Efficacité Énergétique

Maison Kénogami : des systèmes énergétiques à la pointe de l’innovation et de l'autonomie

Notre collaborateur Alain Hamel vient d’achever la construction d’une exceptionnelle maison solaire passive dans la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean… Voici la fiche technique concernant l’énergie, le chauffage et l’eau chaude domestique. Où l’on découvre que le solaire photovoltaïque a des performances insoupçonnées !

© Alain Hamel pour Écohabitation
Les panneaux solaires et la maison © Alain Hamel pour Écohabitation

La maison Kénogami est un véritable laboratoire énergétique, en constante évolution. Que ce soit au niveau du système de chauffage, de la ventilation ou de la production d’eau chaude domestique, on trouve ici des systèmes innovants et performants, du jamais vu au Québec !

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Le chauffage : une combinaison inédite entre le solaire passif, les panneaux solaires, la thermopompe et la chaudière à condensation

La maison solaire passive est précisément conçue pour pouvoir se passer d’un système de chauffage : le soleil entre à pleins flots par le sud et la chaleur est stockée dans des matériaux tels que la brique ou le béton, qui la restituent progressivement; le froid ne pénètre pas dans ces maisons hyper-isolées. Mais au Québec, et tout particulièrement au Saguenay (climat quasi-subarctique), il est prudent d’équiper la maison solaire passive d’un système qui fournira le peu de chauffage nécessaire. Alain a d’abord installé le couple plancher radiant + chaudière à gaz à condensation (la chaudière à gaz la moins consommatrice d’énergie). Dans le pire des cas, advenant un arrêt complet du chauffage, cette maison ne pourrait descendre sous le point de congélation. Elle devrait tout au plus atteindre un minimum de 10 ̊C si les mauvaises conditions d’ensoleillement persistent; mais avec un minimum d’ensoleillement, sans le moindre chauffage, cette maison se maintiendrait sans peine aux environs de 18 ̊C !

Mais  le système de chauffage est en plein remaniement. En effet, Alain Hamel, conseillé par Stéphane Bilodeau, président du groupe Enerstat, prévoit de s’appuyer presqu’entièrement sur les énergies renouvelables, c’est-à-dire les panneaux photovoltaïques qui permettent déjà le fonctionnement des appareils électriques et une partie du chauffage de l’eau. Ils vont en effet

Plancher radiant du rez de chaussée © Alain Hamel pour Écohabitation

coupler un chauffe-eau muni d’une pompe à chaleur à un accumulateur thermique à changement de phase. Objectif : décupler la production d’énergie produite par l’équipement photovoltaïque et exploiter au maximum l’énergie produite. Cette petite thermopompe air/eau alimentée grâce aux panneaux solaires puisera son énergie dans l’air ambiant de la maison. Quant à l’accumulateur de chaleur, une batterie thermique de ce type permet de stocker 10 fois plus d’énergie à volume égal lorsque comparé à l’eau. Cet ingénieux procédé permettra de produire la totalité de l’eau chaude domestique, ainsi que l’intégralité de l’énergie pour le chauffage. Cette chaleur, gracieusement fournie par le soleil, sera transférée au système hydronique du plancher radiant. En plus de remplir ces fonctions, (et non, ce n’est pas fini!), le système contribuera à atténuer la surchauffe dans la salle mécanique. Cette surchauffe, provoquée par la sur-isolation de la maison et du point de consigne élevé du réservoir d’eau chaude (85 degrés Celsius), sera atténuée puisque la thermopompe va puiser l’air de cette salle pour fonctionner. Bien sûr, le système de ventilation ultra performant de la maison régulera le tout. On attend de voir ça !

En attendant, on vous présente le système actuel de chauffage, qui servira donc d’appoint par la suite : une chaudière à condensation.

Chaudière à condensation © Ronan Jouve pour Écohabitation

La chaudière à condensation est très performante. Elle a un rendement de 95%, ce qui signifie que pour 100 kWh de gaz, 95 kWh d’énergie sous forme de chaleur sera disponible pour chauffer la maison.

Cette chaudière est reliée à un plancher radiant «basse température» (température de l’eau à environ 40-45°C) qui a été installé sur tout le rez-de-chaussée. Le couplage chaudière à condensation-plancher radiant est intéressant, car une chaudière à condensation est plus efficace lorsque l’eau est produite à plus basse température que des calorifères standards (65-70°C).

Elle est dite à «condensation» car le système va récupérer l’énergie de condensation (ou latente) de la vapeur d’eau contenue dans les fumées de combustion. Pour qu’il y ait condensation, il faut que l’eau soit produite à basse température (que la température de l’eau soit égale ou inférieure à la température de condensation de la vapeur d’eau).

Caractéristiques techniques : chauffage de l’eau instantané de marque «InterGas», certifiée Energy Star et Haut rendement Énergétique par le CSA Group.

