Maison EQuilibrium MC en action Maison Harmony House installations de chauffage de l eau et des locaux La Maison EQuilibrium MC Harmony House est une habitation neuve de deux étages de 438 m² (4 714 pi²) située à Burnaby (Colombie-Britannique). On y trouve un bureau ainsi qu un logement accessoire autonome au sous-sol. Pour respecter les critères de l initiative des maisons EQuilibrium MC, l équipe de la Maison Harmony House, dirigée par l entreprise de conception Habitat Design + Consulting Ltd. (HDC) et le constructeur Insightful Healthy Homes Inc., a conçu et construit cette maison pour qu on puisse y vivre sainement et de manière confortable, pour réduire la consommation d énergie au minimum, produire de l énergie renouvelable sur place afin de satisfaire tous les besoins des occupants, conserver les ressources, avoir un faible impact sur l environnement et être commercialisable. Le présent bulletin de la série «Maison EQuilibrium MC en action» décrit les installations de chauffage de l eau et des locaux qui font en sorte que la Maison Harmony House est mieux en mesure d économiser l énergie. Particularités techniques Les besoins de la Maison Harmony House en matière de chauffage de l eau et des locaux sont satisfaits par une approche en trois étapes : 1. Réduire les besoins énergétiques par des mesures de conservation et d efficacité; 2. Utiliser l énergie solaire comme source principale d énergie par une conception solaire passive du chauffage des locaux et un système actif de chauffe-eau solaire domestique (CESD); 3. Utiliser des thermopompes à air à rendement élevé pour climat froid afin de répondre au reste des besoins en matière de chauffage. Chauffage des locaux L équipe de la Maison Harmony House a combiné une enveloppe de bâtiment très bien isolée et étanche à l air à des mesures de conception solaire passive pour réduire considérablement les besoins en chauffage, par rapport à une maison ordinaire. La conception solaire passive comprend les éléments suivants : des fenêtres distribuées sur la face sud représentant 4,6 % de la surface totale de plancher chauffée; des débords de toit horizontaux qui fournissent de l ombre pour les fenêtres exposées au sud à la fin du printemps, en été et au début de l automne, diminuant ainsi considérablement le potentiel de surchauffe; un solarium non chauffé situé à l angle sud-est de la maison. Le solarium est thermiquement isolé du reste de la maison avec des murs extérieurs dotés d une isolation complète et un plancher isolé. Pendant les journées d hiver ensoleillées, les portes à deux battants qui séparent le solarium de la salle à manger peuvent être ouvertes pour transférer l apport de chaleur solaire dans le reste de l espace habitable; un appareil de traitement d air central qui redistribue les apports de chaleur solaire de la zone sud de la maison vers la zone nord de la maison. L installation de chauffage des locaux compte sur un appareil de traitement d air central qui est relié à une thermopompe à air à rendement élevé pour climat froid. L appareil de traitement d air redistribue tout d abord les apports de chaleur solaire passive, puis la thermopompe fournit tout chauffage supplémentaire requis (voir la figure 1). AU CŒUR DE L HABITATION
La thermopompe à rendement élevé a les caractéristiques suivantes pour un rendement amélioré : 5 Saison de chauffage 1. Pendant le jour, le soleil chauffe l'intérieur de la maison et les divers éléments qui s'y trouvent. 2. L'air chaud monte jusqu'à la grille de reprise du deuxième étage. 3. L'air est ensuite acheminé par des conduits à l'appareilde traitement de l'air situé au sous-sol. 4. L'appareil de traitement de l'air redistribue la chaleur par l'intermédiaire du système à air pulsé. Figure 1 3 Un compresseur à vitesse variable qui maintient une température plus stable dans les pièces, avec une efficacité énergétique semblable ou supérieure à celle d une thermopompe dotée d un compresseur bi-étagé ou de multiples compresseurs. Le compresseur comprend également une fonction «démarrage en douceur» qui élimine les pointes de courant au démarrage habituellement associées à ce genre d appareil. Une capacité pour climat froid qui permet de maintenir une haute efficacité à des températures aussi basses que -30 C, comparativement aux thermopompes classiques dont l efficacité diminue considérablement si la température passe sous 0 C. Un moteur de ventilateur à commutation électronique dans l appareil de traitement d air central qui, conjointement avec le compresseur à vitesse variable, permet au système de s adapter continuellement aux demandes de chauffage réelles 2 4 6 5. Une pompe à chaleur air-air fournit de la chaleur supplémentaire au moyen de l'appareil de traitement de l'air. 6. Lorsque la température baisse dans la maison (en soirée par exemple), la chaleur emmagasinée dans les éléments du bâtiment est retransmise par rayonnement à l'intérieur de la maison, ce qui permet de ralentir la baisse de température. Diagramme de la distribution du chauffage dans la Maison Harmony House 1 de la maison, consommant donc moins d énergie que les