Maison EQuilibrium MC en action

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1 Maison EQuilibrium MC en action ÉcoTerra MC installation photovoltaïque-thermique intégrée au bâtiment ÉcoTerra MC est une maison individuelle neuve de deux étages d une superficie de 234 m² (2 519 pi²) située dans une région boisée d Eastman, près du mont Orford au Québec. Elle a été primée dans le cadre de l Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibrium MC de la SCHL. Conçue et réalisée par Les Maisons Alouette, un fabricant de maisons usinées, la maison ÉcoTerra MC procure un milieu de vie sain et confortable à ses occupants, réduit au minimum la consommation d énergie, produit sur place de l énergie renouvelable, préserve les ressources, a une faible incidence sur l environnement et possède un bon attrait commercial. L une des caractéristiques novatrices de la maison ÉcoTerra MC, laquelle fait l objet de ce bulletin, consiste en une installation photovoltaïque-thermique intégrée au bâtiment. Particularités techniques Le champ photovoltaïque (PV) est composé de 21 modules Uni Solar, constitués de cellules à base de silicium amorphe d une puissance de 136 W, collés à la surface d une couverture métallique à joints debout de 57,2 m 2 (616,7 pi²) dont la pente de 30,3º fait face au sud (figure 1). Sa puissance totale s élève à 2,86 kw. Le système PV est raccordé au réseau de distribution public de manière à ce que tout excès d électricité produit puisse alimenter le réseau. Dans des conditions d essai normalisées, le champ PV produit de l électricité à une efficacité d un peu plus de 6 %. Une grande proportion de l énergie solaire incidente qui atteint le champ PV est transformée en chaleur. Dans le but d augmenter l efficacité globale de l installation, l équipe ÉcoTerra MC a eu recours à un concept innovateur mis au point à l Université Concordia pour capter cette chaleur et l utiliser à différentes fins. Il s agit de faire passer de l air frais par des ouvertures situées dans les soffites du deuxième étage et de le diriger vers une cavité créée au moyen de fourrures de 25 mm sur 76 mm (1 po x 3 po) sous la toiture PV intégrée au bâtiment (figure 2). L air est alors chauffé en absorbant une partie de l énergie solaire qui atteint le champ PV. Les conduits et le support de couverture sous la toiture PV intégrée au bâtiment ont été isolés à l aide d une mousse isolante projetée de 25 mm (1 po) d épaisseur (figure 3). Figure 1 La maison ÉcoTerra MC et son installation PV-thermique intégrée au toit du bâtiment (au deuxième étage) Figure 2 Fourrures verticales créant un vide d air sous la toiture PV intégrée au bâtiment AU CŒUR DE L HABITATION

2 Zone nord Zone sud Étage Rez-de-chaussée Figure 3 Conduits de l installation PV-thermique intégrée au bâtiment (sous le support de couverture) avant et après l isolation Évacuation à l extérieur 1 Sécheuse Préchauffage 2 ECD Par temps ensoleillé, la température de l air qui circule sous la toiture PV (à une vitesse de 0,5 à 1 m/s) peut augmenter de 15 à 30 C. Selon la température de sortie et la demande en chauffage, on peut utiliser l air réchauffé par le soleil (figure 4) pour : 1. faire sécher le linge en faisant circuler l air à travers une sécheuse en régime ventilation seulement; 2. préchauffer l eau chaude domestique au moyen d un échangeur de chaleur air-eau; ou 3. chauffer activement la masse thermique d une dalle de béton ventilée dans le sous-sol, laquelle pourra par la suite libérer passivement la chaleur dans le sous-sol. Le ventilateur à vitesse variable de l installation PV-thermique est commandé de manière à extraire le maximum de chaleur de l installation. Il s agit en fait de faire tourner le ventilateur à haute vitesse lorsque la température de l air à la sortie du toit excède 20 C puis, lorsque celle-ci descend sous cette consigne, de moduler la vitesse du ventilateur afin de réduire le débit jusqu à ce qu une température de sortie utile soit atteinte. Dalle de plancher 3 du sous-sol ventilée Figure 4 Schéma de l installation PV-thermique Dalle de béton ventilée Échangeur de chaleur air-eau La dalle de béton ventilée est située dans la partie sud du sous-sol (figure 5). Elle consiste en une dalle de béton de 125 mm (5 po) d épaisseur mise en place sur un bac acier (figure 6). Elle mesure 11 m (36 pi) de longueur sur 3,6 m (12 pi) de largeur. L air préchauffé