Approche intégrée à l’égard du développement d’un système à haute efficacité de récupération de l’énergie et de ventilation intelligente

Contexte du projet

L’efficacité des échangeurs actuels de type ventilateur-récupérateur d’énergie (VRE) en matière de récupération d’énergie est limitée par la conception des échangeurs et la perméabilité à la vapeur d’eau des matériaux membranaires. Ainsi, le besoin d’échangeurs offrant une meilleure récupération d’énergie totale se fait sentir. Les noyaux des VRE à écoulement transversal sont caractéristiques en Amérique du Nord, mais le mécanisme de transfert limite le coefficient de transfert de chaleur par rapport au coefficient d’écoulement. Aux fins d’un meilleur transfert de chaleur appréciable, ce qui est important pour réduire la charge de chauffage en hiver, un noyau à contre-courant constitue une conception plus efficiente. De plus, les systèmes actuels de ventilation et de récupération d’énergie ne sont pas en mesure de fonctionner de manière optimale sur le plan de l’efficacité énergétique tout en assurant une qualité de l’air à l’intérieur (QAI) convenable. Les stratégies de commande de la ventilation doivent se fonder sur des intrants tels que les conditions climatiques intérieures et extérieures, la QAI, le coût de l’électricité et le confort de l’occupant du bâtiment. Afin d’évaluer les stratégies de commande de la ventilation qui réduisent au minimum la consommation d’énergie tout en maintenant un confort et une qualité de l’air convenables dans les bâtiments, il faut une approche intégrée. L’échangeur récupérateur d’énergie (le noyau), le système de ventilateur-récupérateur d’énergie, le contrôleur du système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) et le système de CVC du bâtiment doivent fonctionner ensemble de manière optimale. Compte tenu du besoin d’améliorer la consommation d’énergie et la QAI dans les bâtiments au moyen d’une approche intégrée, dPoint Technologies Inc. a proposé le projet « Approche intégrée à l’égard du développement d’un système à haute efficacité de récupération de l’énergie et de ventilation intelligente » pour financement par l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. Le projet a reçu 704 k$.

Résultats

Un prototype de noyau de VRE à contre-courant a été conçu et construit. Il consistait en une structure ondulée autonome faite uniquement de membranes et raccordée à des cellules alternatives. La conception intègre deux concepts de transfert bidimensionnel de la chaleur et de la chaleur latente. Selon la validation du rendement du noyau du prototype par un laboratoire indépendant, l’efficacité appréciable (en ce qui concerne les émetteurs de chaleur) était de plus de 80 % dans des conditions de chauffage et de refroidissement. L’efficacité totale (enthalpie) a été calculée à plus de 60 % dans des conditions de refroidissement à une perte de charge comparable à d’autres échangeurs.

Ensuite, le noyau à haut rendement de VRE a été intégré à la conception d’un prototype de système de ventilo-convecteur. Enerzone, le partenaire de dPoint au projet, a conçu et construit sur mesure le système intégré de ventilo-convecteur, en intégrant des commandes intelligentes afin de profiter du « refroidissement naturel » en mode économiseur. Le système de ventilo-convecteur ajoutait de l’air frais de l’extérieur pour effectuer le refroidissement plutôt que de faire appel à un système supplémentaire de refroidissement actif. Son algorithme de commande a été conçu pour profiter des effets de refroidissement naturel de l’air extérieur plus froid, notamment pendant les saisons intermédiaires (le printemps et l’automne) alors que l’irradiation solaire fait monter la température de l’air à l’intérieur jusqu’au point où le refroidissement est nécessaire. Un hygromètre à l’intérieur de la prise d’air mesure la température et l’humidité de l’air entrant de l’extérieur.

Le système de ventilo-convecteur intégrant le noyau et les commandes du VRE a ensuite été monté et mis en service dans un immeuble à condominiums à Toronto. Un système de ventilateur-récupérateur de chaleur standard de référence a été installé dans l’un des condominiums (inoccupé, mais entièrement équipé) et le système intégré de VRE a été installé dans l’autre – l’un des condominiums sur l’autre. L’entreprise dPoint Technologies s’est mise en partenariat avec Tower Labs pour vérifier le rendement du VRE intégré dans des conditions réelles. Des équipements et des capteurs ont été installés pour la collecte de données et la surveillance des systèmes au cours du printemps. Selon les résultats d’une analyse des données, lorsque les températures grimpaient et que le système intégré de VRE disposait de refroidissement naturel, le système a réduit le besoin de refroidissement actif d’une quantité mesurable (en mode économiseur).   Le système a pu réduire la température de l’espace habitable de jusqu’à 2 °C à l’aide du refroidissement naturel par rapport à l’espace habitable du condominium sans système intégré de VRE. Selon un rapport publié par RDH Building Science Consulting, il est probable que 12 % des heures pendant lesquelles le refroidissement est nécessaire à Toronto conviendraient au refroidissement naturel, donnant lieu ainsi à une réduction de la charge totale de refroidissement externe d’un bâtiment.

Avantages pour le Canada

Le climat extrême du Canada, caractérisé par des hivers froids et secs et des étés chauds et humides, engendre une importante consommation d’énergie pour le chauffage, la climatisation, la ventilation, l’humidification et la déshumidification des bâtiments. Un système de récupération d’énergie à haute efficacité réduira considérablement la consommation d’électricité et de gaz naturel et les émissions de gaz à effet de serre des bâtiments de tous genres au Canada.

Prochaines étapes

Le nouveau système de ventilo-convecteur intégré aux VRE tirerait profit d’essais approfondis de suivi et de vérification sur le terrain pendant de plus longues périodes (alors qu’il est en mode économiseur). De plus, le concept de l’unité pourrait être amélioré pour que le système rentre dans une armoire utilitaire.