Équipement de chauffage ultra écoénergétique

Description du projet

Notre équipe se consacre à des activités de recherche et développement (R-D) concernant des technologies de chauffage ultra écoénergétique, dans le but de réaliser des économies d’énergie et de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES).

Contexte

Le chauffage des locaux et de l’eau représente 85 % de la consommation d’énergie et 77 % du total des émissions de GES du secteur de l’environnement bâti, au Canada.

Figure 1 : Le chauffage des locaux et de l’eau représente la majorité des émissions de GES produites par les habitations et les bâtiments (l’environnement bâti).

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La répartition des émissions de GES (en mégatonnes [Mt] d’équivalent de CO₂) par source révèle que le chauffage des locaux, au Canada, produit près de 70 Mt d’émissions de CO₂ par année. De ces 70 Mt de CO₂, environ 62 % proviennent du gaz naturel, suivi de l’électricité (18 %), du bois (11 %), du mazout (6 %) et d’autres combustibles (3 %).

Pour sa part, le chauffage de l’eau est produit près de 20 Mt d’émissions de CO₂ par année, suivi des appareils ménagers (moins de 10 Mt de CO₂/an), de l’éclairage (moins de 10 Mt de CO₂/an), de l’équipement auxiliaire (environ 5 Mt de CO₂/an), et des moteurs auxiliaires et de la climatisation (moins de 5 Mt de CO₂/an).

De plus, l’environnement bâti représente environ 23 % des émissions de GES du Canada lorsque le total est réparti par secteur. L’atteinte des cibles énoncées dans le Cadre pancanadien sur la croissance propre et les changements climatiques n’est possible que si le Canada réduit considérablement les émissions associées au chauffage des locaux et de l’eau, pour les bâtiments résidentiels et commerciaux.

Figure 2 : Répartition des émissions de GES du Canada par secteur d’utilisation finale, en 2015. Source : https://oee.nrcan.gc.ca/organisme/statistiques/bnce/apd/showTable.cfm?type=HB&sector=aaa&juris=ca&rn=3&page=3

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En 2015, 23 % des émissions de GES du Canada provenait de la combinaison des secteurs résidentiel (14 %) et commercial et institutionnel (9 %). Ces deux secteurs forment ce que l’on appelle « l’environnement bâti ».

Le rendement actuel de l’équipement de chauffage des locaux et de l’eau ne permettra pas au Canada de réaliser ces objectifs, et les fabricants et les intervenants de l’industrie ont des capacités limitées qui les empêchent d’entreprendre des travaux de recherche et d’assumer le risque financier lié au déploiement de solutions ultra écoénergétiques.

CanmetÉNERGIE Ottawa s’attaque à ces problèmes, et tente d’augmenter la confiance de l’industrie à l’égard des solutions ultra efficaces, grâce à notre programme coordonné de sciences et technologies (S-T), qui inclut le développement de prototypes, la mise à l’essai en laboratoire, les essais sur le terrain, la modélisation du rendement énergétique et la mobilisation des intervenants. Notre équipe travaille de concert avec l’industrie afin d’accélérer la commercialisation des technologies ultra écoénergétiques et de soutenir la transition du Canada vers des bâtiments à consommation énergétique nette zéro et carboneutres.

Figure 3: Évolution des systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air (CVCA) résidentiels

