Maison EQuilibrium MC en action

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1 Maison EQuilibrium MC en action La maison Avalon Discovery 3 : système photovoltaïque intégré au bâtiment La maison Avalon Discovery 3 est une maison individuelle neuve d un étage et demi, offrant 244 m 2 (2 624 pi 2 ) de surface habitable, construite sur un terrain résidentiel situé dans un nouveau quartier de banlieue de Red Deer, en Alberta. Pour ce projet primé dans le cadre de l Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibrium MC de la Société canadienne d hypothèques et de logement (SCHL), Avalon Master Builder, le constructeur, a conçu et bâti cette maison pour qu elle procure un milieu de vie sain et confortable, produise autant d énergie que ce dont elle a besoin annuellement, réduise au minimum la consommation d énergie, préserve les ressources, ait une faible incidence sur l environnement et possède un bon attrait commercial. Parmi les caractéristiques permettant à cette maison de produire de l énergie renouvelable sur place dont fait état la présente publication est l emploi de tuiles photovoltaïques intégrées à la couverture. Particularités techniques Un champ de modules photovoltaïques (PV) Solarsave d une puissance de 8,3 kw, composé de 244 tuiles de 34 W, forme une partie de la toiture, le reste étant composé de tuiles de béton. Ce champ fournit l électricité dont la maison a besoin et est raccordé au réseau électrique de Red Deer. Si les panneaux photovoltaïques ne suffisent pas à la tâche, de l électricité est achetée d un fournisseur écologique. S ils produisent un surplus d électricité, l excédent est exporté au réseau public. Figure 1 Façade de la maison Avalon Discovery 3 donnant sur le sud Comme l illustre la figure 1, les tuiles PV (les plus foncées) sont réparties comme suit : 201 tuiles à une inclinaison de 33,7º sur les toitures de la maison et du garage exposées au sud; 24 tuiles à une inclinaison de 22,6º sur la toiture de l entrée; 19 tuiles à une inclinaison de 22,6º sur la toiture de la lucarne du deuxième étage exposée à l est. Figure 2 Contre-liteaux Les tuiles PV sont fixées à la toiture sur des liteaux horizontaux eux-mêmes fixés à des liteaux verticaux. La figure 2 illustre l installation des contre-liteaux. Cette disposition crée des espaces communicants qui facilitent le passage des câbles du système PV; elle contribue à la ventilation de la sous-face des tuiles, ce qui diminue leur température et en améliore l efficacité; et elle offre une voie de drainage pour l eau qui pourrait s introduire derrière les tuiles. La figure 3 illustre le câblage des tuiles et leur mode de fixation. La figure 4 montre l agencement continu des tuiles PV et des tuiles de béton sur la toiture. AU CŒUR DE L HABITATION

2 La maison Avalon Discovery 3 Les tuiles de toiture sont ensuite reliées par des connecteurs spéciaux (illustrés à la figure 3). Chacune de ces tuiles a une capacité de production maximale de 34 watts CC, avec un courant de pointe de 7,1 ampères et une tension de 4,8 volts. Certains rangs de tuiles sont branchés en série pour augmenter la tension, et d autres sont branchés en parallèle pour augmenter le courant. Figure 3 Câblage et installation des tuiles PV 1 Les câbles sont ensuite regroupés et pénètrent dans la toiture en un seul point qui est recouvert d un solin et étanchéisé. La figure 5 illustre un détail type de la pénétration et de l étanchéisation de l installation des tuiles de toiture PV. Tous les rangs sont ensuite branchés dans une boîte de combinaison et un seul câble raccorde le système PV de la boîte de combinaison aux onduleurs. Figure 4 Figure 5 Gros plan sur la jonction des tuiles PV et des tuiles de béton sur la toiture Point de pénétration du câblage PV (avant et après la pose du solin) 2 Les 244 tuiles du système PV de la maison Avalon Discovery 3 sont câblées à deux onduleurs distincts Fronius IG 4000 comme suit : le premier onduleur compte deux rangs parallèles de 65 tuiles chacun et est câblé pour offrir une puissance maximale de 312 volts et 14,2 ampères; le deuxième compte deux rangs parallèles de 57 tuiles chacun et fournit une puissance maximale de 274 volts et 14,2 ampères. Un maître-couvreur d expérience en pose de tuiles traditionnelles et de tuiles PV a effectué presque toute l installation, y compris le fond de clouage. En installant les tuiles PV sur les contre-liteaux, on crée un espace d air de 25 à 50 mm (1 à 2 po) sous les tuiles. Cet espace favorise la circulation de l air derrière la rangée de tuiles, ce qui abaisse la température des tuiles et améliore leur efficacité. Dans une installation typique, cette chaleur est évacuée passivement vers l extérieur. Toutefois, l équipe de conception de la maison Avalon Discovery 3 a voulu profiter de cette énergie et a conçu à cette fin un système de récupération de la chaleur dans lequel l air frais pénètre dans le soffite et circule sous le champ de tuiles où il est chauffé. L air ainsi réchauffé monte ensuite vers l arête du toit où il 1 Solarsave Photovoltaic Roofing Tiles Installation and Owner Manual, Version Solarsave Photovoltaic Roofing Tiles Installation and Owner Manual, Version Société canadienne d hypothèques et de logement

