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Solutions éco-énergétiques Aérothermie et Géothermie

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Déroulement de la présentation

Introduction Définir l’aérothermie et la géothermie

Principes de bases de chacune des deux technologies Équipements disponibles reliés à ces deux technologies Caractéristiques de chaque technologie

Étude de cas Comparaisons énergétiques et économiques

Pistes de solutions Comment faire son choix

Particularités uniques de certains équipements Conclusion Période de questions

3

Introduction

La géothermie tout comme l’aérothermie sont des énergies dites renouvelables. – La géothermie utilise l’énergie « gratuite » contenue dans le sol ou

dans l’eau ou l’aquathermie (nappes phréatiques, boucles immergées)

– L’aérothermie utilise l’énergie « gratuite » contenue dans l’air

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Introduction

Le soleil est le dénominateur commun (systèmes solaires) : – Géothermie : 51% de la radiation solaire est absorbée par la croûte

terrestre

– Aérothermie : Le température ambiante (et le climat) est directement liée à l’inclinaison des rayons du soleil qui est fonction de notre course annuelle autour de lui

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Introduction

La géothermie comme on la connait au Canada est dite à très basse température. En aérothermie, l’air ambiant peut lui aussi être très froid. Ce qui introduit le concept de pompe à chaleur.

L’accumulation d’énergie de basse température vers une plus haute température est possible grâce aux thermopompes et au cycle du réfrigérant.

La deuxième loi de la thermodynamique dit : La chaleur s’écoule naturellement d’un corps chaud vers un corps froid

Il est nécessaire de faire un travail lorsqu’on doit faire passer de la matière d’un point froid à un point plus chaud.

La réversibilité est possible grâce au travail du compresseur (le cycle de Carnot)

Introduction Le mode de chauffage et COP

Chaleur pour

le bâtiment kW

Chaleur extraite ou

Chaleur absorbée

Capacité de chauffage

Énergie

électrique

3

2

1

Introduction Le mode de climatisation et COP

Charge de refroidissement

du bâtiment

kW

Capacité de climatisation

Rejet de chaleur

Énergie

électrique

4

3

1

Aérothermie

L’air contient toujours de la chaleur, y compris à des températures négatives (jusqu’au zéro absolu, soit -273,15°C). L’aérothermie consiste à exploiter cette chaleur dans l’air tout comme la géothermie consiste à exploiter la chaleur du sol.

L’énergie aérothermique est une forme d’énergie solaire et donc, à ce titre, une énergie renouvelable. Elle nécessite toutefois un apport initial d'énergie pour fonctionner.

L’énergie aérothermique

http://www.connaissancedesenergies.org/l-ebullition-de-l-eau-est-uniquement-liee-a-sa-temperature-121113














http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/geothermie



Applications résidentielles : Thermopompe divisée air-air « Split » Mini-split Thermopompe air-eau


Applications commerciales : Système à volume de réfrigérant variable (VRF) Unité en toiture air-air (thermopompe intégrée) Thermopompe air-eau



Eau chaude domestique

(désurchauffeur)

Ventilo gainable

Ventilo

Plancher radiant

Radiateur

Plusieurs possibilités pour le chauffage et la climatisation.

COMPOSANTES D’UNE THERMOPOMPE


La capacité et le coefficient de performance des thermopompe air-eau sont limités en opération par la température extérieure


LCT (F) TEMPÉRATURE EXTÉRIEURE (F)

-20 -10 5 10 20 30 40 50 60

68

70

80 2.80 2.78 2.92 3.20 4.14 5.06 5.47

90 2.35 2.36 2.49 2.73 3.48 4.27 4.64

100 2.05 2.07 2.20 2.39 3.01 3.72 4.06

105 1.95 2.07 2.25 2.81 3.49 3.82

110 1.84 1.96 2.11 2.62 3.27 3.58

115 1.84 1.98 2.44 3.06 3.36

120 1.73 1.84 2.27 2.86 3.14

125 1.71 2.10 2.65 2.92

130 1.57 1.93 2.45 2.71

135

140

COP vs. température extérieure


*Dégivrage inclut

Dégivrage Intelligent : Quand

Température extérieure sous 10° C Température de l’échangeur sous 4 ° C Diminution de la pression de succion sous 75 PSI Durée du dégivrage variable selon les lectures de pression Le dégrivrage se termine par une hausse de pression ou par un délais de temps