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L’évolution historique des systèmes de CVCA résidentiels remonte aussi loin qu’à l’époque des Romains, avec l’hypocauste servant à distribuer la chaleur. Avant 1930, la combustion du charbon constituait la principale source de chauffage, atteignant un taux d’efficacité de 40 à 50 %. Dans les années 1980 et 1990, le chauffage au mazout était très répandu, atteignant un taux d’efficacité de 60 à 70 %. Le nouveau millénaire est arrivé avec des appareils de chauffage alimentés au gaz naturel qui atteignaient un taux d’efficacité supérieur à 90 % et des chauffe-eau dont l’efficacité était d’environ 55 %. De 2010 à 2018 sont arrivés sur le marché des systèmes combinés avec le gaz naturel qui pouvaient assurer à la fois le chauffage des locaux et de l’eau, et ils permettaient la distribution de chaleur par zone à un taux d’efficacité supérieur à 95 %. On prévoit pour la période de 2018 à 2025 l’émergence de systèmes hybrides qui combineront le chauffage des locaux et de l’eau, et le stockage thermique, et qui seront alimentés à la fois au gaz naturel et à l’électricité; ils seront dotés de contrôles intelligents leur permettant d’atteindre une efficacité supérieure à 100 %. À partir de 2025, les systèmes de chauffage intégreront l’énergie solaire. Ces systèmes pourront compter de plus en plus sur des réfrigérants à faible potentiel de réchauffement planétaire (PRP). On prévoit que le rendement saisonnier pourrait devenir supérieur à 300 %.

Faire progresser l’équipement de chauffage ultra écoénergétique

CanmetÉNERGIE Ottawa collabore avec des partenaires dans le cadre d’une approche visant à améliorer les technologies de chauffage des locaux et de l’eau, et à réduire progressivement l’utilisation des combustibles fossiles pour alimenter ces systèmes au profit des énergies renouvelables. Les laboratoires à la fine pointe de CanmetÉNERGIE Ottawa permettent de réaliser des évaluations impartiales des diverses technologies.

Nos plans de R-D comprennent la conception, le développement et l’évaluation des technologies de chauffage des locaux hybrides de première, de deuxième et de troisième génération. La portée de ces travaux implique qu’ils se poursuivront bien au-delà du cycle actuel de recherche (durant plusieurs années).

Les technologies de première génération sont, en partie, disponibles sur les marchés actuellement, mais quelques travaux mineurs de développement, des activités de démonstration et de communication de l’information demeurent nécessaires. Nos travaux menés dans ce domaine prendront fin graduellement d’ici la fin de notre cycle actuel de R-D (mars 2022).

Jusqu’en avril 2022, de 40 à 60 % des efforts de notre équipe seront consacrés aux activités visant les technologies de la deuxième génération, comme l’intégration de la micro-cogénération et des technologies du type cycle de Rankine à caloporteur organique (ORC) avec thermopompes activées à l’énergie thermique ou électrique; passée cette échéance, nous réduirons progressivement ces efforts entre cinq et 30 % au cours du cycle de recherche suivant.

L’intérêt principal associé aux technologies de troisième génération vise l’intégration de l’énergie solaire ou d’autres sources d’énergies renouvelables à des systèmes de chauffage à très haut rendement énergétique. Cette activité augmentera rapidement au fil du temps pour représenter éventuellement jusqu’à 85 % des efforts de notre groupe.

Figure 4: Aperçu des technologies de la première, de la deuxième et de la troisième génération

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La portée du projet sur l’équipement ultra écoénergétique comprend des activités réparties selon les technologies de la première, de la deuxième et de la troisième génération, ainsi que l’application de l’intelligence artificielle (IA) ou l’Internet des objets (IdO) aux technologies développées au cours de ces trois générations. L’évolution des activités de la première à la troisième génération est caractérisée par une progression du rendement énergétique grâce à la technologie évolutive des thermopompes.

Les technologies de la première génération comprennent notamment l’équipement de chauffage au gaz naturel jumelé à une thermopompe électrique (communément appelé « système résidentiel hybride au gaz naturel »). Ces systèmes s’accompagneront de guides et d’une formation sur le dimensionnement des thermopompes. L’équipement de la première génération compte également des systèmes hybrides jumelant des ventilateurs-récupérateurs de chaleur (VRC) intégrés à une thermopompe, destinés à une installation commerciale sur toit. Les activités liées aux technologies de première génération permettront d’atteindre des niveaux d’efficacité supérieurs à 100 %.