3 Système photovoltaïque intégré au bâtiment Toutefois, les tuiles en béton ont ajouté un poids important à la toiture et il a fallu renforcer considérablement les fermes et les espacer à entraxe de 305 mm (12 po) alors que l espacement usuel est de 610 mm (24 po). Figure 6 Des conduits isolés tirent l air présent sous les tuiles PV pour en récupérer la chaleur est capté et acheminé vers un collecteur (illustré à la figure 6). Le réseau de gaines est relié à un ventilateur en ligne alimenté par un moteur à commutation électronique très performant qui tire l air du vide sous toit. Dans la maison Avalon Discovery 3, le système a été conçu pour disperser la chaleur au moyen d un drain agricole d environ 91 m (300 pi) qui longe le périmètre des fondations de la maison. L équipe de conception de la maison Avalon Discovery 3 a choisi un drain agricole à cette fin, parce que ses arêtes créent des surfaces additionnelles pour favoriser le transfert de la chaleur dans le sol, même si cela cause une plus grande résistance à cause de la turbulence de l air. L équipe avait décidé de stocker la chaleur dans le sol en vue de pouvoir éventuellement la récupérer. Toutefois, pour les raisons qui sont expliquées ci-après, le volet «récupération de la chaleur» du système PV a été mis hors service avant l occupation de la maison. Considérations de mise en œuvre L équipe d Avalon Discovery 3 a préféré les tuiles de couverture PV aux panneaux PV traditionnels pour donner à la maison un aspect semblable à celui des autres maisons du quartier. Elle a choisi des tuiles en béton qui s agencent bien avec l aspect global des tuiles PV du reste de la toiture. La maison Avalon Discovery 3 n a pas de sous-sol. Pour compenser cette «perte» d espace, on a modifié le concept original de cette maison de plain-pied pour aménager un espace habitable et un espace de rangement dans les combles. Pour créer l espace nécessaire, l équipe a ajouté des lucarnes donnant sur le sud et le nord. L ajout des lucarnes et la pente de leur toiture ont eu une incidence sur le système PV. Ainsi : La lucarne donnant sur le sud crée de l ombre sur certaines tuiles PV pendant une partie de la journée, comme on peut le voir du côté gauche de la lucarne à la figure 1, ce qui réduit la performance du système; À cause de la modification apportée à la partie de la toiture exposée au sud, on a dû installer certaines tuiles PV sur le versant est de la toiture de la lucarne. Ces tuiles produisent moins d électricité que celles qui donnent sur le sud, car elles sont moins exposées à la lumière du soleil; La pente de la toiture n a pas l inclinaison optimale pour évacuer la neige et les tuiles PV de couverture ont tendance à créer une arête à laquelle adhèrent la neige et la glace, de sorte que la neige reste plus longtemps que prévu sur la toiture, ce qui diminue la production d électricité du systéme PV; Les noues des lucarnes créent une «trappe» qui empêche la neige et la glace de glisser facilement de la toiture principale et de la lucarne, de sorte que certaines tuiles demeurent plus longtemps couvertes de neige; Les lucarnes ont créé une toiture plus complexe, ce qui a augmenté les coûts de main-d œuvre et de matériaux. L incidence de l accumulation de la neige sur la performance du système PV sera examinée durant la période de suivi. Toutefois, cette incidence sera peut-être mineure, puisque les systèmes PV produisent généralement moins d électricité en hiver peu importe s ils sont recouverts de neige ou pas. Par Société canadienne d hypothèques et de logement 3