Comment Inversion du cycle de compresseur (volume d’eau tampon)


Dégivrage : Beaucoup d’eau générée en mode de dégivrage Panne de drainage avec élément chauffant Câble chauffant pour le condensat si drainé


21

L’énergie aérothermique Les options disponibles :

Pompes, réservoirs et accessoires de plomberie installés en usine Désurchauffeur et/ou échangeur de récupération Serpentin de refroidissement gratuit

DX seulement DX + serpentin au glycol Serpentin au glycol 30°F (dépend de la température de retour)

Refroidissement gratuit : Les thermopompes peuvent être équipées de serpentins additionnels leur

permettant l’opération en mode climatisation sans l’utilisation des compresseurs.


Température ambiante

C

OP

- [

W /

W ]

FC only Chiller only

Chiller + FC

44

,5°F

- t

em

pé

ratu

re d

e s

ort

ie

14 23 32 41 50 59 68 °F


COP

Caractéristiques des systèmes aérothermiques (avantages et inconvénients)

Avantages : Économique : COP élevé (3 et plus @ 10°C)

Réduction de la consommation énergétique annuelle en chauffage pouvant atteindre 50% vs. système 100% électrique (source NRCAN)

Moins grand investissement initial

Empreinte minimale sur le terrain et/ou le voisinage


Caractéristiques des systèmes aérothermiques (avantages et inconvénients)

Inconvénients :

Diminution de la capacité et de l’efficacité par temps froid

Pénalité de performance due au dégivrage

Chauffage d’appoint requis lorsque que la température extérieure est sous -15°C

Équipement mécanique installé à l’extérieur


Géothermie

27

La Géothermie

Trois types :

Température élevée : plus de 302°F (150°C)

Température moyenne : de 194°F à 302°F (de 90°C à 150°C )

Température basse : moins de 194°F (90°C)

Les thermopompes géothermiques sont une sous-division de cette catégorie de température.

Note : Ces systèmes puisent une chaleur du sol qui peut être directement utilisée.

28

La Géothermie

Lavoisier, au 17e siècle, a constaté que la température du sol à l’Observatoire de Paris était constante à 27 mètres sous le pavé.

Plus tard, Lord Kelvin, a établi en 1860 que la variation de la température est de 1/20 à 8.1m et 1/400 à 16.2m de profondeur comparativement à la température de la surface.

Température du sol • Profondeur < 15 m (49.21 pi):

La température du sol fluctue en fonction des conditions ambiantes.

• Profondeur ~ 15 m (49.21 pi): La température du sol se rapproche de la température annuelle moyenne de l’air.

• Profondeur > 15 m (49.21 pi): La température du sol augmente légèrement en fonction de la profondeur.

• Cette hausse appelée « gradient géothermique » est d’environ 2°C par 100 m (1°F par 100 pi).

Gehlin, S., 2002, “Thermal Response Test – Method development and

evaluation”, Doctoral thesis, Lulea University of Technology.

http://epubl.ltu.se/1402-1544/2002/39/index-en.html 29

La Géothermie

La Géothermie

Un système géothermique à basse température c’est :

Couplage entre des thermopompes à une source de chaleur ou un puits de rejet (l’énergie gratuite et renouvelable provient du sol/eau sous-terraine)

Tolèrent des températures modestes

Effectuent un travail mécanique pour l’échange de chaleur (2e loi de la thermodynamique)

L’énergie utilisée est inférieure à l’énergie fournies

COP 3 à 5+ et EER 9 à 20+

Le même appareil peut chauffer et climatiser

La Géothermie

Le mode de chauffage et COP

Beaucoup d’énergie

Basse Température (8°C)

