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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL CONCEPTION ET OPTIMISATION DE SYSTÈMES ÉNERGÉTIQUES HYBR

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL CONCEPTION ET OPTIMISATION DE SYSTÈMES ÉNERGÉTIQUES HYBRIDES POUR COMMUNAUTÉS DURABLES ANTOINE COURCHESNE TARDIF DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE MÉCANIQUE) DÉCEMBRE 2011 © Antoine Courchesne Tardif, 2011. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: CONCEPTION ET OPTIMISATION DE SYSTÈMES ÉNERGÉTIQUES HYBRIDES POUR COMMUNAUTÉS DURABLES Présenté par : COURCHESNE TARDIF Antoine en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. TRÉPANIER Martin, Ph. D., président M. KUMMERT Michaël, Ph. D., membre et directeur de recherche M. PASQUIER Philippe, Ph. D., membre iii REMERCIEMENTS J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de recherche, le professeur Michaël Kummert, pour sa disponibilité et ses précieux commentaires tout au long de la réalisation de ce travail. Je remercie également le professeur Michel Bernier pour ses conseils. Je remercie également toute l’équipe du projet Petite Rivière pour m’avoir permis de participer à un projet aussi ambitieux et innovateur. Mes remerciements vont tout particulièrement à M. Scott Demark et à l’entreprise Buildgreen Solutions pour leur soutien technique et financier. Je remercie également MM. Daniel Pearl et Simon Jones de la firme L’ŒUF - Olivier, Pearl, Poddubiuk et associés architectes pour leur leadership dans ce projet, de même que MM. Trevor Butler, Roland Charneux et Frédéric Genest pour leur implication. Je tiens finalement à remercier tous ceux que j’ai côtoyés lors de la réalisation de ce travail, notamment Aurélie Verstraete, Katherine D’Avignon, Marilyne Rancourt-Ouimet, Mathieu Lévesque, Romain Jost ainsi que Yannick Allard. iv RÉSUMÉ Les systèmes énergétiques hybrides combinent plusieurs sources d’énergie afin de répondre aux besoins de chauffage et de climatisation des bâtiments. Appliqués à l’échelle des communautés, ils permettent des améliorations en termes d’efficacité énergétique ainsi qu’une intégration croissante des énergies renouvelables. Le processus de design associé à ces systèmes est toutefois un problème relativement complexe, puisqu’il implique la nécessité de considérer à la fois les stratégies d’opération et le dimensionnement des composantes pour différentes configurations de systèmes. De plus, les contraintes et les possibilités propres à chaque projet doivent être prises en compte. Dans ce mémoire, une méthodologie relative à la conception de systèmes énergétiques hybrides à l’échelle de communautés a été développée. Cette méthodologie consiste en quatre étapes principales, soit l’évaluation de la demande énergétique de la communauté, l’évaluation préliminaire des options énergétiques et le choix d’un système, l’optimisation du système proposé et enfin l’analyse économique et environnementale du système. Cette méthodologie se base notamment sur l’utilisation de l’outil de simulation énergétique TRNSYS. L’application de la méthodologie à une étude de cas, soit le projet Petite Rivière, a permis d’évaluer cinq scénarios énergétiques et de guider le choix de l’équipe de conception vers un système géothermique hybride. Un modèle énergétique détaillé a ensuite été développé pour permettre l’optimisation du système géothermique hybride en tenant compte de l’augmentation de la demande énergétique dans le temps. L’évaluation de la performance énergétique du système énergétique hybride a permis de constater une diminution d’environ 30% de la consommation énergétique totale comparativement à un système conventionnel. Combinée à des mesures de performance au niveau des bâtiments, l’utilisation d’un système géothermique hybride pourrait engendrer des économies d’énergie totales de l’ordre de 64%. Le bilan environnemental du système proposé, évalué par rapport aux émissions de GES, est hautement dépendant du type de combustible utilisé dans les chaudières et de la référence utilisée pour calculer les émissions de CO2 associées à la consommation d’électricité. v L’analyse économique a permis de statuer que, dans le contexte énergétique actuel, l’implantation d’un système géothermique hybride centralisé pour la communauté de Petite Rivière n’était pas réalisable sans subventions. vi ABSTRACT Small-scale district heating and cooling systems represent an interesting way to build energy- efficient systems and to increase the use of renewable energy for building heating and cooling purposes. However, the many available energy sources and the different ways of using them result in numerous design options. Optimizing these hybrid systems requires considering operating strategies concurrently to system configuration and component sizing, and this process must take into account the constraints and opportunities of each individual project. A four-step methodology for designing hybrid energy systems at the community scale has been developped in this study. First, a method is proposed to evaluate the community energy demand. Then, a TRNSYS model was developed to assess multiple energy supply scenarios. This model was then refined in order to optimize operating strategy and component sizing for a chosen scenario. Finally, an economic and environmental analysis was conducted. The above methodology was applied for a community-scale district heating scheme in a real-life development project called Petite Rivière. Five energy supply scenarios were assessed, leading to the choice of a hybrid ground source heat pump system. A detailed TRNSYS model taking into account the evolution of the community’s energy demand was then used to optimize the chosen system. The results show that a 30% reduction in energy consumption can be achieved with the hybrid ground source heat pump system compared to a conventional heating system. When combined to energy-efficiency improvements at the building scale, the total energy consumption for the community can be reduced by as much as 64%. The study of the environmental impact of the proposed system, measured in terms of CO2 emissions, shows variable results according to the type of fuel used in boilers (natural gas or biogas) and to the reference used for calculating CO2 emissions for electricity. The economic analysis showed that implementing a hybrid ground source heat pump system for the Petite Rivière community was not feasible without significant subsidies. vii TABLE DES MATIÈRES REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... III RÉSUMÉ ....................................................................................................................................... IV ABSTRACT .................................................................................................................................. VI TABLE DES MATIÈRES ...........................................................................................................VII LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................. XI LISTE DES FIGURES ............................................................................................................... XIII LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS ............................................................................. XVI LISTE DES ANNEXES .......................................................................................................... XVIII INTRODUCTION ........................................................................................................................... 1 CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE ....................................................................... 3 1.1 Réseaux thermiques urbains ............................................................................................. 3 1.1.1 Production de chaleur et de froid ................................................................................. 4 1.1.2 Distribution de la chaleur ............................................................................................. 6 1.1.3 Utilisation de la chaleur ................................................................................................ 