Système de thermopompe à air intégrée pour la production d’eau chaude et de chauffage de pièces résidentielles destiné aux maisons à faible consommation et à consommation énergétique nette zéro.

Promoteur principal : Sumaran Inc.
Lieu : Ottawa (Ontario)
Contribution du écoEIN : 983 000 $
Total du projet : 1 847 000 $

Contexte du projet

Les avancées dans les technologies d’enveloppe du bâtiment et des fenêtres permettent de construire des maisons dont la demande de chauffage localisé est très faible et la demande de refroidissement est réduite. Toutefois, la réduction de la consommation d’énergie aux fins de l’approvisionnement en eau chaude domestique (ECD) toute l’année demeure un défi. Les thermopompes à air pour climats froids (TA-CF) s’avèrent une option pour les maisons à faible consommation énergétique ou à consommation énergétique nette zéro (CENZ). La plupart des efforts visant la production d’ECD au moyen de thermopompes à air se sont concentrés sur l’utilisation de désurchauffeurs et ont permis de produire de quantités limitées d’ECD. En reconnaissant la lacune technologique que cela représente, l’entreprise SUMARAN Inc. a proposé un projet sur les thermopompes à air intégrées pour climats froids à distribution par zone et contrôle par un service public pour les maisons à faible consommation énergétique pour financement par l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. Le projet a reçu 983 k$ pour la création de prototypes de systèmes de thermopompes à air intégrées pour climats froids (systèmes TA-ICF) capables d’approvisionner les maisons à faible consommation énergétique et à CENZ en ECD, en chauffage et en refroidissement toute l’année. La portée du projet comprenait également l’évaluation de façons pour rendre les systèmes à thermopompes à air plus efficients, y compris l’utilisation de systèmes de distribution d’air par zone et le fait de tempérer l’air pris de l’extérieur au moyen d’un système de stockage thermique à lit de gravier.

Résultats

Diverses approches ont été mises à l’essai dans la création de prototypes de systèmes TA-ICF. Dans la première approche, il s’agissait de la thermopompe à air pour climats froids (TA-CF) de l’entreprise Ecologix, munie d’un compresseur intégré à un appareil de traitement d’air conditionné central à l’intérieur de la maison ainsi que d’un échangeur de chaleur complémentaire et d’un ventilateur à l’extérieur de la maison. Afin d’assurer le rendement optimal de l’unité à TA-CF dans des maisons à faible consommation énergétique ou à CENZ, il a fallu trouver un compresseur plus efficient et l’intégrer au système.   Le système définitif adoptait la technologie la plus récente de compresseur à inverseur offrant des stratégies avancées de commande ainsi que la commande avancée du réfrigérant. Les premiers essais ont permis de déterminer que le taux de récupération pour la production d’eau chaude était proche de celui d’un réservoir au gaz naturel. Dans la deuxième approche, il s’agissait de mettre ensemble des chauffe-eau à thermopompe et des thermopompes résidentielles à débit variable de réfrigérant de Mitsubishi. Deux systèmes ont été créés : l’un muni d’une unité extérieure Mitsubishi S-Series de 60 000 Btu/h et de deux appareils intérieurs de traitement d’air équipés de serpentins hydroniques (27 000 et 13 500 Btu/h) et l’autre d’une unité extérieure Mitsubishi S-Series de 40 000 Btu/h et d’une unité intérieure de 20 000 Btu/h ainsi que de 5 kW de chauffage électrique de secours à conduits. Un système a été monté dans une maison habitée permettant une CENZ et l’autre, dans une maison de démonstration de la CENZ. Les deux systèmes ont été intégrés à des systèmes de zonage utilisant des commandes synchronisées pour des thermopompes à débit variable de réfrigérant et équipés d’un équipement complet de contrôle de la gestion énergétique. Les systèmes fonctionnent bien et le contrôle se poursuit.

La recherche sur la distribution d’air par zone a été réalisée au Centre canadien des technologies résidentielles à l’aide d’une thermopompe à air pour climats froids (TA-CF) Zuba de Mitsubishi et d’un système standard (un appareil de chauffage au gaz et un climatiseur standard). Les résultats suggèrent que le zonage avec des marges de recul offre un potentiel important d’amélioration du confort et de réduction de la consommation énergétique maximale au moyen de TA-CF en été comme en hiver. Le zonage a également permis d’améliorer le confort et de réduire la consommation énergétique maximale dans le cas de systèmes standard, surtout en été.

La recherche sur le tempérage de l’air dans un lit de gravier à l’aide d’une TA-CF de l’entreprise Ecologix a eu lieu dans une nouvelle installation de recherche à l’Université Carlton, le Urbandale Centre for Home Energy Research (CHEeR). Selon les constatations préliminaires, un lit de gravier de taille à rentrer sous la dalle en béton d’un garage standard peut permettre de tempérer l’air d’approvisionnement d’une TA-CF à des températures extrêmement froides et ainsi, en améliorer le rendement en hiver. La recherche se poursuit.

Un outil de simulation de systèmes transitoires ou TRYNSYS (Transient System Simulation Tool) a servi à la simulation du rendement des systèmes TA-ICF et des configurations de zonage. De nouveaux composants du TRYNSYS ont été créés afin de permettre la simulation exacte d’immeubles résidentiels ainsi que des thermopompes à vitesse variable et à débit variable de réfrigérant et ont été intégrés à un modèle de construction de maison entière à zones multiples. Enfin, un volet a été ajouté au projet pour la détermination de stratégies optimales pour la réduction ou l’élimination de la charge de pointe dans des maisons à faible consommation énergétique ou à CENZ au moyen de thermopompes à air, d’énergie photovoltaïque et de batteries. Les résultats des premiers essais suggèrent que si les algorithmes de commande sont appropriés, un système photovoltaïque/batterie raccordé au réseau a le potentiel de fournir la charge de la thermopompe pendant des périodes de charge de pointe, même dans des conditions climatiques très froides.

Avantages pour le Canada

Alors que le Canada cherche à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à rendre le secteur des immeubles résidentiels plus éconergétique, l’exploitation de systèmes de thermopompes à air intégrées pour climats froids (TA-ICF) et du zonage pourrait faire une contribution importante. La recherche soutenue dans le cadre de ce projet a contribué à l’élaboration d’approches et de systèmes nouveaux et prometteurs.

Prochaines étapes

SUMARAN Inc. poursuivra le contrôle des systèmes TA-ICF mis en place, fera plus de recherche sur le tempérage de l’air dans un lit de gravier et les systèmes de commande photovoltaïque/batterie raccordés au réseau et continuera à valider et à mettre au point les modèles informatiques et l’interface de l’outil TRYNSYS.

Pour en apprendre davantage

• Sumaran Inc. Projet vedette (en anglais seulement)
• Rapport public: Thermopompe à air intégrée pour climat froid avec distribution par zone et contrôle des services publics pour les maisons à faible consommation d’énergie