Souper-conférence du 10 sept 2018

CE QUE VOUS AVEZ PEUT-ÊTRE MANQUÉ...SOUPER-CONFÉRENCE DU 10 septembre 2018

Le 10 septembre dernier, le Chapitre de Montréal tenait sa soirée recrutement des membres. Pour cette occasion, le Chapitre a reçu la visite de Ben Wareing, Ph.D. Candidate at School of Architecture at McGill University et Rémi Dumoulin Student in Net Zero Energy Buildings at Condordia University. En début de soirée, ils ont présenté le défi universitaire: le Solar Decathlon.

Conférence technique

Le 10 septembre dernier, le Chapitre ASHRAE de Montréal lançait sa saison 2018-2019 avec sa soirée annuelle de recrutement des membres. Lors de cette soirée, ayant les bâtiments net-zéro comme thématique, messieurs Ben Wareing, étudiant au doctorat à l’École d’architecture de l’université McGill, et Rémi Dumoulin, étudiant à la maitrise à l’Université Concordia, sont venus nous présenter les résultats de leur participation au Solar Decathlon China 2018. Par la suite, M. Andreas Athienitis, enseignant en mécanique du bâtiment à l’Université Concordia est venu nous présenter sa conférence intitulée ‘’Modeling and design of smart net-zero energy solar building’’.

La conférence technique ayant pour titre ‘’The Deep-Performance Dwelling’’ est un compte rendu de l’expérience de l’équipe TeamMTL lors de la compétition ‘’Solar Decathlon China’’ qui s’est déroulée l’été dernier dans la ville de Dezhou en Chine. La compétition a été lancée en 2002 par le Département de l’énergie américain. Chaque équipe doit concevoir et construire une maison à deux étages de 1300 à 2150 pi2 avec une consommation énergétique nulle (NET zéro).

Habitations abordables
Avec leur design, TeamMTL a conçu un modèle de maison en rangée qui répond aux besoins globaux d’offrir des habitations abordables, robustes et qui permettent un meilleur développement durable et culturel ainsi qu’une meilleure équité sociale.

Enveloppe ultra performante
Ils ont basé leur approche autour de l’efficacité énergétique en utilisant les principes du programme ‘’Passive House’’. Pour ce faire, ils ont conçu une enveloppe étanche à 0.6 CAH, lorsque pressurisée à 50 Pa. Les murs et les planchers ont un isolant avec un facteur R60, le toit un facteur R100 et ils ont éliminé les ponts thermiques. L’orientation et la forme du bâtiment sont telles qu’elles maximisent la diffusion de la lumière naturelle partout dans la maison et maximisent ainsi le gain thermique lors de la saison de chauffage en hiver. Les portes et les fenêtres sont triple verre à haute efficacité avec une faible émissivité (Low-E). Les puits de lumière sont également à haute efficacité et ne laissent passer que 20% de la lumière.

Systèmes mécaniques
En plus d’une enveloppe ultra performante, la maison est équipée de systèmes mécaniques à la fine pointe de la technologie. Les besoins en électricité sont comblés par un ensemble de panneaux solaires couvrant la totalité des deux toits de la maison. Le système est composé de 40 modules avec une capacité instantanée de 12 kW et une capacité annuelle de 12 000 kWh. Bien que la maison soit autonome, elle est raccordée au réseau électrique à l’aide de deux onduleurs d'une puissance de 6.8 kW chaque et d’une pile de 10 kWh.

Qualité d’air intérieur
Étant donné l’étanchéité de la maison, la qualité de l’air intérieur est assurée par un ventilateur récupérateur d’énergie à très grande efficacité. L’eau chaude domestique est générée à partir d’une pompe à chaleur qui transfère la chaleur entre un réservoir d’eau froide et un réservoir d’eau chaude. Le système de pompe à chaleur est également équipé d’un échangeur de chaleur de type air-eau situé sous les panneaux solaires. Le système de pompe à chaleur peut ainsi profiter de la chaleur radiée par le soleil afin de préchauffer l’eau utilisée pour la génération de l’eau chaude domestique en hiver.

Consommation énergétique
Le bâtiment conçu par TeamMTL consomme environ 70% à 80% moins d’énergie qu’un bâtiment standard comparable. Le design du bâtiment est modulaire et peut facilement être utilisé pour construire une maison indépendante ou une série de plusieurs maisons en rangée.