Source Géothermique Compresseur ou

gaz naturel

45 °C

Chauffage

( 30 000 btu/h du sol)

10 000 btu/h

apport

électrique

40 000 btu/h

Chauffage

COP = 4.0

+ =

32

La Géothermie

34

Les types de boucles et de sources d’énergie

Boucle ouverte – Eau souterraine Boucle fermée – Circuit horizontal

Boucle fermée – Circuit vertical Circuit fermée – Boucle immergée

La Géothermie

La Géothermie

IMPORTANT : Analyse qualitative et quantitative de l’eau - Dureté - PH - Chlore - Ocre ferreux (bactérie)

36

La Géothermie

Les équipements reliés à la géothermie Limitations : EWT 20°F à 110°F Modèles eau-air Modèles eau-eau

Elles multiplient les possibilités d’applications : (plancher chauffant, unité de ventilation, ventilo-convecteurs, eau chaude domestique, piscine, etc.)

37

La Géothermie

Les équipements reliés à la géothermie Chauffage et climatisation simultané (thermopompe eau/air) Une thermopompe en mode climatisation fournie suffisamment d’énergie

pour alimenter deux thermopompes en mode chauffage

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La Géothermie Les équipements reliés à la géothermie

Chauffage et climatisation simultanés (thermopompe eau/eau)

45°F 120°F

Boucle de sol

39

La Géothermie

Les options disponibles : Désurchauffeur pour ECD Économiseur pour refroidissement/chauffage gratuit Hot gas reheat (on/off ou modulant) : Déshumidification (TP eau-air) Compresseur à volume de réfrigérant variable

La Géothermie Caractéristiques des systèmes géothermiques

(avantages et inconvénients) Avantages :

Économique : COP élevé et opération tout au long de l’année. Réduction de la consommation en chauffage de l’ordre de 50 @ 80%.

Tire profit de la température modérée du sol Possibilité de refroidissement gratuit Source d’énergie/rejet non apparent Aucun équipement visible à l’extérieur ou sur le toit Aucun dégivrage nécessaire Durée de vie des équipements – 50 à 75 ans pour la boucle

La Géothermie

Caractéristiques des systèmes géothermiques (avantages et inconvénients)

Inconvénients :

Complexité des calculs – méthode cylindrique La présence d’eau dans le sol n’est pas quantifiable

La boucle est directement liée au calcul de charges (heure/heure préférable pour résultats plus précis, mais fastidieux

h b y 10y m m h 6h

g p f

q R q R q R q RL

(T T ) T

La Géothermie


Inconvénients : Imprévisibilité des conditions sous-terraines

Le type de sol peut rendre cette technologie inexploitable

La Géothermie


Inconvénients :

Difficilement envisageable pour les charges constantes (projet industriel, salle de serveur, etc.)

Effet Batterie

La Géothermie


Inconvénients :

• Coût d’investissement initial élevé

• Travaux d’envergures et plus difficilement réalisable en hiver

Étude de cas

Étude de cas

46

Logiciel pour étude de faisabilité Évaluation de type « Bin data »

Comparaison en mode chauffage: Charge de 500 MBH

Boucle d’eau à 120°F

Géothermie vs. aéro + auxiliaire électrique vs. électrique vs. gaz naturel

Hypothèses 70% de la capacité installée en géothermie (COP moyen de 3)

Thermopompe aérothermique dimensionnée à 100% @ 15°F

Dégivrage tenu en compte dans le COP de l’aérothermie

0.07 $/kWh

Efficacité moyenne annuelle de la chaudière au gaz naturel : 90 %

Gaz naturel @ 0.50 $/m3

Étude de cas Charge de chauffage de 500 MBH

Étude de cas Charge de chauffage de 500 MBH

Temp Range Annual Heat Required Btu/h

Electric kWh Natural Gas (therm)