Une petite révolution : le chauffage de l’eau domestique… avec du solaire photovoltaïque

Panneaux solaires photovoltaïques © Ronan Jouve pour Écohabitation

Comme pour le chauffage, Alain est en train de faire évoluer le chauffage de l’eau domestique. Au départ, l’installation photovoltaïque était prévue pour alimenter tous les appareils électriques de la maison. Ensuite, conseillé par Patrick Déry, membre du GREB (Groupe de Recherches Écologiques de la Baie), Alain a relié les panneaux à son chauffe-eau électrique pour chauffer une partie de l’eau chaude domestique car il savait que ces panneaux allaient produire plus que ce dont il avait besoin.

Comme expliqué plus haut (voir partie chauffage), une thermopompe, couplée à une batterie accumulatrice constituée de matériaux à changement de phase, va bientôt être installée afin d’avoir un rendement encore plus efficace.

Pour finir, l’installation va être branchée au réseau d’Hydro-Québec afin de renvoyer le surplus d’électricité lorsque les panneaux photovoltaïques produisent plus d’électricité que nécessaire. Inversement, le système prend l’électricité d’Hydro lorsque les panneaux solaires ne produisent pas assez d’électricité pour répondre aux besoins de la maison. Alain Hamel va opter pour l’option de mesurage net avec Hydro-Québec, c’est-à-dire que chaque kWh envoyé par la maison au réseau sera déduit de sa prochaine facture d’électricité. Alain pourra donc voir sa facture réduite à zéro si ses panneaux produisent assez d’électricité.

L’installation solaire photovoltaïque de la maison Kénogami, qui n’inclut pas la thermopompe, qui n’est pas encore installée. Schéma de l’installation photovoltaïque. © David Bonnant pour Écohabitation

Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, les panneaux photovoltaïques alimentent plusieurs types de récepteurs, certains en courant continu et d’autres en courant alternatif.

Salle de contrôle de l’installation photovoltaïque  © Ronan Jouve pour Écohabitation

En premier lieu les panneaux rechargent des batteries 48 V qui vont ensuite alimenter différents récepteurs. Les batteries alimentent d’abord les deux résistances chauffantes contenues dans le réservoir d’eau chaude, qui fonctionnent en courant continu 48V, la même tension que celle des batteries : donc nul besoin de passer par un onduleur ni un hacheur (qui modifient le type de courant) pour cette étape. Ensuite le courant des batteries va recharger une batterie 12V qui va alimenter les lumières de la maison.

Les batteries 48V alimentent également les prises et les différents appareils de la maison qui fonctionnent en courant alternatif, (après passage du courant par un onduleur, qui va transformer le courant continu des batteries en courant alternatif (120V)).

A noter que le système de régulation, incluant des sondes de températures dans le ballon et des contrôleurs, n’est pas représenté sur le schéma ci-dessus. Il n’inclut pas non plus la thermopompe, qui n’est pas encore installée.

Et ça marche!

Le 29 juillet 2013, Alain Hamel commentait ainsi l’efficacité du système :

« Présentement, nous avons entre trois et quatre heures d’ensoleillement quotidiennement depuis les quatre derniers jours, et la température du chauffe-eau n’est jamais descendue plus bas que 60°C, malgré le lavage de la vaisselle et des vêtements à l’eau chaude. Le système fournit actuellement 100% de l’eau chaude domestique pour une famille de trois et on ne lésine pas sur la dépense… Surtout le jeune, avec deux douches interminables par jour! ». L’installation couvre donc tous les besoins de la famille en été.

Pour ce qui est de l’hiver, Alain prévoit que «si on considère le plus faible niveau d’ensoleillement hivernal mais qu’en contrepartie on ajoute dans la balance une plus grande efficacité des capteurs par temps froid et ensoleillé, et grâce à la thermopompe que nous allons installer, cette installation devrait fournir la quasi-totalité de nos besoins en eaux chaude, appareils électriques et chauffage ».

La thermopompe a un coefficient de performance (COP) de l’ordre de 3.1 en moyenne selon Enerstat. Ce qui veut dire que, en moyenne, pour 1 kW d’alimentation électrique, la thermopompe fournira 3.1 kW de puissance thermique pour l’eau chaude et le chauffage.

Pourquoi du photovoltaïque et pas du solaire thermique ?

Petit rappel sur les deux technologies :

Le photovoltaïque :

Une installation photovoltaïque est un système permettant de produire de l’électricité grâce à l’énergie solaire. Le rayonnement solaire est converti, par le biais de composants électroniques (les cellules photovoltaïques) qui utilisent «l’effet photoélectrique», en électricité. On peut parler de «piles solaires» pour imager le fonctionnement d’une cellule (cf. fiche technique d'Écohabitation).

Le solaire thermique :

Comme son nom l’indique, cette technologie utilise l’énergie solaire pour produire de l’énergie thermique (de la chaleur). Via des capteurs solaires où circule un fluide caloporteur (un fluide qui va très bien capter la chaleur, souvent de l’eau mélangée avec du glycol), on va produire de la chaleur. Dans le cas d’un chauffe-eau solaire, la chaleur va être resituée à l’eau domestique de la maison. Une installation de ce type comporte donc un circuit hydraulique avec des vannes et une pompe (le plus souvent) (cf. fiche technique d'Écohabitation).