Les activités liées aux technologies de la deuxième génération comprennent les thermopompes au gaz naturel et les systèmes hybrides de micro-production combinée de chaleur et d’électricité (m-PCCE) jumelés à des thermopompes. De tels systèmes obtiennent des coefficients de performance (CP) jusqu’à 1,3.

Les systèmes de la troisième génération comprendront des thermopompes solaires et autres conceptions novatrices de thermopompes pouvant atteindre des CP supérieurs à 3,0.

Moyens par lesquels nous atteindrons nos objectifs

Notre équipe entreprend les activités suivantes à la poursuite de nos objectifs.

• Prototypage : nous développerons des concepts de nouvelles technologies et construirons des prototypes de systèmes de chauffage ultra écoénergétiques.
• Essais au banc : nous évaluerons nos prototypes dans des environnements contrôlés en laboratoire afin d’en déterminer le rendement et de cerner les aspects où des améliorations s’imposent.
• Essais sur le terrain : nous collaborerons avec des partenaires de l’industrie pour réaliser des essais sur le terrain des technologies proposées dans des conditions réelles et nous recueillerons des données pour cerner et gérer ou éliminer les risques décelés.
• Démonstrations : nous offrirons un soutien en matière de S-T aux partenaires de l’industrie et du gouvernement pour réaliser des démonstrations à grande échelle du fonctionnement des technologies.
• Transfert des technologies et communication : nous collaborerons avec l’industrie pour soutenir la commercialisation, et avec le gouvernement pour soutenir l’élaboration de programmes et la réglementation.

Chronologie des prévisions concernant l’adoption par le marché

La figure 5 représente une chronologie estimative illustrant à quelle période les résultats de nos travaux de R-D devraient être adoptés sur le marché.

Figure 5: Chronologie de l’adoption par le marché (approximative)

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À quel moment les résultats du projet sur l’équipement de chauffage ultra écoénergétique devraient-ils être adoptés? Quelle est la chronologie de l’adoption par le marché? Nous prévoyons qu’à partir de 2020, le marché adoptera les systèmes hybrides de chauffage au gaz naturel jumelés à une thermopompe électrique. À partir de 2025, le marché adoptera les systèmes hybrides jumelant les thermopompes au gaz naturel et la m-PCCE. D’ici 2030, le marché adoptera les systèmes de thermopompes solaires et autres solutions hybrides novatrices alimentées aux énergies renouvelables, ce qui entraînera une réduction de 30 % des émissions de GES. Les cibles de réduction des émissions de GES sont fixées à 50 % d’ici 2040, et à 80 % d’ici 2050.

CanmetÉNERGIE Ottawa travaille en étroite collaboration avec l’Office de l’efficacité énergétique (OEE) de Ressources naturelles Canada (RNCan) pour soutenir l’élaboration de procédures relatives aux cotes de rendement, de guides de conception et de normes visant l’équipement afin de faire progresser l’adoption sur le marché des technologies écoénergétiques pour le chauffage des locaux et de l’eau.

Nos partenaires

Notre équipe apporte son vaste savoir-faire et son expérience dans ce domaine. Cependant, nous reconnaissons que la réussite de nos travaux dépend d’une solide collaboration avec d’autres partenaires du gouvernement, de l’industrie et d’associations de partout au Canada et d’ailleurs dans le monde. Nous comptons notamment parmi nos partenaires :

• la Société de logement communautaire d’Ottawa;
• l’Association canadienne des constructeurs d’habitations;
• Mattamy Homes;
• l’Université Queen’s;
• l’Université Carleton;
• l’Office de l’efficacité énergétique de Ressources naturelles Canada;
• le Consortium for Energy Efficiency (CEE);
• Distribution Inc.;
• le Heating, Refrigeration and Air Conditioning Institute (HRAI);
• Kier;
• Enbridge;
• la Ville de Varennes;
• la CSA;
• l’Association canadienne du gaz;
• Mitsubishi Motors.

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