Electric Heat Cost $

Natural Gas Heat Cost $

AERO Cost $ GEO Cost $

60 to 64 734 29412 6327.5 216 442.93 299.94 98.7 103.35 55 to 59 833 58824 14361.9 490.2 1005.33 680.79 234.48 234.58 50 to 54 706 88235 18258.4 623.2 1278.09 865.49 312.68 298.22 45 to 49 480 117647 16551.5 564.9 1158.61 784.58 316.34 270.34 40 to 44 499 147059 21508.4 734.1 1505.59 1019.55 465.05 351.3 35 to 39 605 176471 31292.7 1068 2190.49 1483.35 747.29 511.11 30 to 34 806 205882 48637.4 1660 3404.62 2305.53 1297 794.41 25 to 29 493 235294 33999.6 1160.4 2379.97 1611.66 935.62 555.33 20 to 24 438 264706 33982.4 1159.8 2378.77 1610.84 966 555.05 15 to 19 461 294118 39740.9 1356.3 2781.86 1883.81 1181.46 649.1 10 to 14 401 323529 38025.4 1297.8 2661.78 1802.49 1398.23 621.08

5 to 9 306 352941 31654.8 1080.4 2215.84 1500.51 1210.3 529.95 0 to 4 331 382353 37094.4 1266 2596.61 1758.36 2077.29 759.67

-5 to -1 190 411765 22930.8 782.6 1605.15 1086.97 1284.12 543.08 -10 to -6 114 441176 14741.2 503.1 1031.88 698.77 825.51 390.05

-15 to -11 34 470588 4689.6 160.1 328.27 222.3 262.62 135.48 -20 to -16 3 500000 439.7 15 30.78 20.84 24.62 13.64 -25 to -21 0 -30 to -26 0

-35 to -31 0 Heating Hours

7434

-40 to -36 0 Aero Hours 6762 -45 to -41 0 Boiler Hours 672 -50 to -46 0

Totals 8758 28 997 19 636 13 637 7 316

Étude de cas Charge de chauffage de 500 MBH - Rentabilité

Endroit Quebec, CA

GEO coût/tonne $ 4,000.00 par tonne à 3 tonnes par forage

Coût kWh $ 0.07/ kWh

Charge du bâtiment en chauffage (MBH) 500

AÉROTHERMIE GÉOTHERMIE

Équipement Air/eau Eau/eau @ 70% de la charge Chauffage élec.

Temp. eau 120°F Temp. eau 120°F Temp. eau 120°F

Coût d'achat de(s) thermopompe(s) $68,000 $44,600 $0

Coût installation

Coût opération annuel $13,637 $7,316 $28,997

Coût de la boucle géothermique $178,947

Investissement initial $68,000 $223,547 $28,997

Période de rentabilité (vs. 100 % électrique) 4.43 10.31

Pistes de solutions

Pistes de solutions

56

Comment faire son choix de technologie : Aérothermie ou géothermie ?

Budget disponible : investissement initial

Retour sur investissement (rentabilité) : au choix du client

Économies énergétiques : type de clientèle

Type de bâtiment : commercial, institutionnel, industriel

Choix architectural et structure

Projet LEED ?

Pistes de solutions

57

Comment faire son choix de technologie : Aérothermie ou géothermie ?

Température du réseau : 120°F, 140°F, 160°F, etc. Combinaison avec une thermopompe de type surchauffeur peut être nécessaire Géo

Est-ce qu’il y a assez de terrain Aéro

Qualité du sol (Test de conductivité thermique) Géo ou Aéro

Charges au sol : distribution saisonnière Géo ou Aéro Grand débalancement entre les charges de climatisation et chauffage

Procédés : non applicable (non rentable) avec la géothermie Aéro

Bâtiment neuf : Boucle de thermopompes eau-air décentralisées Géo (2 tuyaux vs. ventilo 4 tuyaux)

Pistes de solutions

58

Optimiser les systèmes aérothermiques Installation de l’unité dans une source d’air chaud (Ex.: Évacuation

d’air, salle mécanique)

