Systèmes géothermiques pour bâtiments institutionnels et commerciaux Colloque Multi énergies AGPI - 2014 Vasile Minea, Institut de recherche d Hydro-Québec, Laboratoire des technologies de l énergie (LTE) 15 avril 2014, Montréal 17 avril 2014, Québec Contenu > Définition de la géothermie > Principe > Classification > Avantages > Désavantages / barrières > Performances énergétiques Mode chauffage Mode climatisation > Exemples d application au Québec Système ouvert : bâtiment administratif Systèmes fermés Échangeurs géothermiques horizontaux : école professionnelle Échangeurs géothermiques verticaux : école secondaire; magasin de détail Coûts, performances, périodes de recouvrement > Conclusions 2 1
Définition de la géothermie > En général Science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre > En particulier Ensemble des technologies utilisant l énergie géothermique à très basse température pour le chauffage et la climatisation des bâtiments résidentiels et institutionnels 3 Géothermie très base température > Exploite les réservoirs de «chaleur» situés entre 0 et 200 mètres de profondeur et dont la température varie au Québec de 6 C à 10 C > La «chaleur» provient principalement du soleil, du ruissellement de l eau de pluie, de la fonte de neige et des profondeurs de la croûte terrestre > Cette technologie utilise des pompes à chaleur (PAC) géothermiques 4 2
Énergie solaire 19% Énergie absorbée par la vapeur d'eau, la couche d'ozone, les impurités,... SOLEIL 8% Énergie dispersée par l'air 17% Énergie reflétée par les nuages 4% Énergie absorbée par les nuages Surface de la Terre 6% Énergie reflétée par la surface de la Terre Énergie renouvelable 46% Energie absorbée par la Terre 5 Pompe à chaleur géothermique > Mode chauffage (hiver) Machine frigorifique qui extrait la chaleur du sol (milieu froid) et l achemine vers l intérieur du bâtiment (milieu chaud) > Mode climatisation (été) La même machine extrait la chaleur de l intérieur du bâtiment (milieu chaud et humide) et la rejette dans le sol (milieu froid) 6 3
Principe: mode chauffage Max. 600 pieds s Évaporateur 7 Performance: mode chauffage 4 kwh thermiques fournis au bâtiment 1 kwh électrique consommé PAC Exemple de calcul 3 kwh thermiques récupérés é é du sol Coefficient de performance (COP) = énergie récupérée/énergie consommée = (3+1)/1 = 4 8 4
Principe: mode climatisation MODE CLIMATISATION Alimentation air froid 10 C Intérieur du bâtiment Extérieur du bâtiment Ventilateur Évaporateur Retour air chaud 26 C C C: compresseur P: pompe V: vanne 4-voies V Condenseur P Saumure Niveau du sol Max. 600 pieds Échangeur géothermique 9 Performance: mode climatisation Exemple de calcul 10 5
Avantages 1 > Source d énergie renouvelable, non-polluante > Disponibilité régulière: ne dépend pas des conditions atmosphériques (température, humidité, soleil, pluie, vent) > Haute efficacité énergétique > Coûts énergétiques très bas > Possibilité d édifices tout à l'électricité > Demande d électricité plus prévisible pour chauffage et climatisation > Systèmes décentralisés: flexibilité nécessaire pour installer et/ou opérer les PAC seulement dans les zones occupées > Confort amélioré des occupants > Coûts d entretien réduits versus les technologies conventionnelles > Écologique: réduit les émissions de gaz à effet de serre 11 Avantages 2 > Réduction des coûts de construction: moins d'espace nécessaire pour les systèmes HVAC > Absence de tour de refroidissement et de chaudière d'appoint > Amélioration de l'esthétique des édifices > Élimination du bruit des équipements extérieurs > Récupération et gestion intégrées de plusieurs autres sources d'énergie (solaire, gains internes, gaz de combustion, etc.), ce qui augmente l'efficacité énergétique > Maturité technique permettant de rivaliser avec les autres sources d énergies renouvelables > Les incitatifs des compagnies d électricité et/ou des agences gouvernementales peuvent stimuler les implantations 12 6
