Maison EQuilibrium MC en action Système héliothermique actif de la Maison nettezéro Riverdale La Maison nettezéro Riverdale est un nouveau duplex jumelé construit sur un emplacement de premier choix au cœur d Edmonton, en Alberta. Chacune de ces maisons de deux étages offre une surface de plancher d environ 234 m² (2 519 pi²), sous-sol inclus. Dans le cadre de l Initiative de démonstration de maisons durables EQuilibrium MC de la SCHL, le constructeur et promoteur, Habitat Studio & Workshop Ltd., a conçu et construit cet immeuble afin que les deux maisons créent un milieu de vie sain et confortable pour leurs occupants, produisent autant d énergie que ce dont elles ont besoin chaque année, réduisent au minimum la consommation d énergie, conservent les ressources, aient un faible impact sur l environnement et possèdent un bon attrait commercial. L une des particularités de la Maison nettezéro Riverdale, qui est exposée dans la présente publication, est son système solaire combiné dans lequel des capteurs héliothermiques actifs sont utilisés tant pour l eau chaude domestique que pour le chauffage des locaux. Particularités techniques Le système solaire combiné de la Maison nettezéro Riverdale utilise des capteurs solaires actifs à circulation de liquide. Selon l équipe Riverdale, ces capteurs devraient répondre à 83 % des besoins pour le chauffage de l eau domestique et à 21 % des besoins quant au chauffage des locaux. La figure 3 illustre les principaux composants des installations de chauffage, d approvisionnement en eau chaude domestique et de ventilation. Les quatre principaux composants du système solaire combiné sont les suivants : n Sept capteurs solaires verticaux à vidange autonome couvrant une surface de 21 m² (figure 1); n Un réservoir d eau de stockage thermique saisonnier de 17 000 litres; n Un réservoir d eau chaude domestique de 300 litres; n Une thermopompe eau-eau de 7 kw (2 t). Pour la production et le stockage de l énergie héliothermique, l eau chaude des capteurs solaires passe d abord dans un échangeur thermique contenu dans le réservoir d eau chaude domestique de 300 L, puis dans un second échangeur thermique contenu dans le réservoir d eau de stockage thermique de 17 000 L. Figure 1 Élévation sud avec capteurs solaires verticaux En plus de l énergie héliothermique, deux sources de chaleur d appoint ont été ajoutées. La première source est l élément de chauffage électrique situé dans le réservoir d eau chaude domestique. Si l eau qui se trouve dans le réservoir de stockage saisonnier n est pas assez chaude pour chauffer les locaux, l eau chaude sera acheminée du réservoir d eau chaude domestique au ventilo-convecteur. Pour augmenter la quantité de chaleur solaire pouvant être tirée du réservoir de stockage saisonnier, une thermopompe de 7 kw (2 tonnes) a été ajoutée au système. La thermopompe permet d obtenir 2 GJ (500 kwh) de chaleur supplémentaire AU CŒUR DE L HABITATION
dans le réservoir de stockage thermique en faisant baisser la température de l eau de 30 C à 5 C. La température ainsi abaissée dans le réservoir aide également le système à capter davantage d énergie héliothermique en raison du plus grand écart de température entre le réservoir et le capteur solaire. L eau chaude domestique provient du réservoir d eau chaude domestique de 300 L, qui est maintenu à une température minimale de 55 C par un élément de chauffage électrique situé dans le réservoir. L eau des conduites municipal, qui remplit le réservoir d eau chaude domestique, est préchauffée en passant d abord par un appareil de récupération de la chaleur des eaux usées, puis par un échangeur thermique situé dans le réservoir de stockage saisonnier, avant d atteindre le bas du réservoir d eau chaude domestique. Le chauffage des locaux est assuré par un générateur-pulseur d air chaud qui tire sa chaleur d un serpentin d eau chaude situé dans le ventilo-convecteur. L eau chaude qui circule dans le ventilo-convecteur peut provenir de différentes sources, pourvu que l eau disponible soit à une température suffisante : 1. Du réservoir de stockage thermique saisonnier au ventilo-convecteur; 2. Du réservoir de stockage thermique saisonnier au ventilo-convecteur, en passant par la thermopompe; 3. Du réservoir d eau chaude domestique au ventilo-convecteur. Des capteurs solaires plans, dont les caractéristiques suivent, ont été choisis pour cette installation. n Les capteurs font 1,776 m de hauteur, 1,751 m de largeur et 0,105 m de profondeur. n Leur superficie d entrée est de 2,75 m 2. n Leur