Les systèmes géothermiques de production de glace remplacent avantageusement les systèmes à ammoniac vieillissants

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1 Étude de cas Volume 1, numéro 3 avril 2000 Systèmes de pompes géothermiques Les systèmes géothermiques de production de glace remplacent avantageusement les systèmes à ammoniac vieillissants Étude de cas : Club de curling d Oliver, Oliver (C.-B.) Le Club de curling d'oliver, à Oliver (C.-B.), a été construit en Les systèmes traditionnels de production de glace et de chauffage ont été remplacés, en 1994, par un système de chauffage et de réfrigération géothermique intégré. Ci-dessus : aperçu des quatres pistes de curling du Club de curling d'oliver. Après pratiquement trois décennies d activités, les installations du Club de curling d Oliver en Colombie-Britannique commençaient à montrer des signes de fatigue. Le système frigorifique à ammoniac utilisé pour faire la glace présentait des signes de défaillance et les factures de chauffage électrique grugeaient de plus en plus les profits. Le condenseur devait être remplacé à la fin de la saison 1993/1994. Bon nombre d appareils de chauffage électriques, le collecteur en acier de la tuyauterie des pistes de curling, ainsi que le refroidisseur, avaient également atteint la fin de leur durée de vie utile. L installation de thermopompes couplées à un échangeur souterrain a constitué une solution rentable au problème. Les frais d installation ont été remboursés par les économies d énergie en trois ans et le nouveau système a permis au club de réduire ses coûts de main-d œuvre. De plus, l amélioration du confort qui en a résulté a entraîné un accroissement des contrats de location du salon du club pour des événements de tous genres. Depuis son installation en 1994, le système a eu un effet bénéfique sur l efficacité globale des opérations du club et le confort des lieux. Réduction de près de 50 % de la consommation d énergie Réduction de l impact sur l environnement Amélioration du confort des locaux Entretien du matériel par des entreprises de réfrigération locales, et non plus par des spécialistes Réduction des coûts d exploitation et d entretien quotidiens Courte période de retour sur l investissement Accès aux incitatifs offerts par les services d électricité pour les systèmes géothermiques Ressources naturelles Canada Natural Resources Canada

2 2 Club de curling d Oliver Le Club de curling d Oliver occupe un bâtiment à ossature de bois de deux étages construit en 1974, qui comprend, en plus des 836 mètres carrés des quatre pistes de curling, une surface d environ 167 mètres carrés par étage. L isolation thermique des murs est de R12 et celle du plafond de R20. L aire des fenêtres est négligeable. Le bâtiment était équipé d un système frigorifique à ammoniac pour faire la glace et d appareils électriques pour chauffer l aire d observation, les vestiaires, le salon à l étage et la section abritant les pistes de curling. Réduction de la consommation d énergie nécessaire à la production Le système de production de 22,3 kw, la tuyauterie et les collecteurs des pistes de curling et la tour de refroidissement ont été remplacés par cinq thermopompes liquide-liquide, chacune d elles ayant une puissance frigorifique nominale de 5 tonnes* (la production exige une puissance frigorifique effective d environ 2,4 tonnes). Les collecteurs et la tuyauterie des pistes de curling ont été remplacés par une nouvelle tuyauterie conçue pour réduire le débit nécessaire à un transfert de chaleur approprié. On a pu ainsi remplacer la pompe de circulation de saumure de 7,5 kw par une pompe de 2,2 kw. Les thermopompes liquide-liquide absorbent la chaleur pour alimenter l échangeur souterrain vertical, au lieu de la rejeter dans l atmosphère par une tour de refroidissement. Tuyauterie sous la surface glacée Appareil de chauffage/ refroidissement salon Appareil de chauffage/ refroidissement salle d'attente Ventilo-convecteurs pistes de curling Pompe de 2,2 kw pour la glace et thermopompes liquideliquide, 378,5 L/min 5 thermopompes liquide-liquide pour la production Echangeur souterrain réchauffé par l énergie thermique rejetée par la glace et servant de boucle chaude pour les appareils de chauffage du bâtiment Pompe de 2,2 kw pour les appareils et la boucle, 454 L/min FIGURE 1. Schéma de la tuyauterie du système combiné de production et chauffage des locaux au Club de curling d Oliver * Une puissance frigorifique d'une tonne correspond à 211 kilojoules ou 200 BTU par minute. Chauffage local complémentaire du système frigorifique L échangeur souterrain alimente en énergie thermique les thermopompes de chauffage des locaux. On a installé deux thermopompes à air forcé de 4 tonnes à l étage et une thermopompe de 4 tonnes au rez-de-chaussée pour les vestiaires et le hall d entrée. Une thermopompe liquide-liquide de 5 tonnes alimente en eau chaude les ventilo-convecteurs de chauffage de la section des pistes de curling. Les unités de refroidissement rejettent la chaleur dans la boucle d eau donnant ainsi un meilleur rendement des appareils de chauffage. Ces derniers assurent par le fait même le refroidissement de la boucle (le condenseur), ce qui a pour résultat d accroître l efficacité des unités de refroidissement. L échangeur souterrain est tout simplement une éponge qui absorbe et conserve la chaleur excédentaire jusqu à ce que les appareils de chauffage l extraient. D ordinaire, la température de l échangeur souterrain varie entre 24 et 27 o C lorsque la glace est «fabriquée» en octobre. Plus l hiver devient froid, plus les appareils de chauffage extraient de la chaleur de la boucle pour chauffer les locaux. La température de la boucle se L échangeur maintient entre 13 et 18 o C en plein hiver, avant d augmenter légèrement au printemps et de revenir à sa valeur normale de 11 o C l été, lorsque le système n est pas utilisé. Ces températures de boucle chaude permettent aux appareils de chauffage d avoir un coefficient de performance d environ 4,6 durant la majeure partie et conserve la de l hiver. Une sonde de température placée dans la conduite de retour commande le fonctionnement des appareils de production de glace et les appareils de chauffage/refroidissement jusqu à ce que sont commandés à l aide de thermostats numériques. Une pompe de 2,2 kw fait circuler l eau à les appareils 454 litres par minute dans l échangeur souterrain et les thermopompes, lorsqu une thermo- de chauffage pompe fonctionne. Une autre pompe de 2,2 kw l extraient. fait circuler l antigel dans la tuyauterie sous la glace, lorsqu un refroidissement est nécessaire. Échangeur souterrain : 28 trous forés, 65,5 m 4 pistes de curling souterrain est tout simplement une éponge qui absorbe chaleur excédentaire Salon à l étage Rez-de-chaussée : aire d observation et vestiaires FIGURE 2. Plan du bâtiment. L échangeur souterrain verticale utilise 28 trous de forage 65,5 mètres de profondeur; le sol est constitué de till argileux.