D’un point de vue énergétique, utiliser le photovoltaïque paraît aberrant. En effet, si on veut se servir de l’énergie solaire pour produire son eau chaude, pourquoi ne pas choisir des panneaux solaires thermiques, qui offriront un rendement énergétique bien supérieur à des panneaux photovoltaïques (jusqu’à 80% en été pour le thermique, contre 15% en moyenne pour le photovoltaïque) ?

 

Le contexte

Du fait de vouloir être autonome en électricité, Alain avait déjà prévu l’installation des panneaux photovoltaïques. Au lieu d’acheter une nouvelle installation de solaire thermique, il était donc préférable de redimensionner l’installation afin de répondre aux besoins d’eau chaude. Mais il y avait aussi d’autres avantages. 

La rentabilité et la fiabilité

Voici une liste des avantages du solaire photovoltaïque par rapport au solaire thermique :

  • Contrairement au photovoltaïque, la plupart des systèmes de solaire thermique contiennent des pièces mobiles (pompes et valves solénoïdes) qui s’usent avec le temps.
  • Dans les climats rigoureux les systèmes solaires thermiques sont sujets au gel et donc susceptibles d’être endommagés.
  • L’été, lorsque la production d’eau chaude domestique par un système solaire thermique est trop élevée, l’énergie en surplus est perdue, contrairement à un système photovoltaïque connectée au réseau où il sera possible de revendre le surplus d’électricité et d’être crédité.
  • Il n’est pas possible d’avoir un système qui suit la course du soleil pour optimiser la production sur un système solaire thermique, contrairement à un système photovoltaïque.
  • En moyenne, un système photovoltaïque a une durée de vie plus importante qu’un système solaire thermique.
  • Sur un système solaire thermique, moins la différence de température entre le fluide caloporteur et l’eau du ballon est grande, moins il y a de puissance transférée à l’eau. Ce qui veut dire que l’efficacité du système va varier en fonction de cette différence de température, ce qui n’est pas le cas pour un système photovoltaïque, où la puissance transférée à l’eau reste constante.
  • Il est intéressant, sur un système photovoltaïque, contrairement à un système solaire thermique, d’utiliser la chaleur des panneaux pour préchauffer l’air neuf qui entre dans la maison. Cela fera augmenter le rendement des panneaux solaires photovoltaïques, contrairement au solaire thermique ou récupérer la chaleur des tuyaux ne ferait que diminuer l’efficacité du système.

Attention, il ne faut pas confondre la notion de rendement, qui est le rapport entre l’énergie produite (électricité) et l’énergie captée (énergie solaire), et la notion de rentabilité qui détermine si le produit est viable économiquement dans le temps.

On voit que le photovoltaïque possède de nombreux avantages par rapport au solaire thermique. Un article sortira bientôt sur le site d’Écohabitation pour vous expliquer pourquoi, en chiffres et en détails!

 

Une climatisation performante

Alain a opté pour une thermopompe air/air réversible très performante. Elle permettra de climatiser la maison lorsqu’il fera vraiment trop chaud , mais aussi de réchauffer l’air si jamais il y a besoin (lors d’un hiver très rigoureux par exemple).

Caractéristiques techniques :  Thermopompe air/air «Daikin quaternity» avec un COP (Coefficient de Performance) de 4.51 selon les tests avec la norme ARI 210/240.

Rappel : Un COP de 4.51 signifie qu’avec 1 kWh d’électricité, on va produire 4.51 kWh d’énergie thermique.

La ventilation : mieux que le ventilateur récupérateur de chaleur (VRC), le ventilateur récupérateur d’énergie (VRE) !

Alain a opté pour un VRE (Ventilateur Récupérateur d’Énergie) super performant.

Ventilateur récupérateur d’énergie dans la maison Kénogami © Ronan Jouve pour Écohabitation

Ce système a comme base le même principe qu’un VRC (Ventilateur Récupérateur de Chaleur) qui préchauffe l’air neuf qui va rentrer dans la maison avec la chaleur de l’air qui sort. Mais, en plus, ce système va réguler l’humidité de l’air.

Le VRE est particulièrement approprié pour les climats nordiques. En hiver l’air extérieur est très sec. Le VRE va donc redonner une partie de l’humidité de l’air intérieur vicié (plus humide) à l’air neuf qui rentre dans la maison. L’été c’est l’inverse, l’air extérieur étant trop humide, le VRE va décharger l’humidité de l’air qui va rentrer dans la maison en la transmettant à l’air sortant de la maison. Magique.

Caractéristiques techniques : Système d’air pulsé avec Échangeur Récupérateur d’énergie  «Novus» (F) 300 + Atténuateur de Son» Zehnder ComfoWell 220».

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