de l installation PV-thermique circule dans les nervures du bac et chauffe ainsi le béton qui l entoure. L air est ensuite évacué à l extérieur. L énergie thermique stockée dans la dalle de béton ventilée est alors dissipée passivement depuis la surface de la dalle vers l espace habitable afin de contribuer au chauffage des locaux. Durant l été, le système peut aussi contribuer à rafraîchir la maison puisqu il est possible de faire circuler de l air extérieur dans la dalle de béton ventilée lorsque la température de cet air est inférieure à celle de la dalle. En raison de l importante quantité de béton (~5 m 3 ) et de sa grande capacité thermique (~2 100 kj/m 3 C), la dalle peut stocker environ 3 kwh d énergie thermique pour chaque degré Celsius de variation de sa température. La dalle nervurée emmagasine la chaleur solaire qui entre par les fenêtres du sous-sol (figure 5). Sa masse thermique réduit l ampleur des fluctuations de température dans l aire habitable en captant les gains passifs de chaleur solaire puis en libérant lentement l énergie thermique absorbée. 2 Société canadienne d hypothèques et de logement

3 Considérations de mise en œuvre La couverture métallique recouverte de modules PV a été choisie parce qu elle s intègre parfaitement à l architecture du bâtiment. Comme on le constate à la figure 1, l installation PV n est pas perceptible. Figure 5 Sous-sol daté d une dalle de béton ventilée Béton ordinaire à densité normale (125 mm [5 po]) Bac en tôle d acier galvanisé (0,7 mm [1/32 po]) Nervure de ventilation (vide d air) Treillis métallique (8 mm [¼ po]) Pare-vapeur Isolant de polystyrène expansé (50 mm [2 po], RSI 1,7 [R10]) Remblai de pierre concassée Unité: mm L une des plus grandes difficultés rencontrées lors de la mise en œuvre d une installation PV-thermique intégrée au bâtiment a trait à l utilisation efficace de l énergie provenant de l air réchauffé. Sa température à la sortie et son débit ne permettent pas toujours de bien utiliser cette chaleur. Cette technique tire avantage de l air réchauffé par l énergie solaire de trois façons différentes, ce qui peut à la fois augmenter la quantité d énergie récupérée, mais aussi compliquer le système au chapitre de sa mise en place, de ses commandes et des simulations énergétiques. Les activités de suivi découlant de cette initiative permettront d optimiser la manière dont de telles installations peuvent être configurées pour en maximiser la performance. Les membres de l équipe de l Université Concordia, à l avant-garde des recherches dans l utilisation des installations PV-thermiques intégrées aux bâtiments, ont soigneusement conçu la dalle de béton nervurée. Ils ont souligné un certain nombre de paramètres cruciaux dont il faut tenir compte lors de la conception de dalles de béton ventilées : n Nombre et disposition des nervures Le nombre de nervures et leur surface de section transversale doivent pouvoir recevoir le débit d air provenant de l installation PV-thermique du toit de manière à assurer un débit d air optimal dans chaque nervure. Le débit d air influe sur le taux de transfert de chaleur et les baisses de pression. Il faut aussi prendre en considération les problèmes de nature structurale comme les fissures dans la dalle engendrées par les contraintes en flexion et en cisaillement. n Baisse de pression Il faut concevoir avec soin le réseau de conduits qui acheminent l air réchauffé par l installation PV-thermique du toit vers la dalle ainsi que la disposition des nervures dans la dalle de béton ventilée. Il faut éviter les coudes inutiles afin de prévenir les baisses de pression importantes. La fourchette idéale de vitesses de l air dans les nervures se situe entre 0,8 et 1,5 m/s. n Emplacement de la dalle Lorsque la dalle est située au sous-sol, sa température est plus basse que si elle se trouvait aux étages supérieurs. Ainsi, il est possible d extraire davantage d énergie utile de l air réchauffé par l installation. Figure 6 Coupe de la dalle de béton ventilée Société canadienne d hypothèques et de logement 3