4 La maison Avalon Discovery 3 exemple, on prévoit que la production mensuelle d électricité d un système PV à Red Deer sera environ deux fois plus élevée entre les mois d avril et août qu entre les mois de novembre et janvier. Le raccordement au réseau électrique du système et du panneau électrique de la maison était assez simple tandis que le fournisseur des tuiles PV et l entrepreneur avaient beaucoup d expérience en ce domaine. De plus, le constructeur Avalon Master Builder avait déjà construit une maison raccordée au réseau et connaissait les aspects techniques et réglementaires des systèmes PV ainsi reliés. Après l installation et la mise en service du système de ventilation des tuiles PV, on a découvert que le passage d air était bloqué dans la boucle du drain souterrain. On a tenté de déterminer la cause de cette obstruction au moyen d une inspection vidéo, mais l équipement n a pu pénétrer assez loin dans le tuyau pour fournir des réponses. Trois raisons pourraient l expliquer : le tuyau a peut-être été écrasé pendant le remblayage; de l eau pourrait avoir pénétré dans le tuyau par des fissures et s être accumulée dans une section basse du tuyau; les arêtes et les coudes du tuyau pourraient opposer une trop grande résistance au ventilateur. (Toutefois, une analyse subséquente réalisée par un consultant a révélé que le ventilateur était suffisamment puissant pour pousser l air sur toute la longueur du tuyau). Quelle qu en soit la cause, la boucle d évacuation de la chaleur du drain agricole n a pas fonctionné comme prévu et l idée a été abandonnée. Le ventilateur du système PV demeure fonctionnel, toutefois, et sert à refroidir le réseau de tuiles PV en évacuant l air vers l extérieur. L équipe évaluera les gains d efficacité des PV par rapport à la consommation d énergie du ventilateur servant au refroidissement du système PV. L installation du système de récupération de la chaleur du système PV a posé quelques défis et augmenté les coûts de main-d œuvre et de matériaux de la maison Avalon Discovery 3. Le faible espacement entre les fermes entraxe de 305 mm (12 po) et l espace très restreint entre les membrures inférieures des fermes et le support de couverture près des orifices du haut ont compliqué l installation des conduits. De plus, il a été difficile d étanchéiser correctement le pourtour des conduits avec de la mousse de polyuréthane à alvéoles fermées de 2 livres. L entrepreneur responsable de ce travail a dû s y prendre à trois reprises pour réduire les fuites d air à un niveau suffisamment bas. Incidences sur les coûts En théorie, l utilisation de systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (comme les tuiles de couverture dont il est ici question) peut permettre de réaliser des économies puisque le coût des matériaux de construction est réduit du fait qu on n a pas à se procurer des produits distincts pour les modules PV et la couverture. Dans le cas présent, le coût du système PV à lui seul était comparable à celui de systèmes PV courants, en prenant les watts comme base de comparaison. L emploi de tuiles PV à la place de matériaux de couverture habituels a abaissé les coûts, mais l utilisation de tuiles en béton au lieu de bardeaux ordinaires, pour des raisons esthétiques, a fait grimper les coûts bien au-delà de ces économies. Cette augmentation s explique ainsi : le poids des tuiles en béton a nécessité le renforcement des fermes (tel que mentionné précédemment). Cette mesure a pratiquement doublé le coût des fermes et le temps d utilisation de la grue pour les amener sur la toiture; le coût des tuiles en béton a quadruplé le coût des matériaux de toiture; l installation des tuiles PV coûte plus cher que l installation d une toiture ordinaire. 4 Société canadienne d hypothèques et de logement

5 Système photovoltaïque intégré au bâtiment L équipe de la maison Avalon Discovery 3 évalue à environ $ le coût du système de récupération de la chaleur thermique ajouté au système PV (bien qu il soit difficile de déterminer les coûts particuliers de ce système, car il a été installé de concert avec d autres composants «standard» de l installation de chauffage de la maison). Ces coûts sont beaucoup plus élevés que ce qui était prévu à l origine, en raison de divers facteurs dont le plus important est le coût différentiel des matériaux et de la main-d œuvre. Pour assurer la rentabilité du système de récupération de la chaleur, il aurait fallu réduire les coûts d installation et utiliser la chaleur extraite pour contrebalancer une partie de la charge thermique de la maison. Si l on veut seulement refroidir les tuiles PV afin d en augmenter la performance sans utiliser la chaleur afférente, il suffit d installer un système de ventilation passif à peu de frais. Pour permettre aux courants de convection d extraire la chaleur, le vendeur des tuiles PV recommande une installation en contre-liteaux (pose de liteaux verticaux puis de liteaux horizontaux, tel qu illustré à la figure 2) en prévoyant des trous de respiration près du sommet et du bas de la toiture. Résumé L équipe de la maison Avalon Discovery 3 a décidé d utiliser une technologie innovatrice, des tuiles de couverture photovoltaïques intégrées au bâtiment. Dans le but de créer une toiture esthétique, elle a choisi des tuiles en béton harmonisées aux tuiles PV, ce qui a cependant augmenté considérablement le coût des fermes. De plus, afin de rehausser la performance énergétique de la maison, l équipe a prévu un système novateur qui capte la chaleur solaire thermique. Toutefois, ce système a fait grimper les coûts et n a pu être mis en service à cause d une obstruction d origine inconnue qui empêchait l air de circuler librement. La conception et l installation du système photovoltaïque intégré au bâtiment avec récupération de la chaleur ont donné à Avalon une occasion d étudier les avantages et les coûts de ces systèmes novateurs. Avantages technologiques Économies d énergie On prévoit que le système PV de 8,3 kw produira environ kwh d électricité par année. Autres avantages L équipe de concepteurs est d avis que les tuiles PV et les tuiles de béton utilisées pour la couverture de cette maison lui confèrent un aspect esthétique agréable. Société canadienne d hypothèques et de logement 5

6 Équipe de projet Principale personne-ressource : Ryan Scott ryan@avalonmasterbuilder.com Constructeur : Avalon Master Builder Promoteur : Melcor Developments Ltd. Pour en savoir plus sur ce concept et d autres habitations EQuilibrium MC, veuillez vous rendre sur le site Web de la SCHL 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 à l échelle nationale 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 60 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 , ou visitez le site Web , 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 mises 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.