Maison EQuilibriumMC en action

Maison EQuilibriumMC en action
AU CŒUR DE L’HABITATION
Système héliothermique actif de la Maison
nettezéro Riverdale
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.
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
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 EQuilibriumMC 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.
Figure 1 Élévation sud avec capteurs solaires verticaux

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Système héliothermique actif de la Maison nettezéro Riverdale
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 m2.
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.
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
Figure 2 Configuration de la plomberie solaire dans le
local technique

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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 %.

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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
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.
Résumé
L’exploitation de l’énergie solaire est un élément clé pour
toutes les équipes EQuilibriumMC 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.

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Figure 3 Schéma des principaux composants du système héliothermique actif à circulation de liquide de la Maison
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