Allier thermopompes et énergie solaire

Un système offrant une performance se rapprochant de celle de la géothermie, mais à coût moindre : les thermopompes assistées par l’énergie solaire.

Par Francis Pronovost

La géothermie est souvent incontournable lorsqu’il s’agit de concevoir des bâtiments à haute efficacité énergétique, mais il reste que le coût de cette technologie constitue par contre souvent un frein à son utilisation. Comme ce fut le cas pour l’agrandissement de la bibliothèque Saul-Bellow, à Montréal, un projet briguant la certification LEED-NC, niveau Or.

C’est que ce projet, dont la conception a été confiée à Chevalier Morales Architectes à l’issue d’un concours d’architecture, vise une efficacité énergétique 50 % supérieure à celle prescrite par le Code modèle national de l’énergie pour les bâtiments. Le budget étant toutefois serré, il a fallu trouver une technologie de chauffage offrant des performances dignes de la géothermie et, surtout, à moindre coût. Et c’est pourquoi l’équipe de projet s’est tournée vers une solution novatrice mettant à profit des thermopompes à air et l’énergie solaire.

Il faut savoir que les thermopompes à air, ou l’aérothermie, peuvent pour certaines périodes de l’année relever le défi d’une haute performance à un coût moindre que le fait la géothermie. Comparativement à un système géothermique qui puise sa chaleur dans le sol, ces thermopompes puisent leur chaleur dans l’air ambiant extérieur. Comme il n’y pas de forage à réaliser ni de boucle souterraine à installer, l’aérothermie permet de réaliser d’importantes économies au moment de l’installation.

Par contre, contrairement au sol qui est à température relativement constante, la température de l’air extérieur varie selon les saisons. Ainsi, plus le mercure descend à l’extérieur, plus il devient difficile pour la thermopompe de puiser la chaleur de l’air ambiant, ce qui diminue le rendement du système. Parallèlement, c’est au même moment que les puissances de chauffage demandées sont les plus grandes.

Optimiser le COP

Comme l’agrandissement de la bibliothèque Saul-Bellow bénéficie d’un mur faisant face au sud, il a été prévu d’installer sur ce dernier un mur solaire thermique. Ce faisant, il a été imaginé d’adapter et de coupler ce mur solaire afin d’augmenter la température de l’air dans lequel les thermopompes puisent leur énergie. Bénéficiant d’une source de chaleur à plus haute température, les thermopompes affichent alors un coefficient de performance (COP) plus élevé.

Le système, conçu et modélisé par la firme Martin Roy et associés, est essentiellement composé du mur solaire relié à une salle mécanique sur la toiture, là où sont situées les thermopompes à air. Le mur solaire, qui fait deux mètres de haut sur 30 mètres de long, est composé de panneaux de revêtement en béton foncé devant lesquels est installé un double vitrage. À noter que les panneaux de béton sont récupérés du mur actuel de la bibliothèque, du côté où sera construit l’agrandissement en question.

L’air passe d’abord dans un espace à l’arrière des panneaux de béton pour ensuite revenir à l’avant, entre ces derniers et le double vitrage, avant de rejoindre la salle mécanique. Fonctionnant en circuit fermé, c’est toujours le même air qui est recirculé dans tout le système, sauf en période de climatisation, alors que l’air d’alimentation des thermopompes est directement puisé et rejeté à l’extérieur. Comme l’inertie thermique est importante pour le bon fonctionnement du système, un élément de masse thermique est ajouté à la salle mécanique, en supplément aux panneaux de béton du mur solaire.

Les quatre thermopompes installées totalisent une puissance de chauffage de 250 kW (855 000 Btu/h). Selon les simulations, le couplage au mur solaire porte leur coefficient de performance annuel de chauffage à 2,8, plutôt qu’à 2, comme ce serait normalement le cas – le COP standard pour une thermopompe est d’environ 4,5 lorsque la température ambiante est de 15 °C et chute à 1,5 quand la température approche – 20 °C. Le système qui sera installé offrira des performances comparables à celles d’un système géothermique, tout en ayant permis d’économiser environ 70 % des coûts qui auraient autrement été encourus.

Le système de thermopompes assistées par l’énergie solaire de la bibliothèque Saul-Bellow est le second en voie de conception pour un édifice du secteur ICI au Québec, le premier ayant été conçu – toujours par Martin Roy et associés – pour le nouveau siège social de la Caisse Desjardins de l’Ouest de la Mauricie. La performance et le faible coût de ce type de système en fait une option fort prometteuse, d’autant plus qu’il peut être implanté sur tout bâtiment pouvant recevoir un chauffe-air solaire.