Bâtiments intelligents à consommation énergétique nette zéro

Promoteur principal : Université Concordia
Lieu : Montréal (Québec)
Contribution de l’Initiative : 1 000 000 $
Total du projet :1 731 000 $

Contexte du projet :

Le Réseau stratégique du CRSNG sur les bâtiments intelligents à consommation énergétique nette nulle (BICENN) rassemble 29 chercheurs canadiens de 15 universités pour mettre au point les maisons et les bâtiments intelligents à consommation énergétique nette nulle de l’avenir. Le Réseau a reçu 5 millions de dollars sur 5 ans (2011 à 2016) par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) pour mener des recherches qui faciliteront l’adoption généralisée d’ici 2030, dans des régions clés du Canada, de concepts de création et de fonctionnement du bâtiment à consommation énergétique nette nulle (BCENN) adaptés aux conditions climatiques et aux pratiques de construction du Canada. Alors que les activités de programme du Réseau stratégique sur les BICENN mettent l’accent sur la mise au point de stratégies et de modèles généraux, le projet intitulé « Bâtiments intelligents à consommation énergétique nette nulle » comporte des activités complémentaires qui ne sont pas financées par les fonds du CRSNG. L’Université Concordia, promoteur du projet, et son réseau de partenaires universitaires, a reçu 1 million de dollars de l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation pour mener des recherches sur des technologies prometteuses choisies qui habiliteront les maisons et les bâtiments à consommation énergétique nette nulle.

Résultats :

Collecteurs PVT sur un toit simulé

Collecteurs PVT sur un toit simulé.
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Un banc d’essai expérimental a été construit en utilisant deux panneaux solaires de 235W. Les panneaux ont été montés en colonne sur une section de toit simulée ayant une pente de 22.50 et orientée directement au sud. Des fentes horizontales ont été découpées dans les parties supérieures et inférieures des cadres des modules photovoltaïques afin de permettre à l’air de circuler derrière les panneaux photovoltaïques par convection naturelle ou forcée. Pendant les essais, l’air ambiant était tiré dans le passage de circulation (canal d’aération) formé par le panneau photovoltaïque et la section de toit.

Afin de concrétiser les BCENN, l’enveloppe du bâtiment doit présenter un bilan énergétique positif et générer de l’électricité et de la chaleur d’origine solaire. De nouveaux prototypes de systèmes photovoltaïques thermiques intégrés au bâtiment (building-integrated photovoltaic/thermal – BIPV/T) ont été conçus, construits et mis à l’essai dans le laboratoire de la Solar Simulator and Environmental Chamber ou SSEC (simulateur solaire et enceinte environnementale) à l’Université Concordia. Les nouveaux concepts de façade à BIPV/T utilisent des entrées décentralisées plutôt que des capteurs transpirants non vitrés (unglazed transpired collectors – UTC). Les résultats des essais indiquent une amélioration générale de 10 % du rendement thermique lors de l’utilisation de deux entrées (plutôt qu’une seule), en particulier lorsque la cellule photovoltaïque présente un fond semi-transparent (plutôt que noir opaque).

On a mis au point un modèle de système de fenestration à deux couches contrôlables pour solarium ou serre. Un prototype de salle de test a alors été construit pour valider le modèle et utilisé pour élaborer et vérifier des stratégies de contrôle qui améliorent l’utilisation de l’énergie solaire. Ce prototype comprenait des stores intérieurs et extérieurs motorisés contrôlables, un chauffage contrôlé et un matériau à changement de phase (MCP) dans le mur du fond. Le MCP a été utilisé à la fois comme système de stockage thermique passif et actif. Le prototype achevé avec mur de MCP intégré a été mis à l’essai dans le laboratoire de la SSEC.

Dans un système hybride photovoltaïque thermique (PVT), les modules photovoltaïques sont ventilés par circulation naturelle ou forcée de l’air afin de réduire la température des panneaux, et l’air ainsi chauffé est alors utilisé pour chauffer l’espace ou l’eau, ou pour préchauffer l’air de ventilation. On a construit et testé le rendement d’un dispositif PVT expérimental. Les résultats ont indiqué que tout niveau de circulation d’air derrière le panneau, y compris la convection naturelle, accroît la production d’électricité par comparaison avec des volets fermés (c.-à-d. des conditions de stagnation). Toutefois, l’utilisation d’un ventilateur pour accroître le débit d’air forcé au-delà de 30 pi3/min avait un effet négatif sur la production nette d’électricité, puisque le ventilateur consomme plus d’électricité que le panneau n’en produit. Par contre, les collecteurs thermiques des systèmes PVT ont besoin de températures élevées (c.-à-d. plus de 60 °C) pour fournir une énergie thermique utile. On peut utiliser une thermopompe pour apporter la chaleur captée près du groupe photovoltaïque à une charge thermique ou un système de stockage thermique. L’Université Queen’s a mis au point un banc d’essai expérimental pour évaluer le rendement des thermopompes à liquide. Les essais indiquent que la thermopompe R410-A fonctionne bien lorsque la température de la source est basse, mais éprouve de la difficulté à fournir de la chaleur à 60 °C. La thermopompe transcritique à CO2 pouvait fournir des températures élevées (plus de 90 °C), mais au prix d’une complexité accrue.

Façades BIPV/T à l’essai dans la SSEC, toutes deux à deux entrées; la façade de gauche est munie d’un fond semi-transparent et celle de droite d’un fond noir opaque

Façades BIPV/T à l’essai dans la SSEC, toutes deux à deux entrées; la façade de gauche est munie d’un fond semi-transparent et celle de droite d’un fond noir opaque.
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On a conçu et construit des prototypes de systèmes BIPV/T sur mesure dans le laboratoire de la SSEC de l’Université Concordia en utilisant différents concepts de panneaux photovoltaïques sans cadre construits spécialement à l’usine de Canadian Solar avec la participation des chercheurs et étudiants de l’Université Concordia. Un collecteur est branché au haut des deux prototypes montrés afin de tester l’efficacité thermique et électrique avec différents débits d’air et différentes intensités de rayonnement solaire produits par le simulateur solaire.

La conception de champs de forage géothermique s’appuie sur la détermination des facteurs de réponse thermique à long terme, appelés fonctions G et obtenus à partir de modèles numériques ou analytiques. En utilisation l’analyse dimensionnelle pour réduire le temps d’essai, on a construit un petit prototype de puits de forage pour valider ces modèles par l’expérience. L’essai du petit prototype dans un réservoir sablonneux existant a produit des résultats constituant la première validation expérimentale connue des fonctions G. Un deuxième prototype de puits de forage (quatre tuyaux, tubes en « u » doubles) a été construit et utilisé pour valider les nouveaux modèles numériques.

On a mis au point des algorithmes et des stratégies de commande prédictive heuristique afin de réduire la consommation énergétique et la demande de pointe. On les a mis à l’essai dans le bâtiment du génie de l’Université Concordia, dans lequel on a installé un système de ventilation hybride et des stores motorisés automatisés.

Avantages pour le Canada :

Une fois adoptés, les nouvelles techniques de conception et stratégies de contrôle de même que les nouveaux concepts et modèles de BCENN proposés dans ce projet aideront à réduire la consommation d’énergie et à améliorer l’efficacité énergétique des maisons et des bâtiments de tout le Canada.                    

Prochaines étapes :

Continuer de faire progresser la recherche sur les BCENN et les technologies habilitantes, et former des professionnels hautement qualifiés en vue de transformer à la fois les industries du bâtiment et de l’énergie.

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