poids est de 55 kg. n Leur durée de vie minimale attendue est de 25 à 30 ans. Les capteurs ont été conçus pour faire partie d un système à vidange autonome. Un système de ce type utilise la gravité pour acheminer le liquide des capteurs à un réservoir de 30 litres dès que l eau dans les capteurs est plus froide que celle contenue dans le réservoir de stockage thermique saisonnier. Ainsi, l eau peut servir de fluide caloporteur pour les capteurs sans risque de gel, même en hiver. Le réservoir à vidange autonome doit être installé plus bas que les capteurs pour fonctionner. Figure 2 Configuration de la plomberie solaire dans le local technique Le réservoir d eau de stockage thermique saisonnier de 17 000 litres a été construit sur place au moyen de béton coulé en place. Le dessus et les parois du réservoir ont une valeur d isolation de RSI 8,8 (R-50), et le bas de RSI 3,5 (R-20). Considérations de mise en œuvre Le schéma de la figure 3 représentant le système solaire combiné en illustre la complexité, laquelle a posé plusieurs difficultés pour divers aspects du projet. Le système a été conçu pour maximiser la quantité d énergie produite par les systèmes solaires et de récupération de chaleur, mais l équipe Riverdale en est venu à la conclusion que le système est assez difficile à concevoir et à installer, qu il est difficile de modéliser et d estimer son rendement et que la documentation et les explications sont complexes. La figure 2 montre la configuration de la plomberie du système solaire dans le local technique. Même si la description de la plomberie semble difficile, on peut la simplifier en parlant de sections de boucles de flux thermique qui remplissent 2 Société canadienne d hypothèques et de logement
diverses fonctions de chauffage : captage de l énergie solaire, chauffage de l eau domestique, transfert thermique entre réservoirs, configurations de fonctionnement flexibles ainsi que climatisation par la boucle souterraine. Une fois mise en service, la tuyauterie sera isolée et les tuyaux seront identifiés au moyen de codes de couleur et de flèches directionnelles. Lors de la mise en place de dispositifs solaires pour le chauffage de l eau domestique, il est souvent recommandé d installer les capteurs à un angle qui se rapproche de la latitude du site. La latitude à Edmonton est de 53 N., mais l équipe a tout de même opté pour une installation verticale (à 90 ) des capteurs solaires afin de maximiser la production de chaleur solaire en hiver. Les avantages de l installation verticale pour les systèmes héliothermiques de chauffage des locaux sont les suivants : n De bons gains d énergie solaire en hiver; n L élimination de l accumulation de neige sur les panneaux, qui peut diminuer la quantité d énergie solaire absorbée; n La maximisation de la capture de l énergie solaire réfléchie par le sol enneigé; n La réduction au maximum de la surchauffe en été; n Plus d espace sur le toit pour les capteurs photovoltaïques. Étant donné le poids et la taille des capteurs, une grue a été nécessaire pour leur installation. La mise en œuvre du système a posé un autre défi : l espace intérieur requis pour les réservoirs, les pompes et la tuyauterie est considérable, tout comme l étendue des surfaces murales requises pour la plomberie. L équipe a éprouvé les problèmes d installation suivants lors de la mise en service du système : n Les bouchons d air dans la tuyauterie et la cavitation dans les pompes; n Les fuites dans les soupapes, les joints des tuyaux et les pompes; n La complexité de l établissement de paramètres et d algorithmes pour le système de commande afin de maximiser le rendement. L équipe a aussi dû relever d autres défis lors de la mise en œuvre du système solaire combiné, notamment : n Le manque d outils de conception pour les systèmes héliothermiques utilisés pour l eau chaude domestique et pour le chauffage des locaux; n L absence de travailleurs possédant une formation de base en installation de systèmes héliothermiques; n Des codes de plomberie qui ne traitent pas de tels systèmes et les connaissances déficientes des inspecteurs en matière de système solaire combiné. Incidences sur les coûts L équipe Riverdale indique que le système héliothermique a coûté environ 37 000 $. Elle estime que le système fournira à la maison environ 4 150 kwh d énergie solaire par année. Après avoir réparti les coûts sur 25 ans, l énergie solaire fournie par le système revient à 0,35 $ par kilowattheure. Cependant, quand on soustrait les frais fixes de raccordement au réseau de gaz