3 Local technique où se trouvent les pompes liquide-liquide pour la production, les unités liquide-liquide pour le chauffage de l'étendue et les unités à air forcé pour le chauffage du hall d'entrée. Coûts du projet On a envisagé trois options : réparer le système à ammoniac et remplacer les appareils de chauffage électriques, réparer le système à ammoniac et installer un système de chauffage au gaz ou mettre en place le système géothermique intégré. Cette dernière option était plus économique à long terme que les deux autres. Le coût total du système géothermique de réfrigération, de chauffage et de climatisation, incluant l échangeur souterrain, était de l ordre de $. Ce coût ne tient pas compte de l incitatif de $ de la part des services d électricité (West Kootenay Power). Le coût net en tenant compte de cet incitatif était alors identique à celui de l option qui consistait à réparer le système à ammoniac de production de glace, à remplacer les appareils de chauffage électriques par des appareils de chauffage au gaz et à climatiser le salon. Le coût initial du système géothermique était de $ plus élevé que le coût de l option qui consistait à réparer le système à ammoniac de production de glace et à acquérir de nouveaux appareils de chauffage électriques, sans tenir compte du fait qu un tel système permettait de réduire les coûts d énergie de 50 %. TABLEAU 1 Coûts du projet SYSTÈME ENTRETIEN ET ENTRETIEN, GÉOTHERMIQUE REMPLACEMENT DES GAZ ET INTÉGRÉ APPAREILS DE CLIMATISATION CHAUFFAGE ÉLECTRIQUES Thermopompes Pistes $ Thermopompes CVC $ Pompes de circulation $ Échangeur souterrain $ Commandes $ Tuyauterie sous la glace $ Isolation des planchers $ Réseau de gaines $ Ventilo-convecteurs (pistes) $ Refroidisseur $ $ Tour de refroidissement $ $ Collecteurs des pistes $ $ Remplacement des appareils de chauffage électriques $ Installation de l appareil de chauffage au gaz et de la climatisation $ Incitatif des services d électricité ( $) Total $ $ $ 3

