Transcript P02 - 2 « Systèmes géothermiques pour bâtiments institutionnels et

Systèmes géothermiques pour
bâtiments institutionnels et
commerciaux
Colloque Multi énergies AGPI - 2014
Vasile Minea, Institut de recherche d
d’Hydro-Québec,
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
y
fermés
–
–
•
>
2
Échangeurs géothermiques horizontaux : école professionnelle
Échangeurs géothermiques verticaux : école secondaire;
magasin de détail
Coûts, performances, périodes de recouvrement
Conclusions
Groupe – Technologie
1
Définition de la géothermie
> En général
•
Science qui étudie les phénomènes
thermiques internes du globe terrestre
> En particulier
•
3
Ensemble des technologies utilisant
l’énergie géothermique à très basse
température pour le chauffage et la
climatisation des bâtiments résidentiels et
institutionnels
Groupe – Technologie
Géothermie très base température
> Exploite les réservoirs de « chaleur » situés
entre 0 et 200 mètres de p
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
Groupe – Technologie
2
Énergie solaire
19%
Énergie absorbée par
la vapeur
p
d'eau,, la
couche d'ozone, les
impurités,...
SOLEIL
8%
Énergie dispersée
par l'air
4%
Énergie absorbée
par les nuages
17%
Énergie reflétée par
les nuages
6%
Énergie
g reflétée par
p la
surface de la Terre
Surface de la Terre
Énergie renouvelable
46%
Energie absorbée par la Terre
5
Groupe – Technologie
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)
•
6
La même machine extrait la chaleur de
ll’intérieur
intérieur du bâtiment (milieu chaud et
humide) et la rejette dans le sol (milieu
froid)
Groupe – Technologie
3
Max. 600 pieds
s
Évaporateur
Principe: mode chauffage
7
Groupe – Technologie
Performance: mode chauffage
4 kWh thermiques
1 kWh électrique
fournis au bâtiment
consommé
PAC
3 kWh thermiques
récupérés
é
éé d
du soll
Exemple de calcul
Coefficient de performance (COP) =
énergie récupérée/énergie consommée
= (3+1)/1 = 4
8
Groupe – Technologie
4
Principe: mode climatisation
MODE CLIMATISATION
Alimentation air froid
10 °C
C
Intérieur du bâtiment
Extérieur du bâtiment
Ventilateur
Retour air chaud
26 °C
C
C: compresseur
P: pompe
V: vanne 4-voies
Niveau du sol
P
Saumure
Max. 600 pieds
C
Condenseur
C
V
Évaporateur
Échangeur géothermique
9
Groupe – Technologie
Performance: mode climatisation
Exemple de calcul
10
Groupe – Technologie
5
Avantages
1
> Source d’énergie renouvelable, non-polluante
> Disponibilité régulière: ne dépend pas des conditions
atmosphériques (température,
(température humidité,
humidité soleil,
soleil pluie,
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
t/
opérer
é
les
l PAC seulement
l
t dans
d
les
l zones occupées
é
> Confort amélioré des occupants
> Coûts d’entretien réduits versus les technologies
conventionnelles
> Écologique: réduit les émissions de gaz à effet de serre
11
Groupe – Technologie
Avantages
2
> Réduction des coûts de construction: moins d'espace
nécessaire p
pour les systèmes
y
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
Groupe – Technologie
6
Désavantages / barrières
> Efficacités énergétique et environnementale: pas
toujours priorités des sociétés
> Prix
P i des
d sources d’énergie
d’é
i conventionnelles:
ti
ll
historiquement assez faibles
> Relative méconnaissance des technologies
géothermiques
> Coûts de construction: plus élevés (forages)
> Dans le passé
Manque d
d’expérience
expérience et de formation: architectes,
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
Groupe – Technologie
École professionnelle de St-Hyacinthe
Construction: 1994
35 PAC air-air
● Deux échangeurs horizontaux:
4 et 6 pieds de profondeur
● Agrandissement (2000):
3e échangeur horizontal sur ma même boucle
14
Groupe – Technologie
7
Températures fluide géothermique
30
20
Geothermal Fluid - Average Temperatures
104
86
1995
68
10
50
0
Source et puits de chaleur
14
No
ve
De mb
ce e r
m
b
Ja e r
nu
Fe a ry
br
ua
ry
M
ar
ch
Ap
ril
M
ay
Ju
ne
Ju
A ly
Se ugu
pt st
em
b
O er
ct
ob
er
-10
32
Temperature
e, °F
Temperature
e, °C
40
Month
Après 20 ans (2014)
Température minimale (hiver) ~ 1°C
Température maximale (été) ~ 34°C
15
Groupe – Technologie
École professionnelle: coûts
1
> Superficie: 6 856 m2
> Système
S tè
CVC géothermique:
é th
i
•
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:
•
16
114,6 $/m2
Groupe – Technologie
8
École professionnelle: coûts
2
Système CVC équivalent
> Superficie:
p
6 856 m2
> 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 $/m2
