de l'efficacité d'un système solaire pour fournir de l'air de ventilation, croyant qu'en hiver, au milieu de la saison de chauffage, il n'y a pour ainsi dire pas d'ensoleillement.
Pour répondre à ces questions, nous vous proposons de regarder les graphiques suivants qui donnent l'ensoleillement moyen pour chacun des mois de l'année dans 5 villes à travers le monde. L'ensoleillement est donné en kWh/jour sur un m² de surface verticale faisant face à l'équateur, sauf pour Jakarta. Le mois 1 correspond au mois de janvier.
La période où il y a des besoins de chauffage de l'air de ventilation est illustrée par les barres ombrées en bleu qui correspondent aux mois dont la température moyenne est inférieure à 10 ºC.
Iqaluit est la capitale du Nunavut, au Canada, proche du cercle Arctique. Pendant tous les mois de l'année, il peut être utile de chauffer l'air de ventilation. Comme il y a peu de nuages à Iqaluit, en hiver et au printemps, une surface verticale orientée au sud bénéficie pleinement de l'énergie provenant du soleil, bas à l'horizon. C'est vrai tout particulièrement de mars à mai alors que les températures sont encore très froides. On voit donc que le chauffage solaire de l'air s'adapte très bien aux conditions du Grand Nord.
Moscou, en Russie, est environ 10º plus au sud qu'Iqaluit, et le climat y est plus nuageux. La ressource solaire y est moins intéressante mais reste présente pendant la saison froide, surtout en fin d'hiver.
Buffalo, aux États-Unis dans l'état de New York, est encore 10º plus au sud et a un climat continental. On a besoin de chauffer l'air de ventilation environ 6 mois par an. On notera que sur un plan vertical face au sud, c'est au coeur de la saison froide, en février, que l'ensoleillement y est le plus important, et les mois d'hiver offrent une meilleure ressource que les mois d'été.
Cette tendance est encore plus fortement marquée à Lanzhou, en Chine, à une latitude nord de 36º. Bien que l'on soit au sud, les hivers y sont rudes mais bien ensoleillés, ce qui montre le chauffage solaire de l'air comme étant intéressant à moyenne latitude.
Le dernier graphique concerne Jakarta, en Indonésie, au niveau de l'équateur. Il n'y a pas besoin de chauffage, mais un système solaire de chauffage de l'air peut servir au séchage des récoltes. Dans ce graphique, l'ensoleillement n'est pas celui d'une surface verticale mais celui d'une surface horizontale, comme si on installait le capteur en toiture. L'ensoleillement varie peu d'un mois à l'autre et demeure élevé toute l'année.
ACÉTATE 9 : Coûts et économies générés par un système de CSA
L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air nécessite un certain investissement qui génère ensuite des économies sur les coûts de chauffage. Dans le cadre d'une analyse sommaire, on peut ramener ces montants à 1 m² de capteur solaire. Comme ces systèmes ne demandent pratiquement aucun entretien, les seuls coûts importants sont l'investissement initial.
Regardons les économies générées : 1 m² de capteur solaire produira de 1 à 3 GJ d'énergie thermique utile par année. Cette quantité d'énergie réduit donc la consommation de combustibles classiques comme le gaz naturel, le mazout ou l'électricité. Le prix de ces combustibles varie dans le temps et selon les régions. Le gaz naturel, par exemple, coûte entre 17 et 45 ¢ le m³ selon les régions qui sont desservies par un réseau de gazoducs.
Si l'on considère la valeur de 2 GJ/m² par an comme valeur typique produite par 1 m² de capteur solaire à air et que l'on utilise des valeurs représentatives des rendements de chaudières à combustible classique, on peut donc calculer le revenu annuel généré par 1 m² de capteur solaire. Le graphique en bas de l'image montre que les économies produites annuellement par 1 m² de capteur solaire sont de 10 à 30 $ lorsqu'on évite de consommer du gaz naturel, de 20 à 45 $ pour du mazout et de 30 à 65 $ pour de l'électricité.