4 Frais d exploitation Net avantage de l option géothermique L option géothermique a permis de réduire les coûts d énergie de $ par année, par rapport à ce qu ils auraient été pour l option constituée du système traditionnel de production de glace et des appareils électriques de chauffage. Cela signifie que la période de récupération est inférieure à trois ans pour le système géothermique. Celui-ci aurait quand même permis de réduire les coûts d énergie de $, si on avait choisi de remplacer les appareils de chauffage électriques par des appareils au gaz. La consommation d énergie au club a chuté de près de 50 % depuis l installation du système intégré en Le tableau suivant permet de comparer les moyennes sur quatre ans de la consommation, de la demande de pointe et des coûts de l énergie d un système traditionnel et d un système géothermique. ÉLECTRICITÉ ET OPTION RÉDUCTION AMMONIAC GÉOTHERMIQUE (%) Demande de pointe (kw) Consommation (kwh) Coûts de l énergie $ $ 50 La période de récupération est On a réussi à améliorer encore plus courte, si on tient compte des autres frais d exploitation et le confort tout en d entretien d un système traditionnel et d un système géothermique. réduisant de près de Ce dernier est plus facile à exploiter et il est moins coûteux d en assurer 50 % la consommation l entretien. Il faut faire appel aux d énergie services de spécialistes pour assurer l entretien du matériel de réfrigération à l ammoniac ou au Fréon, mais l entretien du système géothermique peut facilement être assuré par le personnel du club. Les processus rigoureux de mise en service à l automne et de mise hors service au printemps exigés par les systèmes à ammoniac sont inexistants pour les systèmes géothermiques. En optant pour un système géothermique, on est même parvenu à réduire sensiblement les procédures d exploitation quotidiennes et, par le fait même, les coûts d exploitation et de main-d œuvre. Par exemple, avec un système à ammoniac, l'huile a tendance à s'accumuler dans le refroidisseur et il faut périodiquement la vidanger. Cette opération, qui exige une demi-heure par jour, n est pas nécessaire avec un système géothermique. De plus, selon la réglementation, il faut effectuer un contrôle du système traditionnel toutes les deux heures. Réduction des émissions de gaz à effet de serre La presque totalité de l électricité produite en Colombie-Britannique provient de centrales hydroélectriques, c est-à-dire de sources qui ne contribuent pas à l effet de serre. D autre part, toute réduction de la consommation d énergie donne lieu indirectement à une réduction des émissions de gaz à effet de serre, puisque l énergie qui n est pas consommée à l intérieur de la province est exportée à des consommateurs potentiels d électricité produite à partir de carburants fossiles. Il y a également le fait que cette énergie peut être vendue à un gros producteur de gaz à effet de serre. Si on compare le système géothermique du Club de curling d Oliver à un système traditionnel de production de glace avec chauffage électrique, on constate que le club a réduit d environ 144,96 MWh sa consommation d énergie électrique. Au Canada, on estime que chaque MWh d électricité économisée entraîne une TABLEAU 2 Comparaison des coûts annuels SYSTÈME TRADITIONNEL SYSTÈME GÉOTHERMIQUE Service annuel (mise en marche et arrêt) $ 400 $ Coûts de l énergie $ $ Entretien quotidien (une demi-heure/jour) $ Huile (pour le compresseur d ammoniac) 800 $ Contrôle de heures (coût annuel) $ Contrôle de heures (coût annuel) $ Remplacement de la thermopompe (tous les 20 ans) 985 $ Remplacement de la pompe de circulation (tous les 20 ans) 175 $ 130 $ Refroidisseur, collecteur, condenseur (tous les 20 ans) $ Remplacement du système CVC (tous les 20 ans) 450 $ Coût total annuel $ $ Le tableau ci-dessus permet de comparer sur la base d un cycle de vie de vingt ans les coûts annuels d un système traditionnel et d un système géothermique en dollars courants. (On devra normalement remplacer les principaux éléments du système tous les vingt ans.) 4

5 réduction de 187 kg de CO2 émis dans l atmosphère. L installation d un système géothermique au Club de curling d Oliver aura donc permis de réduire de 27,1 tonnes/année les émissions de CO2 dans l atmosphère! Remèdes faciles aux difficultés opérationnelles initiales Le système a connu deux problèmes. Le premier était dû aux compresseurs des thermopompes liquide-liquide utilisées pour produire la glace durant la deuxième saison. Il s'agissait d'un défaut de fabrication et les compresseurs ont été remplacés pendant la période de garantie. Cependant, vu le caractère modulaire du système, il n a pas été nécessaire de le mettre complètement hors service pour remplacer les compresseurs, car pendant les réparations, les autres thermopompes continuaient à maintenir la glace en bonne condition. Autre problème : le temps nécessaire pour produire la glace à l automne était plus long que ce qui avait été prévu. Il a suffit d ajouter une cinquième thermopompe de 5 tonnes, aucune réparation n a été nécessaire. Augmentation des recettes par suite de l amélioration du confort Le conseil de direction ne regrette aucunement la décision qu il a prise en 1994 d opter pour un système géothermique intégré. Il est plus facile à utiliser, fiable et a contribué à une amélioration significative du confort du bâtiment. Plus important encore, les membres du club sont satisfaits de la Plus important décision qui a été prise. Ils profitent maintenant d un confort inégalé encore, les dans le salon, l aire d observation et les vestiaires. De plus, la climatisation a entraîné un accroissement membres du club des contrats de location du salon sont satisfaits... de l étage, d où une augmentation Plus de confort des recettes pour le club. d'où une augmentation des recettes! Aire d'observation du hall d'entrée. 5