ventilateurs et les compresseurs courants qui réagissent moins rapidement. Avec les thermopompes classiques, la pression d aspiration de la pompe baisse de manière considérable avec une température extérieure froide, et le débit massique du fluide frigorigène diminue en raison de ses propriétés thermiques. Ceci entraîne une diminution de la capacité de chauffage du système. Pour regagner cette capacité de chauffage, le compresseur doit fonctionner à une vitesse très supérieure, et il surchauffe alors, ce qui entraîne une perte d efficacité. On trouve maintenant sur le marché quelques thermopompes à air à rendement élevé dont les capacités sont suffisamment élevées pour résoudre ce problème. La thermopompe Zuba- Central de Mitsubishi utilisée pour ce chantier a été modifiée de manière à permettre à une partie du frigorigène à deux phases (gaz-liquide) de passer outre le serpentin extérieur et d être réinjecté dans le compresseur à une température plus basse par une chambre d injection pendant le processus de compression. Cela diminue la température à l intérieur de la chambre de compression, permettant ainsi au compresseur de fonctionner à des vitesses accrues sans générer une accumulation de chaleur qui entraînerait une perte d efficacité, afin de contrebalancer l effet de la baisse de la pression d aspiration et du faible débit massique du frigorigène. Dans le climat côtier relativement doux de Burnaby (C.-B.), on prévoit que la thermopompe à air à rendement élevé pour climat froid fonctionnera avec un coefficient de performance (COP) saisonnier de 3,1. Ainsi, pour chaque unité d énergie consommée par la thermopompe, 3,1 unités d énergie de chauffage seront transférées de l air extérieur à l air intérieur. Le COP du système Zuba-Central pour la saison de chauffage a été évalué à 9,4. En plus de sa grande efficacité énergétique, la thermopompe choisie a l avantage d être petite. C est une thermopompe air-eau et, par rapport à de nombreuses thermopompes éconergétiques qui doivent être assez volumineuses pour atteindre une haute efficacité, l unité extérieure de la thermopompe Zuba-Central est conçue avec une évacuation de l air horizontale au lieu de l évacuation de l air verticale classique, ce qui permet d avoir un boîtier compact de seulement 0,33 m (13 po) d épaisseur (voir la figure 2). L unité extérieure est également très silencieuse, ne produisant que 52 db lors de son fonctionnement, comparativement à un bruit de 80 db produit par de nombreuses unités extérieures de thermopompes. 2 Société canadienne d hypothèques et de logement
Figure 2 Thermopompes à air extérieures identiques, l une pour le chauffage des locaux et l autre pour l eau chaude Chauffage de l eau domestique Le premier but de l équipe de conception de la Maison Harmony House pour satisfaire les besoins en matière de chauffage de l eau domestique était de réduire les charges. C est pourquoi les concepteurs ont prévu : des robinets et des pommes de douche à débit réduit; des coudes anti-convection sur le réservoir d eau principal qui empêchent la chaleur de s échapper du réservoir lorsque l eau chaude n est pas utilisée; un réservoir principal très bien isolé, au moyen d un isolant de 50 mm (2 po) d épaisseur en mousse d uréthane; un lave-vaisselle et une laveuse à consommation d eau réduite. Le concept de l équipe comporte un chauffe-eau solaire domestique (CESD) qui devrait générer environ 56 % des besoins d eau chaude annuels. Le CESD comprend les éléments suivants : deux capteurs solaires plans avec une surface de captage de 3 m² (32 pi²) chacun (voir la figure 3); un échangeur de chaleur (dans la boîte beige en avant-plan sur la figure 4) qui transfère à l eau chaude domestique la chaleur du fluide caloporteur (une solution d eau et de propylèneglycol de qualité alimentaire) utilisé dans le circuit des capteurs solaires; une électropompe c.c. qui fait circuler le fluide caloporteur dans l échangeur de chaleur et les capteurs solaires; un panneau photovoltaïque de 20 watts qui alimente la pompe et gère sa période de fonctionnement (voir la figure 3); un réservoir d eau chaude solaire de 303 litres (67 gal. imp.) (réservoir beige à la figure 4). Figure 3 Capteurs solaires plans sur le toit, avec un panneau photovoltaïque pour les commandes et la pompe Société canadienne d hypothèques et de logement 3
Le réservoir de stockage thermique solaire est relié en série à un deuxième réservoir isolé de 460 litres (101 gal. imp.) (réservoir gris foncé en arrière-plan à la figure 4). Lorsque la température de l eau produite par le système solaire thermique est trop basse pour combler les besoins domestiques, une pompe à chaleur à air située à l extérieur (identique à celle utilisée pour chauffer les locaux) fait monter la température de l eau chaude. On prévoit que la thermopompe air-eau à rendement élevé pour le CESD fonctionnera avec un COP moyen de 1,9. Le COP inférieur pour le système de chauffage de l eau domestique s explique du fait que la thermopompe doit atteindre des températures de fonctionnement plus élevées que pour le système de chauffage des locaux. Considérations