Volume 27, numéro 1, juin 2013

Les mesures clés pour économiser de l’énergie dans les établissements scolaires

Depuis quelques années, de nombreuses technologies et stratégies d’efficacité énergétique ont fait leur apparition. Nonobstant la grande variété de nouvelles technologies et stratégies, les mesures discutées dans cet article demeurent des solutions prisées dans plusieurs projets primés par l’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) et l’Association of Energy Engineers (AEE) et donc, des solutions à privilégier.

La chaudière à condensation combinée au réseau hydronique à basse température et à grand ΔT

Le chauffage par réseau d’eau chaude comporte de nombreux avantages face aux solutions de chauffage alternatives. Le confort thermique, la durabilité et la puissance de rattrapage à la suite d’un abaissement de température en sont quelques exemples. Ceci explique pourquoi ce système est installé dans la majorité des bâtiments commerciaux et institutionnels. Or, la conception traditionnelle des réseaux de chauffage hydronique est basée sur une alimentation à haute température de 71 °C à 82 °C (ou 160 oF à 180 oF) avec un différentiel de 11 °C (20 oF) entre l’alimentation et le retour à la chaudière. Les normes et les façons de faire pour les nouvelles constructions étant plus strictes, les bâtiments sont de plus en plus efficaces. Il devient alors intéressant d’opter pour des systèmes à grand différentiel de température (ΔT = 22 °C ou 40 oF) permettant une opération à plus basse température. Dans leur article publié dans l’ASHRAE Journal1, Ryan Thorson et David Williams faisaient mention de certaines conceptions très efficaces qui utilisent des températures de réseau de 60 oCalimentation et 38 °Cretour (140 °F et 100 oF). Ces températures permettent de maximiser le rendement des chaudières à condensation et d’atteindre un taux d’efficacité supérieur à 95 %.

Dans certains cas, le dimensionnement à basse température requiert des corps d’échange de chaleur de plus grande dimension. D’emblée, cette solution pourrait sembler plus dispendieuse, car elle requiert de plus grandes surfaces d’échanges, donc des serpentins et des convecteurs plus grands. Cependant, la sélection d’un concept à grand ΔT  permettra de réduire significativement le dimensionnement de la tuyauterie et les forces de pompage. En effet, l’énergie transmise par le fluide caloporteur est décrite par l’équation ci-dessous.2

Qénergie transmise = Débit x ΔT x Facteur deConversion1

Si l’on augmente le différentiel de température par un facteur de 2, il est possible de diminuer le débit par ce même facteur, donc la force motrice par ce facteur au cube (23= 8).

Le dimensionnement de nouveaux réseaux est détaillé dans un article publié dans l’Informa-TECH de février 2010. Pour les projets de modernisation de chaufferies, il devient avantageux de prévoir des variateurs de vitesse sur les moteurs de pompes afin de maximiser le potentiel des nouvelles chaudières en mi-saisons, avec un grand ΔT,  et de revenir aux débits et températures de conceptions des corps de chauffe d’origine en grands froids, avec un plus petit différentiel de température.

La ventilation par déplacement

Lors d’un réaménagement d’espace, les diffuseurs sont souvent négligés. Or, une analyse énergétique rapide démontre que la stratégie de distribution aura un impact énergétique majeur sur l’efficacité du système. La sélection d’un concept de diffusion par déplacement permet d’atteindre des efficacités de ventilation de l’ordre de 1,0 à 1,2 pour le chauffage ou la climatisation. Un système de ventilation par le plafond avec des diffuseurs traditionnels, en période de chauffage, permet une efficacité de la distribution de l’ordre 0,8.3. La ventilation par déplacement permet donc un gain de 25 % à 50 % (1,0 à 1,2/0,80). Cet impact est majeur si l’on fait l’analyse des coûts du cycle de vie de l’ensemble du système. Notons en exemple les dimensions des gaines de ventilation pouvant être réduites, ainsi que les débits d’air (total et air neuf).