Si l'on s'intéresse maintenant aux coûts d'un système de chauffage solaire de l'air, il faut compter entre 100 et 250 $ par m² de capteur solaire, installation comprise. Ces coûts dépendent de l'ampleur du projet, du lieu de construction et des contraintes d'installation propres à certains bâtiments. En général, il n'est pas nécessaire d'ajouter quoique ce soit au système de ventilation initialement prévu mais quelquefois des modifications peuvent représenter l'équivalent de 100 $/m² de capteur solaire, si bien que le coût total d'un projet pourra varier entre 100 et 350 $/m² de capteur solaire. Il ne faut pas oublier que l'installation d'un système de chauffage solaire de l'air permet de remplacer un parement de façade et il y a donc des économies au niveau des matériaux et de l'installation de ceux-ci, qui peuvent représenter un tiers à une moitié des coûts et de l'installation du capteur solaire. Le coût net d'un système solaire de chauffage oscillera donc entre 50 et 225 $/m² de capteur solaire. La plupart des installations tombent dans la partie inférieure de cette plage de coûts.
Lorsque l'on compare ces coûts d'investissement aux économies générées annuellement, on voit que l'on peut obtenir des temps de retour simple sur investissement typiquement de 2 à 5 ans. Comme la durée de vie d'un système de chauffage solaire de l'air est de plusieurs décennies, il s'agit d'un investissement très intéressant qui générera année après année des économies, longtemps après que le système sera remboursé.
ACÉTATE 10 : Enjeux d'un projet de chauffage solaire de l'air
L'installation d'un système de chauffage solaire de l'air est particulièrement intéressante dans le cas d'une nouvelle construction. En effet, on bénéficie directement dans ce cas des coûts évités au niveau du parement de façade conventionnel qu'il aurait fallu installer, ce qui réduit le coût net du système solaire. De plus, le système de ventilation peut être conçu et positionné dans le bâtiment de manière à faciliter l'installation des capteurs solaires, à minimiser les longueurs de conduits et à éviter l'ajout d'un ventilateur.
L'autre type d'application du chauffage solaire de l'air qui suit, au niveau de la rentabilité, est la rénovation de bâtiments, lorsque les parements de façade doivent être remplacés ou les murs extérieurs réparés, ou encore lorsqu'il y a des problèmes de qualité d'air intérieur ou d'infiltrations d'air causées par une pression négative à l'intérieur des locaux. Dans ce cas, on peut bénéficier des économies sur les coûts évités en parement de façade, mais il peut y avoir de coûts pour modifier le système existant de ventilation, par exemple pour relocaliser la prise d'air extérieur. Lorsque les coûts de l'énergie sont élevés, un système de chauffage solaire de l'air de ventilation ou de procédé peut être rentable uniquement par les économies d'énergie qu'il procure.
Il n'y a pas que le noir qui est une couleur efficace pour capter l'énergie solaire. D'autres couleurs sombres ont une absorptivité qui se situe entre 0,80 et 0,95, et si on préfère une autre couleur que le noir, on pénalisera les performances d'au plus 15 % environ. On peut donc s'équiper d'un système de chauffage solaire de l'air sans sacrifier l'intégration architecturale.
Lorsque les bâtiments ne sont pas occupés, leurs besoins de ventilation sont réduits. Un système de chauffage solaire de l'air sera donc plus rentable dans les bâtiments occupés en permanence, 7 jours par semaine.
Il est plus facile d'installer un système solaire sur un mur qui ne comprend pas d'ouvertures, ni portes ni fenêtres. Cependant, il est toujours possible de les incorporer si nécessaire.
L'entretien d'un système de chauffage solaire de l'air est quasi nul. Le registre de prise d'air directe à l'extérieur, pour les chaudes journées, demande peu de surveillance et s'entretient comme n'importe quel registre de dérivation. Le système de ventilation ne demande aucune attention particulière parce que sa prise d'air extérieur se fait par l'intermédiaire d'un système solaire. Le capteur solaire ne demande pas plus d'entretien qu'un revêtement de façade ordinaire. Si nécessaire, il peut être repeint comme tout autre parement d'acier. Les salissures n'affectent pas le rendement de manière significative. Les perforations ne s'obstruent jamais à cause du pollen, de la poussière fine ou de la neige poudreuse car le débit d'air réparti sur toute la surface du mur n'est pas suffisant pour attirer ces particules. Le débit d'air chaud entre le capteur solaire et le mur assèche cet endroit qui n'est pas attirant pour les insectes. Ces constats, basés sur plusieurs années d'expérience, doivent donc rassurer ceux qui envisagent adopter un tel système.