de mise en œuvre Comme toutes les thermopompes à rendement élevé traditionnelles, l unité sélectionnée peut fournir à la fois du chauffage et de la climatisation dans la même installation, ce qui s avère avantageux. En effet, l entretien requis est réduit puisqu on n a pas à employer deux systèmes mécaniques (p. ex. un générateur d air chaud et un climatiseur) pour assurer le chauffage et la climatisation. De plus, cet appareil est moins volumineux et entraîne des économies de coûts et d énergie intrinsèque étant donné qu un seul système assume les deux fonctions. L équipe a aussi ajouté une tour à vent au concept de la maison afin de fournir une ventilation naturelle qui réduit considérablement les besoins de climatisation, ce qui permet d économiser l énergie. Des renseignements plus détaillés sur la tour à vent sont présentés dans le bulletin «Maison EQuilibrium MC en action» intitulé Maison Harmony House conception solaire passive, rafraîchissement naturel et éclairage naturel. Avantages technologiques Figure 4 Échangeur de chaleur du système de capteur solaire et réservoirs d eau chaude domestique Economies d énergie À l aide du logiciel HOT2000 de Ressources naturelles Canada qui simule la consommation d énergie d une habitation, Habitat Design + Consulting Ltd. a estimé la charge annuelle brute de chauffage à 56,5 GJ (15 700 kwh). Or, on s attend à ce que les apports solaires passifs utilisables répondent à 19 % de la charge de chauffage et les apports internes à 37 %. Donc, le système de chauffage des locaux ne devrait avoir à fournir que 44 % de la charge annuelle de chauffage des locaux, soit 24,8 GJ par année (6 900 kwh/année), pour une réduction annuelle de près de9 000 kwh. Avec un COP saisonnier de 3,1 pour la thermopompe de chauffage des locaux, la consommation d énergie achetée prévue sera d autant plus réduite, soità 8 GJ par année (2 220 kwh/année). Habitat Design + Consulting Ltd. a calculé que le chauffe-eau solaire domestique produira environ 2 240 kwh/année d énergie thermique, ce qui permettra de répondre à 56 % des besoins d eau chaude des occupants. Les 44 % qui restent seront satisfaits par une thermopompe à rendement élevé pour l eau chaude, fonctionnant avec un COP de 1,9. L énergie achetée sera donc réduite à environ 23 % de la charge énergétique associée à l eau chaude domestique. 4 Société canadienne d hypothèques et de logement
Un petit panneau photovoltaïque de 20 W placé à côté des capteurs solaires génère l électricité requise pour pomper le fluide caloporteur entre les capteurs et l échangeur de chaleur, ce qui fournit de la chaleur au réservoir principal très bien isolé de 303 litres (67 gal. imp.), pour enfin le ramener au début du circuit dans les capteurs. Santé et confort des occupants Dès que le thermostat détecte qu il faut fournir de la chaleur, le compresseur à vitesse variable de la thermopompe se met en marche, initialement à une vitesse élevée pour atteindre rapidement la température de consigne souhaitée. Lorsque cette température est atteinte, le compresseur ralentit et ajuste automatiquement sa vitesse pour maintenir la température souhaitée dans la pièce. Ce fonctionnement à vitesse variable entraîne moins de variations de température dans la pièce, ce qui accroît le confort des occupants. En outre, l unité extérieure de la thermopompe est très silencieuse, produisant un niveau de bruit de seulement 52 db, soit une intensité sonore semblable à celle d un réfrigérateur. Résumé L équipe de conception de la Maison Harmony House a tout d abord cherché à réduire la quantité d énergie requise pour chauffer la maison et produire de l eau chaude domestique grâce à diverses mesures de conservation de l énergie et d efficacité, comme une enveloppe de bâtiment très bien isolée et étanche à l air, et des dispositifs qui permettent d économiser l eau. L équipe a ensuite tiré avantage des technologies d énergie solaire passive et active pour répondre à une grande partie des besoins énergétiques. Enfin, elle a utilisé des thermopompes à air à haut rendement pour climat froid à la fine pointe de la technologie pour minimiser encore davantage la nécessité d acheter de l énergie. Ainsi, on prévoit que seulement 16 % de l énergie requise pour chauffer l eau et les locaux devra être achetée. Ces impressionnantes économies d énergie n auront d égal que le confort thermique des occupants. Société canadienne d hypothèques et de logement 5
Équipe de projet Principale personne-ressource : Chris Mattock, MRAIC, Habitat Design + Consulting Ltd. mattock@helix.net Autre personne-ressource : Arthur Lo Insightful Healthy Homes Inc. Arthur@insightful.ca Pour en savoir plus sur ce concept et d autres habitations EQuilibriumMC, veuillez vous rendre sur le site Web de la SCHL au www.schl.ca ou au www.maisonsequilibrium.ca. 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 1-800-668-2642, visitez le site Web www.schl.ca ou au www.maisonsequilibrium.ca. 2013, Société canadienne d hypothèques et de logement Imprimé au Canada Réalisation : SCHL 17-10-13 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.