Soirée mensuelle du 21 septembre 2021

CE QUE VOUS AVEZ PEUT-ÊTRE MANQUÉ...SOIRÉE MENSUELLE DU 21 SEPTEMBRE 2021

Le 21 septembre dernier, à l’occasion de la Soirée de recrutement des membres, de nombreux participants se sont rassemblés en personne au Club Saint-James et sur Internet pour la diffusion en direct de la première soirée conférence de la saison 2021-2022. L’ambiance au Club Saint-James était une de retrouvailles pour les participants qui ont pu échanger de manière conviviale lors de la soirée.

Première conférence

INTRODUCTION

Pour la première partie de la soirée, le Chapitre de Montréal a eu le plaisir d’accueillir M. Michael Colicchio qui est venu démystifier les bases du protocole BACNet, un protocole de communication développé au sein d’ASHRAE et destiné aux contrôleurs de bâtiments.

BACNET EN BREF

Pour débuter, M. Colicchio explique que BACNet signifie « Building Automation and Control Network » et que le protocole BACNet est issu du Standard ASHRAE 135. Un protocole est un ensemble de règles que les appareils suivent lorsqu'ils communiquent entre eux. Il doit définir des identifiants (IDs), des types de messages (Read, Write, etc.) et assurer le transport de ses messages. Le protocole définit donc comment les « paquets » sont acheminés sur les couches physiques.

Ainsi, le protocole BACNet définit un ensemble d’objets standards que les contrôleurs ou équipements utilisent pour interagir ensemble même s’ils sont issus de manufacturiers différents. Lors de sa création en 1995, BACNet définissait 23 types d’objets tels que des entrées, des sorties, des boucles, des valeurs multiétats, des horaires, etc. Aujourd’hui, le protocole compte plus de 60 objets BACNet.

Le protocole est basé sur un modèle client-serveur. À tour de rôle, n’importe quel appareil peut être client ou serveur. M. Colicchio donne des exemples de services comme « Qui est? / Je suis. » (Who is / I am.), « Qui a? / J’ai » (Who has? / I have.), « Lecture ou écriture de la propriété » (Read Property / Write Property) et les notifications COV (Change of Value). Deux des services clé de BACNet sont « Discovery » qui permet d’identifier tous les appareils connectés sur le réseau et les notifications COV qui permettent à un appareil d’être avisé lorsque la valeur d’un objet change. Ceci est beaucoup plus efficace que le service « polling », car il réduit le trafic sur le réseau. Par ailleurs, M. Colicchio précise que les notifications COV ne sont pas supportées par tous les appareils BACNet.

M. Colicchio enchaine en expliquant les différents modes de transports du BACNet, soient le BACnet MSTP (Master/Slave Token Passing) qui se fait sur une paire de fils de cuivre blindés et le BACnet IP qui communique sur les réseaux IP standards sur un câble Ethernet. M. Colicchio mentionne qu’il existe d’autres modes de communication, mais ils sont moins répandus.

PROFILS D’APPAREIL ET CERTIFICATION BTL

Puis, M. Colicchio poursuit avec les profils d’appareil BACnet (voir figure 1) et souligne l’importance de définir ces exigences dans le cahier des charges d’un projet. Les profils définissent un ensemble d'objets et les services de base qui doivent être pris en charge. Le choix d’un profil selon l’application est important, car il énonce les fonctionnalités qui seront disponibles. Par exemple, les contrôleurs et appareils de niveau B-ASC ne supportent pas les notifications COV, les tendances ou les alarmes. Ces fonctionnalités ne sont garanties que pour les appareils de niveaux supérieurs.

Figure 1 : Profils d’appareils BACnet

Ensuite, M. Colicchio nous présente la certification BTL (figure 2). Les lettres BTL signifient BACnet International Testing Laboratorories, un laboratoire de tests mis sur place par une association de fabricants de produits BACnet. Ce laboratoire certifie la conformité d’un appareil à un profil donné et à la déclaration de conformité de mise en œuvre du protocole (ou en anglais PICs : Protocol Implementation Conformance Statement). Ceci permet de mieux évaluer si un appareil pourra s’intégrer à un réseau existant, qui serait par exemple, d’un autre manufacturier. De nos jours, la plupart des manufacturiers de contrôleurs ou d’appareils BACnet font certifier leurs produits. Tous les produits approuvés BTL sont répertoriés sur le site Web de BTL (incluant les PICs). La consultation de ce site est une bonne pratique dans le design des réseaux BACnet, surtout s’ils comportent des appareils de différents manufacturiers.