ACÉTATE 11: Système de chauffage de l'air de ventilation - Exemples : Canada et États-unis
Jusqu'à présent, la majorité des projets de chauffage solaire de l'air ont été pour la ventilation de bâtiments. En préchauffant l'air de ventilation, on réduit les coûts d'exploitation des bâtiments, leur permettant d'avoir une meilleure qualité d'air intérieur.
En bas à gauche, on voit un bâtiment scolaire préfabriqué dans lequel il y avait de sérieux problèmes de qualité d'air. Il serait revenu très cher d'augmenter les débits de ventilation pour les résoudre mais cela est devenu possible lorsque l'on a pu exploiter l'énergie solaire qui est disponible aux heures de classe.
Chauffer de l'air extérieur à l'énergie solaire est particulièrement avantageux dans les bâtiments industriels qui ont besoin de grandes quantités d'air neuf pour remplacer l'air extrait d'ateliers de peinture, de soudure, des chaînes de montage d'automobiles ou d'autres procédés industriels. Le chauffage solaire de l'air s'applique également aux bâtiments de type commercial ou résidentiel. La photo en haut à droite montre un immeuble en hauteur situé en Ontario, au Canada. La bande sombre près du coin de l'immeuble est formée du capteur solaire.
Les capteurs solaires peuvent n'avoir que quelques m² de surface comme ils peuvent atteindre plusieurs milliers de m². Les premiers s'appliqueront par exemple à des maisons unifamilliales alors que les autres se retrouveront plutôt sur de grands bâtiments industriels. Dans la région de Montréal, au Québec, existe un mur de 10 000 m², installé sur une usine aéronautique. Ce mur est équivalent à celui d'un bâtiment de 3 étages qui aurait 1 km de long. C'est ce projet qui illustre le premier et le dernier acétate de cette présentation.
Dans l'hémisphère nord, il est préférable d'installer le capteur solaire sur une façade sud, mais toutes les orientations situées du plein est au plein ouest peuvent permettre une utilisation rentable de l'énergie solaire. On évite des coûts de conduits d'air si on peut utiliser le mur où se trouve déjà la prise d'air neuf.
Des systèmes de chauffage solaire de l'air peuvent avoir des temps de retour simple compris entre 2 et 5 ans dans le cas d'installations lors d'une nouvelle construction, pour réhabiliter un mur extérieur vétuste, pour résoudre des problèmes de qualité d'air intérieur, ou encore des infiltrations inconfortables. Les systèmes industriels sont souvent ceux qui sont les plus rentables. En bas à droite, on voit un exemple d'un tel bâtiment situé en Nouvelle Angleterre, au Connecticut. Le capteur solaire a été choisi de couleur brune et peut facilement s'accommoder des nombreuses ouvertures que l'on retrouve sur cette façade.
ACÉTATE 12 : Système de chauffage de l'air de procédé - Exemple : Indonésie
Cette photo montre une installation de séchage du thé, réalisée dans la partie occidentale de Java en Indonésie. L'air chaud fourni par les capteurs solaires peut être utile au séchage des récoltes ou à des procédés industriels.
Généralement, ces systèmes utilisent un débit constant dans le capteur solaire, comme dans les systèmes de type commercial ou résidentiel, ce qui rend leur contrôle très simple. Si nécessaire, un système de chauffage auxiliaire réchauffe l'air à la sortie du capteur solaire si la température qu'il fournit n'est pas suffisante.
Dans ce type d'application, il est rare de pouvoir bénéficier de crédits (ou de coûts évités) en matériaux de recouvrement de bâtiments. Ces systèmes doivent donc se rentabiliser par les seules économies d'énergie qu'ils procurent. Leur application devient intéressante dès que les prix de l'énergie sont plus élevés.