4 PV-thermique. En plaçant la dalle au sous-sol, il est moins important de prévoir un support structural et la pose des conduits d air s en trouve facilitée. n Béton Il faut suffisamment de béton pour absorber la quantité maximale de chaleur prévue pour le système sans surchauffer la surface du plancher. En effet, si la température du plancher excède 29 C, celui-ci peut devenir inconfortable pour les pieds des occupants. Incidences sur les coûts Le caractère unique de la toiture PV-thermique intégrée au bâtiment fait qu il est difficile d en évaluer le coût. Cependant, en intégrant les différents systèmes, il est possible de réaliser certaines économies (p. ex. en n ayant pas besoin de mettre en place des panneaux photovoltaïques et des capteurs solaires thermiques séparés et en se passant d un support pour les panneaux PV). Quant à la dalle de béton ventilée, lorsqu on la compare à une dalle de béton ordinaire, seuls le bac acier et les conduits d air acheminant l air réchauffé à travers la dalle requièrent des coûts additionnels. Les concepteurs ont réduit les coûts au minimum en diminuant l épaisseur de l isolant sous la dalle, la faisant passer de 102 mm (4 po) à 51 mm (2 po). Cette réduction a entraîné une augmentation différentielle de la déperdition de chaleur de quelque 20 kwh/an seulement, comparativement à la chaleur récupérée par l installation PV-thermique de 500 à kwh/an. Avantages technologiques Économies d énergie Au départ, l installation PV d une puissance de 2,86 kw devait générer kwh d électricité par année. Toutefois en hiver, en raison de la pente relativement faible du toit, il se produit de fréquentes accumulations de neige sur la couverture, ce qui nuit à la performance de l installation. Le choix de la pente par l équipe de conception de la maison ÉcoTerra MC résulte d un compromis entre la production attendue d électricité solaire et les contraintes architecturales et de préfabrication. De plus, des arbres à proximité ont projeté une ombre partielle, ce qui a amenuisé la performance. En raison de ces facteurs et de variations de l énergie solaire disponible, l installation a généré environ kwh sur la période de 12 mois comprise entre octobre 2008 et septembre La récupération d énergie solaire thermique a été modélisée par l équipe de conception ÉcoTerra MC au moyen d un outil créé avec Mathcad. L équipe estime que si l installation est utilisée à bon escient par les occupants, ceux-ci pourront réaliser une réduction substantielle de l énergie requise par la sécheuse. Quant à la réduction de l énergie consacrée au chauffage des locaux, les simulations révèlent une diminution possible de la consommation électrique de kwh pour la pompe à chaleur servant au conditionnement des locaux. Durant les sept mois les plus cléments de l année, on s attend à ce que l installation préchauffe l eau chaude domestique à une température se situant entre 40 et 50 C, ce qui permet une économie d environ kwh à ce chapitre. Il est à noter que la baisse de performance en production d électricité due à l effet d ombrage et à l accumulation de neige abaisse également la production d énergie solaire thermique sous les valeurs prévues. La consommation d énergie du ventilateur à vitesse variable fonctionnant à un débit se situant entre 142 et 434 L/s (300 et 920 pi³/min) se situera dans une fourchette allant de 200 à 450 W. La consommation d énergie du ventilateur sera en partie contrebalancée par le fait que les cellules PV fonctionneront à une température plus basse que si elles n avaient pas disposé d un système d extraction de la chaleur, ce qui améliore l efficacité de la conversion électrique. L installation PV de 2,86 kw générera 6 W additionnels par degré Celsius de baisse de température de fonctionnement à une irradiance de W/m 2. Selon le suivi effectué sur le terrain, la dalle est en mesure d emmagasiner environ de 5 à 7 kwh de chaleur provenant de l installation PV-thermique lors d une journée fraîche et ensoleillée (température moyenne de l air extérieur de 0 C) et 10 kwh de fraîcheur durant une nuit d été (température moyenne de l air de 14 C). Conservation des ressources L installation PV-thermique intégrée réduit l utilisation de matériaux bruts comparativement à la construction séparée d un toit, d un champ de panneaux PV et d un système solaire thermique. 4 Société canadienne d hypothèques et de logement