Figure 2 : Logo de certification BACnet BTL

UN PEU D’HISTOIRE

Par la suite, M. Colicchio fait un survol de l’évolution du protocole BACnet. Comme mentionné précédemment le protocole a été élaboré par le comité ASHRAE 135 formé en 1987. Il a fallu attendre 1995 pour voir la première version du standard BACnet. À cette époque peu de manufacturiers l’adoptent et l’interopérabilité des composants est limitée. En 2000, les manufacturiers de contrôleurs forment une association le « BACnet Manufacturers Association » qui deviendra plus tard « BACnet International » et qui chapeaute aujourd’hui le BACnet International Testing Laboratorories. Puis, au milieu des années 2000, plusieurs améliorations sont apportées au protocole, les manufacturiers qui ont délaissé les protocoles propriétaires, y adhèrent et l’interopérabilité s’améliore. Tout récemment, en 2018, la norme BACnet SC (Secure Connect) est publiée pour examen par l’industrie. Cette nouvelle norme vient pallier à l’absence de cryptage du protocole afin de répondre aux normes de sécurité des réseaux IP. Car, comme le mentionne M. Colicchio, les contrôleurs de bâtiments sont maintenant intégrés aux réseaux IP qui sont gérés par les services de T.I. et ne doivent pas causer de brèche de sécurité dans le réseau.

INTEROPÉRABILITÉ

M. Colicchio enchaine avec l’interopérabilité des réseaux BACnet. Pour certaines applications, BACnet peut ne pas être la meilleure option. On pense, par exemple au contrôle d’accès ou au contrôle des ascenseurs. Ainsi si d’autres protocoles sont nécessaires, il suffit d’employer une passerelle de communication pour échanger des données vers le réseau BACnet.

M. Colicchio enchaîne en expliquant les limitations du protocole BACnet. Notamment, le protocole ne définit pas les outils de programmation qui sont propres à chaque manufacturier. Ceci signifie qu’un usager doit connaître ces outils en détenir les droits pour être en mesure de modifier les séquences programmées. Si un réseau comporte des appareils des différents manufacturiers et que de la programmation y réside, il faudra autant d’outils que de manufacturiers. Un autre exemple est la création des pages d’interface graphique. Même si des graphiques sont déjà créés dans un premier logiciel, il faudra refaire ces graphiques si on veut les afficher dans un logiciel tiers. Ici encore, les outils de création sont propres à chaque manufacturier et des droits doivent être consentis.

ÉLÉMENTS CLÉS À DÉFINIR AU CAHIER DES CHARGES

Pour conclure son exposé, M. Colicchio énumère les éléments les plus importants qui doivent être décrits au cahier des charges d’un projet de contrôle. Ces éléments sont listés sur la figure 3 ci-dessous.

Figure 3: Éléments importants devant être spécifiés

L’approbation BACnet BTL garantit l’interopérabilité des contrôleurs et des équipements qui seront en réseau et devront interagir. Le concepteur de réseau devra consulter si les objets qu’il compte utiliser sont disponibles. Le choix du profil pour chaque appareil est également important pour définir les standards de qualité d’un projet et obtenir des soumissions comparables. Le choix du mode de transport va influencer la vitesse de communication entre les appareils, le mode BACnet IP étant beaucoup plus rapide que le BACnet MSTP. On choisira donc ce premier mode si une quantité importante d’information doit être collectée et stockée vers un serveur. Ce mode facilite également le diagnostic lorsqu’il y a des problèmes de communication.