Performance globale du concours
Lors de la compétition, l’équipe TeamMTL a terminé 7e sur les 18 équipes inscrites. Ils se sont particulièrement démarqué dans les catégories « Architecture », « Attrait du marché » et « Communications » où ils ont terminé les épreuves en première position. Ils ont également très bien performé dans les catégories « Ingénierie » et « Innovation » où ils ont terminé 3e. 

Gauche à droite: Rémi Dumoulin et Ben Wareing

Par Adam Fecteau, Comité édition
Consultez la présentation de la conférence technique

Conférence principale

MODELLING AND DESIGN OF SMART NET-ZERO ENERGY SOLAR BUILDINGS

La conception énergétique des bâtiments traverse actuellement une période de changements majeurs. L’un des facteurs clés de cette situation est l’adoption de l’énergie nette zéro comme objectif à long terme pour les nouveaux bâtiments dans la plupart des pays développés. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches sont nécessaires et celle de M. Athienitis en fait partie. Des techniques de modélisation avancées ainsi que des études de cas approfondies aident les concepteurs à utiliser de manière optimale les outils de simulation pour la conception de bâtiments à consommation énergétique nette zéro. Les stratégies et les technologies utilisés mènent à la conception de bâtiments plus énergivores dont plusieurs seront présentés durant la conférence.

M. Athienitis a commencé par présenter les principales tendances internationales dans les bâtiments de haute performance, comme :

- l’adoption par ASHRAE et les pays développés de l’énergie nette zéro / zéro carbone en tant qu’objectif à long terme (par exemple, ASHRAE Vision 2020);

- les mesures visant à réduire / déplacer le pic de la demande d'électricité des bâtiments, réduisant ainsi le besoin de construire de nouvelles centrales électriques ; optimiser l'interaction avec les réseaux intelligents; résilience aux changements climatique; chargement des voitures électriques (EV);

- étapes pour intégrer efficacement les nouvelles technologies énergétiques telles que l'ombrage contrôlé et les systèmes solaires, le stockage thermique et électrique;

- la flexibilité énergétique dans la construction utilisée pour optimiser les performances et l'interaction avec les réseaux intelligents ; le contrôle prédictif.

Une caractéristique importante d’une maison à consommation énergétique nette zéro est qu’elle produit autant d'énergie renouvelable sur site que l'énergie qu'elle consomme en un an. Alors, la combinaison optimale de technologies solaires et des technologies d'efficacité énergétique et techniques offrent différentes voies vers la haute performance et un bilan énergétique net annuel nul :

Énergie solaire: électricité + lumière du jour + chaleur

M. Athienitis a mis l’accès sur les variables de design importantes à considérer lors de l’optimisation des bâtiments avec des collecteurs solaires, soit l’inclinaison du toit (pentes de 40-50 degrés de préférence), le rapport hauteur / largeur (supérieur à 1, de préférence 1.3) ainsi que la superficie de la fenêtre.

Bâtiments solaires intelligents À consommation ÉnErgÉtique nette zéro (NZEB)

La définition des bâtiments solaires intelligents à consommation énergétique nette zéro (NZEB) a été développée ainsi :

• Bilan énergétique annuel net zéro: nombreuses définitions possibles en fonction des frontières: Maison? Communauté? Coût énergétique net zéro?
• Net-zéro est un objectif-cible qui favorise une approche intégrée d'efficacité énergétique et des énergies renouvelablesè le chemin vers net-zero est important.
• Pourquoi intelligent? Les NZEB doivent être confortables et interagir de manière optimale avec un réseau intelligent.
• Réseau de recherche stratégique du CRSNG sur les bâtiments à consommation énergétique nette zéro (SNEBRN) s'appuie sur la recherche antérieure du CRSNG sur les réseaux des bâtiments solaires (SBRN) - en cours de renouvellement - des bâtiments solaires intelligents et des communautés.

Demande et production d'électricité dans la maison solaire avec un profil typique BIPV pour des maisons net zéro énergie (NZEB) par temps froid

M. Athienitis a également parlé des tendances dans les bâtiments commerciaux et institutionnels qui étaient conçus avec des petites fenêtres et avec de l’éclairage électrique dans les années ‘50 et qui sont conçus aujourd’hui en privilégiant l’éclairage naturel et incluant le photovoltaïque et la récupération de chaleur. Cette utilisation des modules photovoltaïques comme élément d’enveloppe (sur le toit et en façades, en priorisant une intégration fonctionnelle, architecturale et esthétique) a fait diminuer leur prix de 90% au cours des 10 dernières années! 