5 Résumé L équipe de conception d ÉcoTerra MC a mis en œuvre un système de toiture novateur consistant en des modules photovoltaïques intégrés au bâtiment doublé d un système de récupération de chaleur. Cette énergie thermique, habituellement inutilisée dans les installations PV, sert ici à sécher la lessive, à préchauffer l eau chaude domestique et à réchauffer une dalle de béton ventilée. En faisant usage de cette chaleur, on a pu accroître l efficacité globale de l installation. Malgré une certaine perte de performance découlant des accumulations de neige sur les modules PV pendant une partie de l hiver, il a été démontré que la dalle de béton ventilée fonctionne comme il se doit durant les saisons intermédiaires. Société canadienne d hypothèques et de logement 5

6 Équipe de projet Personne-ressource principale : Bradley Berneche brad.berneche@alouettehomes.com Constructeur-promoteur : Les Maisons Alouette Homes (Les Industries Ste-Anne de la Rochelle Inc.) Pour en savoir plus sur ce concept et d autres habitations EQuilibrium MC, veuillez vous rendre sur le site Web de la SCHL au ou au EQuilibrium MC Qu est-ce qu une maison EQuilibrium MC? L Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibrium MC, pilotée par la Société canadienne d hypothèques et de logement (SCHL), réunit les secteurs public et privé dans le but de créer des maisons axées sur la santé et le confort des occupants, l efficacité énergétique, la production d énergie renouvelable, la conservation des ressources, la réduction des impacts sur l environnement et l abordabilité. L Initiative des maisons EQuilibrium MC de la SCHL offre aux constructeurs et aux promoteurs du pays une façon tout à fait originale et efficace d établir leur réputation en tant que bâtisseurs de maisons de première qualité, à la fois saines et abordables, qui répondront aux besoins actuels et futurs des Canadiens. Une maison EQuilibrium MC se compose d un large éventail de technologies, de stratégies, de produits et de techniques conçus pour réduire à un minimum absolu l incidence d une habitation sur l environnement. En outre, une maison EQuilibrium MC se caractérise par ses installations à énergie renouvelable offertes sur le marché, qui lui procurent de l énergie propre et contribuent à réduire les coûts et la consommation énergétiques annuels. Maison EQuilibrium MC en action Le bulletin Maison EQuilibrium MC en action présente des stratégies de conception et des technologies particulières qui ont été mises à contribution dans la réalisation de maisons de démonstration EQuilibrium MC. SCHL La SCHL est l organisme national responsable de l habitation au Canada, et ce, depuis plus de 65 ans. Elle veille à ce que les Canadiens aient accès à un large éventail de logements de qualité, à coût abordable, et elle favorise la création de collectivités et de villes dynamiques et durables partout au pays. Pour en savoir davantage sur la manière dont le gouvernement du Canada et la SCHL soutiennent la construction de logements plus solides et l édification de collectivités plus prospères pour tous les Canadiens, appelez la SCHL, au , visitez le site Web ou au , Société canadienne d hypothèques et de logement Imprimé au Canada Réalisation : SCHL Cette publication vise à décrire les techniques et méthodes que des équipes de constructeurs ont mis en œuvre pour réaliser leur aménagement dans le cadre de l Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibrium MC de la SCHL. Elle ne propose toutefois que des renseignements d ordre général et n a pas pour but d évaluer, d approuver ou de recommander un système, une stratégie, une technique, une technologie ou un produit en particulier. Les prévisions relatives à la performance des bâtiments fournies dans cette publication proviennent des équipes de constructeurs individuelles et reposent sur des simulations informatiques et sur la compréhension des règles de l art en construction. La performance réelle du bâtiment peut varier. Les lecteurs ne devraient pas planifier, concevoir ou construire un aménagement sur la seule foi des renseignements contenus dans le présent ouvrage. S ils désirent s engager dans de telles activités, il leur revient de consulter les ressources documentaires pertinentes et les spécialistes du domaine concerné afin de déterminer ce qui est sûr et approprié dans leur cas. Les utilisateurs doivent assumer la responsabilité des mesures ou décisions prises qui ne tiennent pas compte du présent avis. La Société canadienne d hypothèques et de logement se dégage de toute responsabilité relativement aux conséquences, dépenses, réclamations, dommages ou pertes résultant de l utilisation des renseignements compris dans cette publication.