Plusieurs références sont disponibles aux concepteurs, soit le « ASHRAE Guideline 13 - Specifying Building Automation Systems » qui définit les systèmes de gestion du bâtiment, le « ASHRAE Guideline 36 - High-Performance Sequences of Operation for HVAC Systems » qui traite des séquences d’opération, le « ASHRAE Standard 135.1 - Method of Test for Conformance to BACnet » qui définit les méthodes de test de conformité, et finalement, le standard BACNET « ASHRAE Standard 135 - BACnet® - A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks ».

CONCLUSION

Finalement, M. Colicchio nuance son exposé et rappelle que BACnet n’est pas le seul protocole qui peut répondre adéquatement à toutes les applications. Dans certains cas, il peut être bénéfique d’intégrer des protocoles tiers ou de passer par un API.

Par Mariline Fréchette, Comité édition

Consultez la présentation de la conférence technique en format PDF. 

Deuxième conférence

Pour la deuxième conférence de la soirée, le Chapitre ASHRAE de Montréal a eu le plaisir d’accueillir M. Philippe Pasquier, professeur titulaire aux départements des génies civil, géologique et des mines - Polytechnique Montréal. Il est le titulaire de la Chaire de recherche en géothermie sur l'intégration des puits à colonnes permanente (PCP) dans les bâtiments institutionnels dont l'objectif est d'accélérer le déploiement de ces échangeurs souterrains au Québec.

POTENTIEL DES PCP ET FONCTIONNEMENT

M. Pasquier a débuté sa présentation en faisant un bref survol des trois principaux types d’échangeurs de chaleur géothermiques et de leur fonctionnement : le système à boucle fermée verticale, les puits à colonnes permanentes et le système à boucle ouverte (voir image ci-dessous).

Figure 4 :Types d’échangeurs géothermiques

Le système à boucle fermée verticale est le plus courant au Québec, mais il a des performances limitées. Le système à boucle ouverte est celui ayant le meilleur rendement, mais la nécessité d’avoir un réservoir d’eau souterraine avec des spécificités bien précises fait qu’il est bien plus difficile à implanter. Le système à puits à colonnes permanentes se trouve à être en bon compromis entre les deux technologies. Son efficacité thermique est environ trois fois plus performante que le système à boucle fermée conventionnel et s’implante bien en milieu urbain. C’est une technologie qui existe depuis plus de 30 ans et est bien implantée aux États-Unis, entre autres dans la région de New York. Cependant, les cas manquent au Québec pour rassurer le marché sur son potentiel pour notre climat et nos conditions géologiques, d’où les activités de la Chaire de recherche qui permettra de démontrer sa performance chez nous. Pour l’instant, environ 6 systèmes de ce type seraient en opération au Québec.

Le PCP est un puits allant de 75 à 500 m de profondeur. L’eau est pompée à la base du puits et est réinjectée à son sommet (ou vice versa). Le temps de résidence est long (30-45 minutes) et la capacité thermique du puits est élevée. En période de pointe thermique, le puits est saigné, ce qui favoriser un apport d’eau souterraine dans le PCP. Ceci permet de ‘doper’ les performances du système en pointe. L’eau pompée doit être retournée à l’aquifère d’origine ce qui est une exigence réglementaire. Étant donné sa configuration et sa capacité thermique nécessitant moins de puits, les coûts de construction sont de deux à cinq fois moindres que ceux d’un système en boucle fermée de capacité équivalente.

M. Pasquier nous a parlé du fait que le réel potentiel des PCP réside dans leur capacité à être intégrés aux bâtiments déjà construits dans les zones urbaines denses où l’installation de plusieurs puits en boucle fermée est impossible. Un système bien conçu ne laisse apparaître qu’une boîte de service sur les lieux publics, ce qui rend son intégration harmonieuse.

Figure 5: Trappe d’accès à un PCP 

À titre d’exemple sur des données réelles, environ 30 000 PCP seraient en opération aux États-Unis et ils représentent 29% des installations géothermiques en Corée du Sud. Des mesures effectuées sur des systèmes aux États-Unis (Vermont, New Jersey) et publiées récemment ont montré des données très intéressantes : six PCP de 455m avaient généré des économies d’énergie de 686 820.kWh/an pendant neuf ans (système de 200 tonnes représentant 115 kW/puits).