17
Groupe – Technologie
École professionnelle: coûts
3
1994
Système géothermique 26,3% moins cher:
coût échangeur horizontal ~ coût tour de refroidissement
conventionnel
18
Groupe – Technologie
9
Bâtiment Hydro-Québec à Laval
1
Source et puits de chaleur:
eau phréatique
T = 1.6°C
Construction: 1989
~ 150 m
19
Groupe – Technologie
1995
MOY~50°C
60
Bâtiment administratif
Boucle eau chaude
50
40
30
20
MOY~7°C
MOY~8,3°C
Boucle eau froide
Eau phréatique
10
n
Ju
ill
et
A
Se
oû
pt
t
em
br
e
O
ct
ob
N
re
ov
em
b
D
éc re
em
br
e
Ja
nv
ie
r
Fé
vr
ie
r
M
ar
s
Ju
i
A
M
ai
0
vr
il
Température moyenne, °C
C
Bâtiment Hydro-Québec à Laval
Month
20
Groupe – Technologie
10
2
Bâtiment Hydro-Québec à Laval
3
> Problèmes rencontrés (1995)
•
Corrosions
– Pompes submersibles en acier
– Tuyaux submergés en acier
– Consignes inadéquates des PAC
> Remèdes
•
Nouvelles p
pompes
p submersibles en inox
•
Tuyaux submergés & souterrains en plastique
•
Formation des techniciens d’entretien
21
Groupe – Technologie
École secondaire du TOURNANT
1
200 élèves
Surface planchers incluant locaux techniques
2 762 m2 (28 300 pi2)
Construction: 2002
Deux murs solaires
EST et OUEST
22
Groupe – Technologie
11
École secondaire du TOURNANT
2
Extraction d'air vicié
Ventilateurs
Préchauffage de l’air frais
NF
NF
Évacuation
(air vicié)
Alimentation air
Toilettes
PAC
Tubes
thermiques
Humidificateur
PAC-25
NF
Mur solaire
OUEST
Appoint
électrique
Tubes
thermiques
Boucle géothermique
Retour d'air
Mur solaire
EST
Air frais
23
Groupe – Technologie
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
3
1er avril 2003 - 31 mars 2004
T. caloporteur - entrée thermopompes
T. extérieure
20
03
-0
20 403 01
-0
20 5-0
1
03
-0
20 603 01
-0
20 7-0
1
03
-0
20 8-0
03
1
-0
20 9-0
03
1
-1
20 0-0
03
1
-1
20 1-0
03
1
-1
2
20
04 01
-0
20 1-0
1
04
20 0 204 01
-0
301
Température,, °C
École secondaire du TOURNANT
Jour
Températures du fluide géothermique: entrée des PAC
MIN = -2 à 3°C (hiver)
MAX ~ 10°C (été)
24
Groupe – Technologie
12
École secondaire du TOURNANT
4
Consomm
mation spécifique, GJ/m
m2/an
2002
25
COMPARAISONS
1
0,8
0 75 GJ/
0,75
GJ/m2/an
2/
0,57 GJ/m2/an
0,6
0,45 GJ/m2/an
0,4
0,251 GJ/m2/an
0,2
0
Moyenne
provinciale
(Québec)
Moyenne de la
Commission
Scolaire des
Grandes
Seigneuries
Moyenne de la
Commission
Scolaire (quatre
meilleures écoles)
École du
TOURNANT système
géothermique
Groupe – Technologie
École secondaire du TOURNANT
5
Système CVC géothermique
> Superficie: 2 762 m2
> 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 $/m2
26
Groupe – Technologie
13
École secondaire du TOURNANT
6
Système CVC équivalent
> Superficie: 2 762 m2
> 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:
•
27
161 $/m2
Groupe – Technologie
École secondaire du TOURNANT
7
Coût additionnel système géothermique: 163 584 $ (2002)
Économie annuelle totale: 22 078 $/an
Période simple de recouvrement: 7,4 ans
28
Groupe – Technologie
14
École secondaire du TOURNANT
8
12 ans plus tard (2014)
> Composantes
p
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
Groupe – Technologie
Magasin de détail à Montréal
Marché central Mountain COOP
Aérothermes
Planchers
radiants
Échangeurs
géothermiques
P
PAC
géothermiques
Échangeurs
géothermiques
verticaux
30
Préchauffage air neuf
Groupe – Technologie
15
1
Magasin de détail à Montréal
2
Température, °C
Marché central Mountain COOP
Echangeur géothermqiue - section #1
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
Janvier 2005
Source de chaleur
Sortie
-1 à -3°C
Entrée
0
124
248
372
496
620
744
Temps (heures)
31
Groupe – Technologie
Magasin de détail à Montréal
3
Marché central Mountain COOP
Planchers radiants
Température, °C
30
Janvier 2005
Étage 1
25
20
Étage 2
15
10
Température surface planchers radiants
~23 à 27°C
5
0
0
120
240
360
480
Temps (heures)
32
Groupe – Technologie
16
600
720
Magasin de détail à Montréal
Marché central Mountain COOP
33
4
2004 - 2005
Groupe – Technologie
Magasin de détail à Montréal
5
10 ans plus tard (2014)
•
T
Températures
é t
d
du fluide
fl id géothermique
é th
i
– 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
34
•
Chauffage par planchers radiants
•
Refroidissement par plafonds radiants
Groupe – Technologie
17
Conclusions
1
> Conditions favorables
•
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
35
Groupe – Technologie
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
•
36
Privilégier la simplicité du design et du
contrôle
Groupe – Technologie
18
19