LA MAISON ECOTERRA

L’exemple de la maison EcoTerra montre l’intégration des modules BIPV/T (photovoltaïque/ système thermique) au toit et le couplage avec les systèmes CVCA par la récupération de chaleur des panneaux photovoltaïques. Cette récupération de chaleur peut être en boucle ouverte avec l'air extérieur (peu de maintenance) ou en boucle fermée avec un liquide en circulation (pompe à chaleur).

Système BIPV/T (photovoltaïque/ système thermique) en boucle ouverte

La construction du toit BIPV/T du projet de la maison EcoTerra (assemblé en 5 heures) dans une usine de construction de maisons a représenté une innovation canadienne majeure dans le cadre du Réseau de recherche sur les bâtiments solaires (CRSNG, 2005 - 2010). Ce concept a été basé sur la recherche et les modèles de simulation développés ainsi que sur les prototypes BIPV / T testés en plein air.

Les résultats obtenus situent cette maison près d’une maison à énergie nette zéro, à default d’avoir un plus haut taux d’efficacité des systèmes PV (i.e. maison à énergie nette zéro). L’étude des facteurs d'occupation montre l’importance du contrôle dans un tel projet.

Système énergétique EcoTerra

l’École de gestion John-Molson

Un autre exemple est le pavillon de l’École de gestion John-Molson de l’Université Concordia qui a été conçu avec un système de production thermique et électrique intégré aux deux derniers étages de la façade sud-ouest.

Le système réunit pas moins de 384 panneaux photovoltaïques (PV), la plus grande installation du genre au Québec. Sa particularité réside dans l’intégration des PV à un mur solaire thermique de 288 mètres carrés (imaginez sur toute la surface de 3000 mètres carrés!), situé à l’arrière de ces derniers. Cette installation génère à la fois l’électricité solaire (jusqu'à 25 kilowatts) et la chaleur solaire (jusqu'à 75 kW de chauffage de l'air de ventilation).

L’efficacité globale de la génération combinée devrait atteindre environ 55 % (taux d’utilisation de l’énergie solaire incidente). Selon M. Athienitis, concepteur principal de ce projet de démonstration, le système PV/T du pavillon de l’École de gestion John-Molson est unique au monde. Et l’intégration d’une telle technologie combinant alimentation et chauffage solaires ouvre la voie à une nouvelle génération d’immeubles qui pourra produira sa propre énergie sous forme de chaleur, et en générera suffisamment pour alimenter l’ensemble du réseau électrique.

LA BIBLIOTHEQUE DE VARENNES

Un autre exemple qui a été donné est la bibliothèque de Varennes, le premier bâtiment public institutionnel NZEB solaire au Canada. L’equipe de M. Athienitis a fourni des conseils quant aux choix et à l’intégration de technologies et sur la forme du bâtiment construction à un stade précoce d design. Le bâtiment de 2 100 mètres carrés a donc été orienté est-ouest avec une empreinte au sol « étirée » (53 mètres x 18,3 mètres) afin de maximiser l’ensoleillement.

Même s’il dispose d’une enveloppe performante, des technologies éco énergétiques ont été installées : chauffé par géothermie (30 tonnes) et récupération de chaleur, l’édifice ne consomme que 25 % de l’énergie normalement utilisée par un bâtiment similaire.

La conception a donc nécessité plusieurs itérations pour le choix final du système BIPV, et concernant la couverture du toit. Pour atteindre l’objectif net-zéro, le bâtiment doit produire autant d’énergie qu’il en consomme. Cette production, elle est assurée par les 425 panneaux solaires hybrides de 260 watts chacun qui couvrent 710 mètres carrés du versant sud de la toiture (pente d’environ 40 degrés).

Système BIPV/T de la bibliothèque de Varennes (partie de toiture)

D’AUTRES EXEMPLES

L’exemple de la maison Athienitis, finaliste pour Domus Award en 2006, a été donné et voici ses caractéristiques :

• Fenêtres nombreuses du côté sud du bâtiment ;
• Toit avec une pente de 40 degrés et panneaux BIPV/T intégrés (1.9 kWe);
• Conception solaire passif (confort supérieur) ;
• Système géothermiques (2 tonnes) ;
• Contrôles efficaces à 2 zones.