CHAIRE DE RECHERCHE SUR LES PCP

M. Pasquier nous a expliqué que si aussi peu de projets sont en opération au Québec, c’est bien souvent en raison de freins humains et organisationnels. Par exemple, l’absence de personnel qualifié, du fait du faible nombre de projets en service ici et le questionnement des concepteurs au niveau des risques environnementaux et de poursuites judiciaires (risque de contamination de l’eau). Certains ont des doutes sur la capacité d’absorption et les coûts des puits d’injection. Un manque de logiciel de conception utilisé dans d’autres projets semblables et le risque de colmatage des puits et échangeurs sont d’autres barrières au déploiement.

La Chaire de recherche en géothermie sur l'intégration des PCP dans les bâtiments institutionnels vise donc à faire tomber rapidement ces barrières grâce à des exemples concrets sur le territoire québécois, à la formation de personnel qualifié et au déploiement d’outils de conception reconnus du marché.

Les objectifs principaux de la chaire sont :

1. Réduire l’appel de puissance en pointe et opérer efficacement des PCP;
2. Acquérir, concevoir, valider et démontrer le potentiel des PCP;
3. Suivre la qualité des eaux souterraines et illustrer l’innocuité des PCP;
4. Former, charger les perceptions, diffuser et transférer des connaissances.

Les partenaires principaux sont Polytechnique Montréal, CanmetÉnergie, Université de Montréal, le Ministère de l’Éducation et Enseignement supérieur du gouvernement du Québec et Hydro-Québec en plus d’autres partenaires externes.

Le budget de la Chaire est de 2,6 M$, plus les coûts de construction. Le but est de construire et opérer trois projets de démonstration à l’aide huit partenaires externes, dix chercheurs, 24 projets de recherches et l’implication de 34 étudiants. Plusieurs activités de formation sont prévues : deux séminaires, un colloque scientifique, deux à quatre capsules vidéo, du matériel enregistré ainsi que des ateliers de conception.

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Figure 6 : Partenaires de la Chaire de recherche

Les trois projets de démonstration sont effectués dans des centres de service scolaire se trouvant dans des régions géographiques différentes afin de couvrir les enjeux variables du territoire québécois. Le travail tout au long des projets se fait en étroite collaboration avec les équipes de consultants des centres de service scolaire, avec les équipes techniques de ces derniers et également en aval avec les entrepreneurs sélectionnés par les centres de services scolaires des sites retenus.

DÉMONSTRATION – PROJET EN COURS

M. Pasquier nous a par la suite présenté l’état d’avancement du premier projet de démonstration et des résultats préliminaires observés. On parle de l’École de la Clé-des-Champs se trouvant dans la région de Mirabel.

Le projet a débuté par des forages exploratoires réalisés en août 2020. Ces forages ont permis de détecter des paramètres favorables aux PCP pour le site : socle rocheux peu profond, nappe phréatique peu profonde, eau souterraine peu réactive, conductivité thermique élevée, perméabilité moyenne à élevée, fractures à la base du PCP et risque de biocolmatage faible.

En octobre 2021, des essais de réponse thermique du PCP sur une durée de six jours ont été réalisés. Ils ont démontré une performance thermique exceptionnelle (165W/m) qui ne peut s’expliquer par les propriétés thermiques des matériaux. La température s’est stabilité après 24 h avec une perturbation de ~ 3°C. Ces travaux montrent l’importance des propriétés hydrogéologiques pour expliquer la réponse thermique d’un PCP, même en l’absence de saignée, tel que réalisé lors de ces essais, mais avec pompage en haut et réinjection en bas. Ainsi, en présence d’une forte fracturation à la base d’un PCP, il peut être avantageux de prélever l’eau au sommet du PCP et de la réinjecter à sa base.