6 Description du bâtiment DÉSIGNATION : Club de curling à 4 pistes LOCALITÉ : Oliver (Colombie-Britannique) SURFACE DE PLANCHER : Club : 334 mètres carrés, chauffée (salle d entrée et salon) 725 mètres carrés, chauffée (aire de curling) TOTAL: 1,059 square metres NOMBRE D ÉTAGES : Aire d observation/salon... 2 Surface glacée TYPE DE CONSTRUCTION : Ossature de bois DATE D ACHÈVEMENT : Bâtiment construit en 1974, système installé en 1994 DEGRÉS-JOURS : Refroidissement (10 o C) 0 Chauffage (18,3 o C) Description du sol utilisé comme source de chaleur ÉPAISSEUR DE LA COUCHE SUPERFICIELLE : 43 mètres COMPOSITION DE LA COUCHE SUPERFICIELLE : till argileux TEMPÉRATURE MOYENNE ANNUELLE DU SOL : 11 o C Système intérieur Résumé sur la bâtisse PUISSANCE TOTALE INSTALLÉE : RÉFRIGÉRATION TONNES DÉBIT DE POMPAGE : CHAUFFAGE/REFROIDISSEMENT TONNES TOTAL TONNES NOMBRE DE THERMOPOMPES : 9 SYSTÈME INTERNE DE DISTRIBUTION DE FLUIDE : Circulation de fluide aux thermopompes et à l échangeur souterrain assurée par une seule pompe de circulation DÉBIT/PUISSANCE INSTALLÉE : 11 L/min/tonne PUISSANCE DE POMPAGE INSTALLÉE : Appareils de réfrigération : Boucle : 2,2 kw/appareil Glace : 2,2 kw/appareil PUISSANCE DE POMPAGE EN SERVICE : Appareils de réfrigération : Glace: 90 W/tonne Appareils de chauffage : 52 W/tonne refroidissement SYSTÈMES ET CARACTÉRISTIQUES SUPPLÉMENTAIRES : Agencement optimisé de la tuyauterie sous la glace de façon à réduire la puissance de pompage nécessaire Echangeur souterrain servant à emmagasiner la chaleur libérée par le procédé de production Type de système utilisé dans le sol comme source de chaleur : BOUCLE FERMÉE VERTICALE : 28 trous de forage de 65,5 mètres de profondeur LONGUEUR TOTALE DE TROUS DE FORAGE : mètres LONGUEUR TOTALE D ÉCHANGEUR DE CHALEUR : mètres TUYAU D ÉCHANGEUR DE CHALEUR : PEHD de 1,25 (polyéthylène haute densité) LIQUIDE D ÉCHANGEUR DE CHALEUR SECONDAIRE : eau avec 27 % de méthanol (volume) DÉBIT DANS LA BOUCLE : 454 L/min 6 Sa Majesté la Reine du chef du Canada, 2000 N O de catalogue M92-184/2000F ISBN Also available in English under the title: Geothermal Ice Plant Efficiently Replaces Aging Ammonia System Oliver Curling Club, Oliver, B.C. Consultez notre site internet au

7 "Ces études de cas sont diffusées à des fins d'information seulement. Les opinions qu'elle renferme ne sont pas nécessairement celles du gouvernement du Canada. Rien dans ces publications ne peut être interprété comme étant une recommandation du gouvernement du Canada à l'égard d'un produit ou d'un service offert par une personne. Le gouvernement du Canada, ses ministres, ses hauts fonctionnaires, ses employés et ses agents n'offrent aucune garantie à l'égard de ces publications et n'assument aucune responsabilité qui pourrait en découler." Utilization appropriée des documents: Les documents peuvent être télédéchargés ou imprimés (un seul exemplaire). Vous avez la liberté d'éditer les documents que vous télédéchargez et d'en faire usage pour vos projets en prenant soin, par marque d'appréciation, de bien en identifier la provenance (auteur, organisation). Vous ne pouvez vendre les documents ni en tirer profit en les reproduisant. Vous ne pouver copier, extraire, résumer ou distribuer des documents télédéchargés a l'extérieur de votre organisation de manière à concurrencer ou à vous substituer au RIL dans la diffusion de sa base de donnée.