Le développement de systèmes BIPV/T a été réalisé dans le Simulateur Solaire - Chambre Environnementale (SSEC) de l’Université Concordia ce qui a permis d’augmenter la précision des tests effectués à l’extérieur. L’utilisation d’une chambre environnementale à 2 étages avec un simulateur solaire ainsi que d’un modèle précis développé pour des systèmes innovants a permis de faire des tests des systèmes prototypes et d’avancer la recherche.

Le projet présenté au Décathlon Solaire qui a eu lieu en Chine en 2018 portait sur une maison en rangée de deux étages, préfabriquée, avec une surface totale à chauffer de 200 m². Les systèmes CVCA incluent une pompe à chaleur eau/eau, deux réservoir thermiques, un ventilateur récupérateur d'énergie (VRE) et des panneaux de type BIPV/T et BIPV. La modélisation énergétique a été réalisée en TRNSYS et comprenait 13 zones thermiques.  Les détails de cette conception ont été présentés plus tôt dans la soirée par messieurs Ben Wareing, étudiant au doctorat à l’école d’architecture de l’université McGill, et Rémi Dumoulin, étudiant à la maitrise à l’université de Concordia durant la conférence intitulée « The Deep-Performance Dwelling ».

Système énergétique pour le Decathlon solaire 2018 (TeamMTL)

CONCLUSION

Après avoir présenté les concepts fondamentaux, les stratégies de conception et les technologies nécessaires pour atteindre une énergie nette zéro dans les bâtiments, M. Athienitis fait un parallèle entre les bâtiments existants et les futurs bâtiments intelligents à énergie nette zéro. Les futurs bâtiments intelligents à énergie nette zéro sont caractérisés ainsi:

• enveloppe du bâtiment : optimisé pour la conception passive et l’intégration de systèmes solaires actifs ;
• chauffage et climatisation: petits systèmes contrôlés de manière optimale, et en intégrant l'énergie solaire; pour les communautés: stockage saisonnier et énergie de quartier; micro réseaux intelligents.
• systèmes solairesentièrement intégrés: lumière du jour, solaire thermique, photovoltaïque, solaire hybride, systèmes géothermiques, biocarburants ;
• opération du bâtiment: contrôle prédictif pour optimiser le confort et la performance énergétique / coût; la prédiction de la demande en ligne; facile à utiliser.
• conception intégrée : qui considère une opération optimisée en optimisant la forme et les caractéristiques de base dans le design préliminaire.

La tendance actuelle est d’aller vers des bâtiments et des communautés solaires intelligents net-zéro.  Les études de cas présentés sont de très haute qualité et les données mesurées nous montrent une performance réelle qui est issue des techniques et processus de conception réussis ainsi que des outils de conception et de simulation utilisés grâce aux recherches continues.

Gauche à droite : Dr. Andreas Athienitis et Etienne Séguin-Dupuis

Par Magdalena Stanescu, Comité édition
Consultez la présentation de la conférence technique.

NOUVEAUX MEMBRES D’ASHRAE

Nous souhaitons la bienvenue aux personnes suivantes qui sont de nouveaux membres :

M. Olivier Allard
M. Patrick Binette
M. Maxime Bornazai
M. Kris Chapman
M. Jean-David Duchesne
Mme Cecilia Fredich
M. Stanley Katz
M. Ramzi Mercure-El Haili
M. Hugo St-Amant, et
M. Gabriel Voicu

GAGNANT DE LA BOUTEILLE DE VIN - Sondage conférenciers

Jean-Philippe Desharnais

GAGNANT DE LA BOUTEILLE DE VIN - SONDAGE SENSIBILISATION IMPORTANCE D’ÊTRE MEMBRE D’ASHRAE

M. John Deuel a gagné une bouteille de vin parce que sa table avait le meilleur score pour le sondage sur la promotion adhésion. L'objectif du questionnaire était de sensibiliser les gens à l'importance d'être membre de l'ASHRAE.

Gauche à droite : Yves Paquette et John Deuel

VOICI UN APERÇU DES DIFFÉRENTS PRÉSENTOIRS DE NOTRE DERNIÈRE SOIRÉE