À la lumière des résultats obtenus dans les premières phases, la chaire a été en mesure de simuler le comportement couplé (thermique et hydraulique) d’un champ de plusieurs PCP. Le champ finalement retenu pour le projet utilise cinq PCP et un PI (puits d’injection) de 135m de profondeur. Pour assurer une construction adéquate, des plans et devis détaillés ont été préparés. Sept puits d’observation sont également aménagés afin de suivre la qualité de l’eau souterraine. La demande de certificat d’autorisation environnementale (exigence réglementaire pour l’opération du système puisqu’il s’agit d’un système en boucle ouverte) a été déposée une fois les plans complétés en décembre 2020 et a été obtenue en juin 2021.

Les travaux ont débuté début juin 2021. Le forage s’est effectué en deux semaines plutôt que les cinq semaines qui auraient été nécessaires pour un système en boucle fermé. Cette économie de temps est précieuse dans le contexte scolaire où la période pour effectuer les travaux est très courte.

Figure 7 : Photographies du projet pilote à l’école La Clé-des-champs

DÉMONSTRATION À L’URG

Bien que le projet à l’École de la Clé-des-Champs ait été mis en service très récemment, les responsables de la Chaire sont confiants de bien des paramètres. Cette confiance vient entre autres d’un projet de recherche. En effet, afin d’étudier les PCP en conditions réelles d’opération avant le lancement des projets de démonstration, une unité de recherche est entrée en service à Varennes en 2016. Les principaux champs de recherche de cette unité touchent à la simulation des PCP, à l’évolution de la qualité de l’eau, à l’opération et au contrôle des PCP en conditions hivernales.

Malgré des conditions de site particulièrement défavorable, les shales présents sur le site de Varennes sont très peu perméables et ne permettent pas d’injecter une grande quantité d’eau dans le puits d’injection, les travaux ont confirmé l’efficacité de la saignée et la stabilisation rapide de la température de l’eau.

L’échangeur de chaleur de l’unité a été opéré pendant deux hivers à des températures inférieures à 0°C afin d’augmenter la puissance de chauffage fournie par le PCP. Aucun problème associé au gel ou au colmatage de l’échangeur n’a été observé. Les travaux ont démontré qu’en chauffage, la puissance en pointe d’un PCP peut atteindre 160W/m (comparativement à environ 50W/m pour un puits en boucle fermée).

L’eau souterraine a été échantillonnée sous diverses conditions d’opération. Aucun problème majeur de colmatage n’a été observé après deux ans d’opération. M. Pasquier a cependant rappelé que la maintenance du système au niveau du traitement de l’eau est importante afin d’éviter un mauvais fonctionnement des équipements.

Conclusion

En résumé, grâce aux travaux de la Chaire de recherche en géothermie sur l'intégration des PCP dans les bâtiments institutionnels, des cas d’implantation concrets sur le territoire québécois permettront assurément de démocratiser l’utilisation des PCP dans les prochaines années. Ils ont déjà su démontrer que dans un contexte géologique et climatique québécois, la puissance en pointe d’un PCP peut atteindre 160W/m en chauffage. Des ressources sur les PCP sont disponibles sur le site de la Chaire de géothermie : https://www.polymtl.ca/geothermie/

Assurément le suivi de ces projets saura susciter l’intérêt du marché dans les prochaines années!

Le Chapitre de Montréal vous donne rendez-vous pour votre prochaine soirée mensuelle le 18 octobre prochain alors que M. Eric Davies vous présentera une conférence sur la gestion de réclamations lors de projets de construction tandis que M. Olivier Brodeur vous parlera de la norme qui encadre la qualité d’air (Indoor Air Quality Procedure).

Par Samira-Hélène Sammoun, Comité édition, 

Consultez la présentation de la conférence technique en format PDF. 

COUREZ LA CHANCE DE GAGNER UNE CARTE-CADEAU

Après chaque Soirée mensuelle, nous offrons aux participants la possibilité d'évaluer les conférenciers en remplissant un formulaire en ligne qui est disponible dès la fin de votre connexion en format virtuel ou par réception d'un lien par courriel de la soirée si vous partcipez en présentiel. Une carte-cadeau sera tirée en direct lors de notre prochaine soirée mensuelle de la saison 2021-2022. Plus vous participerez plus vous aurez de chances de gagner. Bonne chance à tous!  

VOICI UN APERÇU DE NOTRE DERNIÈRE SOIRÉE