naturel de 410 $ par année (puisque le chauffage de la maison et de l eau domestique ne dépend que de l énergie solaire et de l électricité), le prix sur 25 ans du chauffage solaire actif tombe à 0,25 $ par kilowattheure. À la surprise de l équipe, sans inclure la soustraction des frais de raccordement au réseau de gaz naturel, le coût de l énergie produite par le système héliothermique est supérieur au prix sur 25 ans de l électricité produite par le système photovoltaïque. D une puissance de 5,6 kw, ce dernier génère environ 6 600 kwh d électricité par année, et a coûté 54 000 $. Cela signifie que, sur 25 ans, l énergie solaire coûte 0,33 $ par kilowattheure. Cela dit, les prix estimés pour l énergie n incluent ni les coûts liés à l entretien ni ceux relatifs au financement. À première vue, il n est peut-être pas évident de comprendre pourquoi l électricité d origine solaire serait moins chère que l énergie héliothermique. En effet, les modules photovoltaïques coûtent de 500 $ à 1 100 $ par mètre carré pour une efficacité de 13 % à 17 %, tandis que les capteurs plans coûtent de 300 $ à 400 $ par mètre carré pour une efficacité de 30 % à 60 %. Société canadienne d hypothèques et de logement 3
Dans le cas de systèmes héliothermiques à un ou deux capteurs fournissant un système solaire d eau chaude domestique, le prix de l énergie pour la chaleur héliothermique serait bien moindre que pour l énergie solaire photovoltaïque. Toutefois, au-delà de un ou deux capteurs, les systèmes engendrent moins d économies à cause des périodes prolongées pendant lesquelles le système est surdimensionné, ce qui suppose que l énergie solaire est sous-utilisée. Le premier capteur suffit à satisfaire la plus grande partie des besoins en eau chaude domestique pendant l été, et l énergie fournie par d autres capteurs n est généralement utilisée qu en hiver et pendant les saisons intermédiaires. Ainsi, chaque capteur supplémentaire fournit une quantité moindre d énergie utilisable pour environ le même prix par capteur. Par contre, aucun de ces problèmes n entre en jeu dans les installations photovoltaïques raccordées au réseau, dont l efficacité ne dépend pas de la consommation électrique d une maison. Avantages technologiques Résumé L exploitation de l énergie solaire est un élément clé pour toutes les équipes EQuilibrium MC qui veulent atteindre une consommation d énergie annuelle nette zéro ou s en approcher. Les systèmes solaires actifs peuvent fournir la chaleur nécessaire tant pour le chauffage des locaux que pour l eau chaude domestique, ainsi que l électricité. Selon l équipe Riverdale, étant donné le décalage qui existe entre le moment où les besoins de chauffage des locaux sont à leur maximum et celui où l énergie solaire est la plus disponible, un certain nombre de stratégies de conception doivent être appliquées afin de maximiser la partie des besoins de chauffage des locaux qui peut être satisfaite par l énergie solaire. Certaines de ces stratégies peuvent augmenter la complexité et les coûts liés au système, ce qui peut rendre la mise en œuvre du système solaire de chauffage des locaux plus compliquée que dans le cas d installations électriques solaires qui ne posent pas les mêmes problèmes. Économies d énergie L équipe de la Maison nettezéro Riverdale estime que le système héliothermique devrait produire : n 1 910 kwh par année d énergie utilisable pour le chauffage de l eau domestique; n 2 240 kwh par année d énergie utilisable pour le chauffage des locaux. L énergie renouvelable du soleil fournit donc 83 % du chauffage de l eau domestique et 21 % du chauffage des locaux. 4 Société canadienne d hypothèques et de logement
Figure 3 Schéma des principaux composants du système héliothermique actif à circulation de liquide de la Maison nettezéro Riverdale Société canadienne d hypothèques et de logement 5
Équipe de projet Personne-ressource principale : Gordon Howell Howell-Mayhew Engineering ghowell@hme.ca Constructeur-promoteur : Habitat Studio & Workshop Ltd. Personne-ressource du constructeur : Peter Amerongen pamerongen@habitat-studio.com Pour en savoir plus sur ce concept et d autres habitations EQuilibrium MC, veuillez vous rendre sur le site Web de la SCHL au www.schl.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 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 1-800-668-2642, ou visitez le site Web www.schl.ca. 2009, Société canadienne d hypothèques et de logement Imprimé au Canada Réalisation : SCHL 13-08-10 66742 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.