8 1.1.4 Aspects économiques du chauffage urbain .................................................................. 9 1.1.5 Historique et état actuel du chauffage urbain dans le monde ..................................... 10 1.1.6 Les réseaux thermiques au Canada et au Québec ...................................................... 12 1.2 Systèmes géothermiques à basse température ................................................................ 14 1.2.1 Échangeur géothermique vertical en boucle fermée .................................................. 14 1.2.2 Pompes à chaleur ........................................................................................................ 16 1.3 Systèmes énergétiques hybrides ..................................................................................... 18 1.4 Charge thermique des bâtiments .................................................................................... 20 viii CHAPITRE 2 ÉVALUATION DE LA DEMANDE ÉNERGÉTIQUE D’UNE COMMUNAUTÉ ....................................................................................................................... 22 2.1 Méthodologie de modélisation des bâtiments ................................................................ 22 2.1.1 Définition des archétypes ........................................................................................... 23 2.1.2 Logiciel utilisé ............................................................................................................ 26 2.1.3 Zones thermiques ....................................................................................................... 26 2.1.4 Paramètres et hypothèses de modélisation ................................................................. 27 2.2 Résultats de la modélisation par archétypes ................................................................... 29 2.3 Plan de développement du site ....................................................................................... 33 CHAPITRE 3 ÉVALUATION PRÉLIMINAIRE DES OPTIONS ÉNERGÉTIQUES .......... 39 3.1 Sources d’énergie disponibles ........................................................................................ 39 3.2 Présentation des scénarios énergétiques et hypothèses de modélisation ........................ 39 3.2.1 Cas de référence ......................................................................................................... 40 3.2.2 Scénario A .................................................................................................................. 40 3.2.3 Scénario B .................................................................................................................. 41 3.2.4 Scénario C .................................................................................................................. 43 3.2.5 Scénario D .................................................................................................................. 44 3.2.6 Scénario E .................................................................................................................. 45 3.3 Résultats ......................................................................................................................... 46 CHAPITRE 4 DÉVELOPPEMENT D’UN MODÈLE D’OPTIMISATION POUR UN SYSTÈME GÉOTHERMIQUE HYBRIDE ................................................................................. 49 4.1 Développement du modèle TRNSYS ............................................................................ 49 4.1.1 Configuration générale du système ............................................................................ 50 4.1.2 Modèle d’échangeur géothermique ............................................................................ 51 4.1.3 Modèle de pompe à chaleur ....................................................................................... 52 ix 4.1.4 Modèle de chaudière .................................................................................................. 56 4.1.5 Pompe et circuit hydronique ...................................................................................... 56 4.1.6 Stratégie de contrôle du système hybride ................................................................... 57 4.1.7 Augmentation de la demande énergétique ................................................................. 57 4.2 Implémentation de l’algorithme d’optimisation ............................................................. 58 4.2.1 Fonction à minimiser .................................................................................................. 58 4.2.2 Paramètres à optimiser ............................................................................................... 58 4.2.3 Algorithme d’optimisation ......................................................................................... 59 CHAPITRE 5 APPLICATION DU MODÈLE ........................................................................ 60 5.1 Paramètres d’entrée du modèle ...................................................................................... 60 5.1.1 Propriétés du sol et de l’échangeur géothermique ..................................................... 60 5.1.2 Paramètres économiques ............................................................................................ 61 5.2 Systèmes géothermiques non-hybrides .......................................................................... 62 5.2.1 Réponse thermique du sol .......................................................................................... 62 5.2.2 Résultats ..................................................................................................................... 65 5.3 Systèmes géothermiques hybrides ................................................................................. 66 5.3.1 Résultats ..................................................................................................................... 66 CHAPITRE 6 ANALYSE ÉCONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE ........................... 70 6.1 Description des systèmes analysés ................................................................................. 70 6.1.1 Système conventionnel ............................................................................................... 70 6.1.2 Système géothermique hybride centralisé .................................................................. 71 6.2 Performance énergétique ................................................................................................ 71 6.3 Analyse environnementale ............................................................................................. 73 6.4 Analyse économique ...................................................................................................... 76 x 6.4.1 Dépenses et revenus ................................................................................................... 77 6.4.2 Résultats ..................................................................................................................... 78 6.5 Conclusions .................................................................................................................... 79 CONCLUSION ............................................................................................................................. 81 BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................................ 84 ANNEXES .................................................................................................................................... 90 xi LISTE DES TABLEAUX Tableau 1.1: Seuils d'applicabilité du chauffage urbain. Tiré de Yildirim, Toksoy & Gokcen (2006). ...................................................................................................................................... 9 Tableau 1.2: Utilisation des réseaux thermiques dans différents pays d'Europe de l'Est et du Nord. Tiré de Energy Charter Secretariat (2006), sauf mention contraire. ...................................... 12 Tableau 1.3: Les réseaux thermiques au Canada. Données tirées de CDEA (2009). .................... 13 Tableau 1.4: Catégories de systèmes géothermiques. .................................................................... 14 Tableau 2.1: Description des uploads/Geographie/ 2011-antoinecourchesnetardif.pdf