Le séchage des récoltes est une application très intéressante de l'énergie solaire surtout si les économies sont réalisées en évitant l'achat de mazout, un combustible cher, ce qui était le cas de ce séchoir à thé. On peut d'autant plus justifier l'investissement dans une installation solaire que celle-ci peut être utilisée plus longtemps dans l'année. On visera donc d'abord des cultures dont la récolte se fait tout au long de l'année. Dans les climats de mousson ou ayant une saison pluvieuse, on favorisera plutôt les cultures dont la récolte se fait pendant la saison sèche.
ACÉTATE 13 : Modèle RETScreen pour les projets de chauffage solaire de l'air
Bien que simple, ce modèle est un outil très pratique dans le cadre d'une analyse préliminaire de la faisabilité technique et financière d'implanter un système de chauffage solaire de l'air. Où qu'elle soit réalisée dans le monde, une installation peut être analysée au niveau de l'énergie produite, des coûts globaux sur la durée de vie, et des réductions d'émissions de gaz à effet de serre, qu'il s'agisse de fournir de l'air de ventilation à un bâtiment ou de l'air à un procédé. Dans le cas des bâtiments, RETScreen calcule également la récupération des pertes thermiques du mur sur lequel le système solaire est installé. Dans le cas des bâtiments industriels, le modèle tient compte des économies réalisées en déstratifiant les températures de l'air à l'intérieur du bâtiment.
Pour effectuer une telle analyse, l'utilisateur fournira 3 données météorologiques pour chacun des mois de l'année : la température moyenne, l'ensoleillement moyen quotidien au sol, et la vitesse moyenne du vent. Cependant, ces données sont disponibles dans une base de données intégrée à RETScreen et couvrent le monde entier. L'utilisation de moyennes mensuelles facilite l'obtention et le traitement de ces données en comparaison des séries de 8 760 valeurs qu'il faut manipuler dans un logiciel de simulation horaire.
Le modèle RETScreen a été conçu pour représenter les performances de la technologie
du mur solaire « Solarwall » développé par la société Conserval Engineering et n'a pas été mis au point pour d'autres types de capteurs solaires à air. Le modèle ne tient pas non plus compte des possibilités de récupération de chaleur sur l'air extrait du bâtiment, que ce soit en complément du système solaire ou pour une analyse comparative si un système de ventilation à récupération de chaleur était utilisé au lieu du système de chauffage solaire de l'air. Enfin, dans le modèle, on considère que le bâtiment aura un système de ventilation équilibré après installation du système solaire; c'est-à-dire que l'on extrait autant d'air du bâtiment que l'on en introduit, ce qui n'est pas le cas de tous les bâtiments.
ACÉTATE 14 : Calculs RETScreen : chauffage solaire de l'air
Comme on l'a mentionné précédemment, ce modèle utilise les moyennes mensuelles de température, d'ensoleillement quotidien au sol et de vitesse du vent, afin de calculer la quantité d'énergie produite par le système solaire de ventilation pendant sa saison d'utilisation. Comme il ne s'agit pas d'un modèle de simulation horaire, ces valeurs mensuelles sont suffisantes. Voici un aperçu de la structure de ce modèle. Pour plus de précisions, l'utilisateur peut consulter le Manuel d'ingénierie et d'études de cas disponible sans frais sur le site Internet de RETScreen, à la rubrique e-Manuel.
RETScreen effectue trois calculs : celui de l'énergie solaire effectivement transmise au système de ventilation, celui des pertes thermiques récupérées du mur du bâtiment recouvert par le capteur solaire et celui des économies associées à une destratification des températures à l'intérieur des bâtiments industriels.
Dans le cas d'un bâtiment industriel, le résultat est la somme de ces trois calculs. Pour un bâtiment de type commercial ou résidentiel, on ne tient pas compte de la stratification des températures dans le bâtiment. Dans le cas de procédés industriels, seuls les gains solaires sont pris en compte.
L'énergie solaire effectivement transmise au système de ventilation ou au procédé est calculée en différentes étapes. On commence par calculer l'ensoleillement dans le plan du capteur solaire à partir des données fournies au sol, c'est-à-dire sur un plan horizontal. Ensuite, RETScreen établit un rendement de capteur solaire à partir du débit d'air qui le traverse et de la vitesse du vent, comme principales variables. Connaissant le rendement du capteur solaire et l'ensoleillement qui atteint sa surface, RETScreen peut calculer l'énergie transmise à l'air qui traverse le capteur et donc l'élévation de température qu'il subit. Ensuite, en fonction de la température d'air désirée, RETScreen tient compte de la portion d'énergie solaire qui peut ne pas être utile lorsque la température extérieure est clémente ou que l'ensoleillement est élevé.