Désavantages / barrières > Efficacités énergétique et environnementale: pas toujours priorités des sociétés > Pi Prix des sources d énergie conventionnelles: historiquement assez faibles > Relative méconnaissance des technologies géothermiques > Coûts de construction: plus élevés (forages) > Dans le passé Manque d expérience et de formation: architectes, ingénieurs concepteurs, entrepreneurs Équipements peu fiables et échecs d implantation Absence d incitatifs et/ou de subventions de l état ou des compagnies d électricité 13 École professionnelle de St-Hyacinthe Construction: 1994 35 PAC air-air Deux échangeurs horizontaux: 4 et 6 pieds de profondeur Agrandissement (2000): 3 e échangeur horizontal sur ma même boucle 14 7
Températures fluide géothermique 40 Geothermal Fluid - Average Temperatures 104 Temperature e, C 30 20 10 0-10 November December 1995 Source et puits de chaleur January February March April May Month June July S August September October 86 68 50 32 14 Temperature e, F Après 20 ans (2014) Température minimale (hiver) ~ 1 C Température maximale (été) ~ 34 C 15 École professionnelle: coûts 1 > Superficie: 6 856 m 2 > Système CVC géothermique: 35 PAC (total 167,6 tonnes) Échangeur souterrain horizontal Mur solaire Appoint au gaz naturel (air frais) > Coût total: 785 755 $ (M/O et matériel) - 1994 > Coût spécifique: 114,6 $/m 2 16 8
École professionnelle: coûts 2 Système CVC équivalent > Superficie: 6 856 m 2 > Système CVC conventionnel Chauffage 2 chaudières d eau chaude au gaz naturel (3,6 MBTU/h) Climatisation refroidisseur central (150 tonnes) avec tour conventionnelle Système central de ventilation (65 000 CFM) avec unités terminales à induction > Coût total: 1 066 675 $ (M/O et matériel) - 1994 > Coût spécifique: 155,6 $/m 2 17 École professionnelle: coûts 3 1994 Système géothermique 26,3% moins cher: coût échangeur horizontal ~ coût tour de refroidissement conventionnel 18 9
Bâtiment Hydro-Québec à Laval 1 Construction: 1989 Source et puits de chaleur: eau phréatique = 1.6 C T ~ 150 m 19 Bâtiment Hydro-Québec à Laval 2 Température moyenne, C 60 50 40 30 20 10 0 MOY~50 C Boucle eau chaude MOY~7 C Boucle eau froide Avril Mai Juin Juillet Août Septembre 1995 Bâtiment administratif MOY~8,3 C Eau phréatique Octobre Novembre Month Décembre Janvier Février Mars 20 10
Bâtiment Hydro-Québec à Laval 3 > Problèmes rencontrés (1995) Corrosions > Remèdes Pompes submersibles en acier Tuyaux submergés en acier Consignes inadéquates des PAC Nouvelles pompes p submersibles en inox Tuyaux submergés & souterrains en plastique Formation des techniciens d entretien 21 École secondaire du TOURNANT 1 200 élèves Surface planchers incluant locaux techniques 2 762 m 2 (28 300 pi 2 ) Construction: 2002 Deux murs solaires EST et OUEST 22 11
École secondaire du TOURNANT 2 Préchauffage de l air frais Extraction d'air vicié Ventilateurs NF NF Évacuation (air vicié) 23 Boucle géothermique Alimentation air PAC Toilettes Retour d'air Humidificateur PAC-25 Tubes thermiques Appoint électrique NF Mur solaire OUEST Tubes thermiques Mur solaire EST Air frais École secondaire du TOURNANT 3, C Température, 40 30 20 10 0-10 -20-30 1er avril 2003-31 mars 2004 T. caloporteur - entrée thermopompes T. extérieure 2003-04-01 2003-05-01 2003-06-01 2003-07-01 2003-08-01 2003-09-01 2003-10-01 2003-11-01 2003-12-01 2004-01-01 2004-02-01 2004-03-01 Jour Températures du fluide géothermique: entrée des PAC MIN = -2 à 3 C (hiver) MAX ~ 10 C (été) 24 12