Installation intérieure ou en appentis

Unité gainable

Pistes de solutions

59

Optimiser les systèmes aérothermiques Installation d’une thermopompe eau/eau en série pour permettre

l’opération dans un réseau haute température

Pistes de solutions

60

Optimiser les systèmes aérothermiques Ajustement du point de consigne vs. la température extérieure

Conception d’un réseau à basse température

Pistes de solutions

61

Optimiser les systèmes aérothermique Installation d’une thermopompe à opération chauffage/climatisation

simultanée

Une unité capable de produire de l’eau froide et de l’eau chaude simultanément en remplacement d’une combinaison refroidisseur & chaudière.

Optimiser les systèmes géothermiques Chauffage et climatisation simultané Refroidissement passif avec les boucles géothermiques

45°F

COP système en mode

simultané : 6-10

Capacité de climatisation passive : Dépend du débit et de la température de la boucle.

Demande en électricité: Dépend de la puissance de la pompe.

COP système: 12-20++

Les valves permettent

au liquide de la boucle

de circuler directement

dans les différentes

composantes CVAC

lorsque les

températures sont

appropriées à une

climatisation directe.

120°F

Boucle de sol

Pistes de solutions

Coalition canadienne de l’énergie géothermique

63

20°F

Réservoir pour la glace

110°F

À l’aide des

thermopompes/refroidisseurs

conçues pour opération

performante à basses

températures, le système prépare

de la glace pour la climatisation du

lendemain pendant qu’il chauffe le

bâtiment durant la nuit.

Boucle de sol

Optimiser les systèmes géothermiques Utilisation des sources de chaleur alternatives

Pistes de solutions


64


Optimiser les systèmes géothermiques Maximiser le rendement en minimisant ΔT

Pistes de solutions

65

Pistes de solutions Optimiser les systèmes géothermiques

Géothermie hybride et applications en série Refroidissement : Tour d’eau, refroidisseur de fluide, ventilo-convecteur, serpentin Chauffage : Thermopompes eau-eau en série pour réseau haute température

(impact sur le forage)

𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏 = 1

1𝐶𝑂𝑃1

+ 1

𝐶𝑂𝑃2 −

1𝐶𝑂𝑃1 × 𝐶𝑂𝑃2

Ex. : COP1= 4, COP2= 5 COPcomb = 2.5

Plusieurs logiciels permettent de calculer la longueur des boucles

GS2000, GLHEPRO, GCHPCALC, GLD…

La plupart des logiciels arrivent à des résultats qui se rapprochent du « banc d’essai » TRNSYS.

On peut donc y recourir en toute confiance.

Optimiser les systèmes géothermiques - Les Logiciels

66

Source: Shonder, J.A. et al., A comparison of Vertical Ground Heat

Exchanger Design Software for Commercial Applications, ASHRAE

Transactions, vol. 106, pt. 1, 2000.

Pistes de solutions

Le futur de l’aérothermie

Comparaison COP

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P

Potenza termica [kW]

NRK NRL-HA

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P


NRK NRL-HA

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P


NRK NRL-HA

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P


NRK NRL-HA

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

C

O

P


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

E

u

r

o

/

k

W


NRK NRL-HA

T amb 7°C; Tw 40°C- 45°C T amb 7°C; Tw 50°C -55°C

T amb -10°C; Tw 40C°-45°C


Limites d’opération

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Tem

per

atu

ra a

cqu

a p

rod

ott

a [°

C]

Temperatura aria [°C]

Aermec - NRL HA

Aermec - NRK

Tem

pé

ratu

re d

’alim

en

tati

on

[°C

]

Température ambiante [ °C ]

149°F

131°F

5°F -4°F


73

Conclusion

Deux solutions écoénergétiques

Le choix de la solution est directement liée à:

La période de rentabilité

Le type de bâtiment

Choix architectural

Le type de client

Le terrain disponible ou la source

Période de questions ?

74

solutions éco-énergétiques aérothermie et géothermie · 2 déroulement de la présentation...

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