Dans le cas des bâtiments de type commercial ou résidentiel, et des procédés industriels, le calcul de l'énergie solaire transmise à l'air de ventilation est direct. Dans le cas des systèmes industriels, on doit tenir compte du fait que le débit d'air à travers le capteur solaire varie en fonction de la température à laquelle il est capable de fournir l'air neuf. Cette variation de débit est obtenue au moyen de registres dans une boîte de mélange d'air neuf et d'air recyclé. La conséquence de ce débit variable est un rendement variable du capteur solaire, et donc des variations de la température de l'air neuf fourni. Pour tenir compte de ces variations, RETScreen utilise donc une série de boucles de calculs par itération. On reprend à trois reprises les calculs de l'élévation de température de l'air et du rendement de capteur solaire.
ACÉTATE 15 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de CSA
Le modèle RETScreen a été validé de plusieurs façons. Par exemple, on l'a comparé au modèle de simulation horaire SWift de Ressources naturelles Canada. Ce modèle horaire utilise des algorithmes sophistiqués basés sur des calculs thermodynamiques plutôt que sur des corrélations empiriques basées sur les performances mesurées sur le terrain.
Pour comparer ces deux modèles, on a utilisé un projet théorique utilisant un capteur solaire noir, pour un bâtiment de 1 200 m² ayant besoin d'un apport d'air neuf de 4000 L/s. La surface du capteur solaire varie avec les objectifs de conception et est de 100 m² pour des conditions d'utilisation à haut rendement. Les deux villes canadiennes de Toronto en Ontario et de Winnipeg au Manitoba ont été choisies pour leurs données météorologiques. Trois combinaisons de type de système solaire et de dimensions de capteurs ont été évaluées avec les deux modèles : un système commercial avec un rendement élevé, et un système industriel avec soit un rendement élevé, soit une forte hausse de température au passage du capteur solaire.
Les 2 modèles donnent les mêmes résultats à une différence de 10 % près dans cinq cas sur les six. Sur une base annuelle, RETScreen ne semble ni surestimer, ni sous-estimer les performances du système solaire. Ceci nous laisse croire que RETScreen peut être considéré comme étant aussi précis qu'un modèle de simulation horaire, en tout cas, sa précision est suffisante pour réaliser des préliminaires de faisabilité.
ACÉTATE 16 : Conclusions
Le chauffage solaire de l'air est une technologie rentable pour ventiler des bâtiments de type industriel, commercial ou résidentiel et fournir de l'air chaud à des procédés industriels. Dans de nombreux climats, il y a une bonne ressource solaire pendant la saison de chauffage de l'air de ventilation.
Les capteurs solaires d'un système de ventilation ne sont pas juste des capteurs d'énergie solaire; ce sont aussi un véritable parement de façade. Un système de chauffage d'air de ventilation se connecte directement à la prise d'air neuf d'un système standard de ventilation. Un système solaire est encore plus rentable s'il est prévu dès la construction d'un nouveau bâtiment ou lors de travaux de réhabilitation d'une façade, de travaux d'amélioration de la qualité d'air intérieur ou pour rééquilibrer un système de ventilation.
Le modèle RETScreen calcule l'énergie produite par le système de chauffage solaire de l'air, le rendement des capteurs solaires et l'élévation de température de l'air qui les traverse. Le calcul de l'énergie produite tient compte, lorsque cela s'applique, des pertes thermiques récupérées du mur du bâtiment recouvert par le capteur solaire et des économies dues à la déstratification des températures des bâtiments industriels. En utilisant des données mensuelles, RETScreen offre une précision de calcul comparable à celle de modèles de simulation horaire et réduit considérablement les coûts de réalisation d'études préliminaires de faisabilité sur l'implantation de projets de chauffage solaire de l'air.
ACÉTATE 17 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de chauffage solaire de l'air du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