École secondaire du TOURNANT 4 Consomm mation spécifique, GJ/m m2/an 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,75 GJ/m2/an Moyenne provinciale (Québec) COMPARAISONS 0,57 GJ/m2/an Moyenne de la Commission Scolaire des Grandes Seigneuries Moyenne de la Commission Scolaire (quatre meilleures écoles) 2002 0,45 GJ/m2/an 0,251 GJ/m2/an École du TOURNANT - système géothermique 25 École secondaire du TOURNANT 5 Système CVC géothermique > Superficie: 2 762 m 2 > Système 25 PAC géothermiques (total 58 tonnes) Échangeur souterrain vertical Murs solaires Récupération de chaleur et appoint électrique (air frais) Humidification électrique > Coût total: 607 873 $ (M/O et matériel) - 2004 > Coût spécifique: 220 $/m 2 26 13
École secondaire du TOURNANT 6 Système CVC équivalent > Superficie: 2 762 m 2 > Système conventionnel: Unités de toit (total 67,5 tonnes) Dont une avec récupération de chaleur et mur solaire Humidificateurs d air Boîtes terminales à débit variable > Coût total: 444 289 $ (M/O et matériel) - 2004 > Coût spécifique: 161 $/m 2 27 École secondaire du TOURNANT 7 28 Coût additionnel système géothermique: 163 584 $ (2002) Économie annuelle totale: 22 078 $/an Période simple de recouvrement: 7,4 ans 14
École secondaire du TOURNANT 8 12 ans plus tard (2014) > Composantes brisées 2 compresseurs sur 25 2 ventilateurs sur 26 > Température fluide géothermique MIN = 1 C (hiver) MAX = 24 C (été) > Commission scolaire: nouvelles constructions 3 écoles à la géothermie (verticale) 4 agrandissements à la géothermie (verticale) > MEQ: «exige» aujourd hui des écoles à la géothermie 29 Magasin de détail à Montréal 1 Marché central Mountain COOP Aérothermes Planchers radiants Échangeurs géothermiques P PAC géothermiques 30 Échangeurs géothermiques verticaux Préchauffage air neuf 15
Magasin de détail à Montréal 2 Marché central Mountain COOP Température, C 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Echangeur géothermqiue - section #1 Janvier 2005 Source de chaleur Sortie -1 à -3 C Entrée 0 124 248 372 496 620 744 Temps (heures) 31 Magasin de détail à Montréal 3 Marché central Mountain COOP Température, C 30 25 20 15 10 5 0 Planchers radiants Janvier 2005 Étage 2 Étage 1 Température surface planchers radiants ~23 à 27 C 0 120 240 360 480 600 720 Temps (heures) 32 16
Magasin de détail à Montréal 4 Marché central Mountain COOP 2004-2005 33 Magasin de détail à Montréal 5 10 ans plus tard (2014) Températures du fluide géothermique Minimum (hiver) ~ -1 C Maximum (été) ~ 30 C ~ 1 compresseur brisé par année (sur 16) ~ 3 à 4 petites pompes brisées par année (sur 16) Cause: complexité du système/contrôle Confort haute qualité Chauffage par planchers radiants Refroidissement par plafonds radiants 34 17
Conclusions 1 > Conditions favorables 35 Disponibilité du terrain pour l échangeur souterrain (vertical ou horizontal) Même sous bâtiments ou stationnements, ou intégrés dans les fondations Sol rocheux, proche de la surface Nappe phréatique abondante et en mouvement Propriétaires et gestionnaires: passion et volonté Expérience nécessaire des professionnels Architectes Ingénieurs Hydrogéologues Entrepreneurs Opérateurs Pompes à chaleur géothermiques (compresseurs, ventilateurs, pompes de circulation): fiables Conclusions 2 > Applicabilité Dans tout édifice où le chauffage et la climatisation sont exigés Écoles, édifices à bureaux et administratifs, centres commerciaux, restaurants, garderies, maisons de retraite, résidences multiples Si échangeurs verticaux: bâtiments de maximum 6 à 8 étages Privilégier la simplicité du design et du contrôle 36 18
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