Gestion de l’apport d’air frais et la récupération de chaleur

L’apport d’air frais est un élément essentiel au confort et il représente l’un des postes de consommation les plus importants. La récupération de chaleur devient alors un incontournable à l’efficacité énergétique. On retrouve différents équipements ayant tous leurs avantages et inconvénients en fonction des particularités du bâtiment. Pour des systèmes simples à opérer et à entretenir, les unités « passives » (sans compresseurs) seront les options à privilégier. Dans certains cas, on optera même pour des échangeurs moins performants en grands froids, comme les échangeurs à plaques. Bien que l’on retrouve aussi des unités plus efficaces permettant de récupérer davantage de chaleur, l’utilisation d’unités qui ne créent pas de condensation ne requiert pas de contrôle de givrage. Elles peuvent donc être des avenues intéressantes lorsque les budgets de construction et d’entretien sont limités tout en offrant un bon potentiel de récupération de chaleur.

Le contrôle des débits d’air

Tel qu’indiqué précédemment, les coûts liés à la ventilation représentent une grande partie des frais énergétiques du bâtiment. L’installation de systèmes à débits variables avec des boîtes VAV (variable air volume) est donc une stratégie d’économie d’énergie fréquemment retenue dans les nouvelles installations. Cependant, plusieurs références techniques provenant de l’ASRHRAE et l’AEE nous préviennent de ne pas négliger la qualité du contrôle et les lectures de débit d’air ainsi que les lectures de la qualité d’air (CO2). En effet, l’efficacité d’un système sans outil de suivi peut rapidement se détériorer.

Une perte de débit non contrôlé dans un local ou une branche créera un combat climatique (réchauffage de l’air conditionné). Ceci occasionnera une surconsommation pour le conditionnement de cet air en plus d’un impact de volume sur les forces motrices de ventilation. Les composantes de contrôles permettront alors une meilleure gestion afin d’éviter les pertes énergétiques par la surventilation de zones à faibles charges.

L’impact des frais d’exploitation liés à la ventilation s’observe en comparant l’indice de performance des bâtiments récents, majoritairement ventilés, à celui de constructions plus âgées et souvent non ventilées. Bien que l’on tende à penser que les bâtiments plus récents, érigés avec de bonnes enveloppes et selon des méthodes de construction efficaces, soient moins énergivores que les bâtiments âgés, ces derniers obtiennent généralement de meilleures performances en termes d’indice énergétique global, soit 3 % à 10 % en moyenne au Québec et de plus de 20 % selon l’étude détaillée de l’AEE pour quatre écoles américaines.4

En somme, on observe que les mesures traditionnelles décrites dans cet article définissent les bases et les méthodes à suivre pour la conception de bâtiments efficaces et durables à la fois.

Gaz Métro supporte l’implantation de projets d’amélioration par ses programmes d’aides financières à l’efficacité énergétique. Entre 2007 et 2012, Gaz Métro a octroyé plus de 5,1 M$ en aides financières aux commissions scolaires québécoises, permettant ainsi de réduire leurs frais d’exploitation et d’économiser plus de 9,5 M de m3 de gaz naturel représentant 18 124 tonnes de CO2.

Commissions scolaires: répartition des économies (m3) subventionnées par Gaz Métro,
2007 à 2012

Mathieu Rondeau, ing, CEM, LEED GA®
Conseiller relationnel et Efficacité énergétique
Groupe DATECH


1 Ryan Thorson et David Williams, « Old School Learns Cool New Tricks », vol. 54, no 5, mai 2012.

2 Lois des pompes pour la puissance de pompage « P » en fonction du débit « D » : P 1/P2 = (D1/ D2)3.

3 Standard 62.1-2010, « Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality », ASHRAE, 2010.

4 Dr. Wayne C. Turner, Energy Engineering, AEE Journal, vol. 109, no 6 2012.

Note : Au Québec, selon les données publiées dans le bilan énergétique du réseau des commissions scolaires du Québec 2010-2011, on remarque que les bâtiments ventilés consomment en moyenne entre 3 à 10 % de plus que les bâtiments non ventilés pour les mêmes types de bâtiments.