Analyse de projets d’efficacité énergétique dans les supermarchés et les arénas Cours d’analyse de projets d'énergies pr

1. Analyse de projets d’efficacité énergétiquedans les supermarchés et les arénas Cours d’analyse de projets d'énergies propres

2. Objectifs • Réviser principes de base de systèmes de réfrigération innovateurs et de mesures d’efficacité énergétique applicables aux supermarchés et aux arénas • Décrire les enjeux importants l’une analyse de projet d’efficacité énergétique dans les supermarchés et les arénas • Présenter le modèle RETScreen® pour projets d’efficacité énergétiquedans les arénas et les supermarchés

3. Patinoires et gradins Intérieur d’un supermarché Qu’est-ce que les mesuresd’efficacité énergétique et les systèmesde réfrigération innovateurs fournissent? • Réfrigération et climatisation des supermarchés et des arénas • Chauffage des locaux, de l’airde ventilation et de l’eau; déshumidification …mais aussi… • Des économies d’énergie • Une réduction des appels de puissance • Moins de pertes de réfrigérant • Moins d’émissions de gaz à effet de serre • Moins de coûts d’entretien • Plus de confort • Improved comfort Photo : Regos Photography/Andrus Architecture

4. Supermarchés :Contexte • Parmi les bâtiments commerciaux à plus forte demande énergétique • 5 000 MWh-éq/année (> 1 000 m2) • Plus de 5 000 grands supermarchés au Canada • La réfrigération représente 50 % des coûts d’énergie et l’éclairage 25 % • 150 000 $/année pour la réfrigération des grands supermarchés • Les coûts d’énergie représentent environ 1 % de la valeur des ventes • Soit environ l’équivalent de la marge bénéficiaire d’un magasin! • Habituellement, la quantité de réfrigérant utilisée est importante • En moyenne, un magasin utilise 1 300 kg de réfrigérant • Chaque année, les longues conduites de réfrigérant du système de réfrigération entraînent des pertes de 10 à 30 % de la quantité totale utilisée • Les réfrigérants de synthèse sont de puissants gaz à effet de serre • Jusqu’à 3 000 fois plus dommageables que le CO2

5. Arénas :Contexte • Aréna type au Canada : • Consommation ~ 1 500 MWh-éq/an • Coûts d’énergie ~ 100 000 $/an • Importants consommateurs d’énergie • 2 300 patinoires au Canada • 1 300 pistes de curling au Canada • Habituellement, la quantitéde réfrigérantutilisée est importante • En moyenne, une patinoire utilise 500 kg de réfrigérant • L’utilisation de compresseurs ouverts entraîne despertes de réfrigérant importantes • Les réfrigérants de synthèses sont de puissants gaz à effet de serre • Jusqu’à 3 000 fois plus dommageablesque le CO2 Consommation d’énergie dans un arénatypiqueau Canada

6. Le bâtiment en tant que système • Les supermarchés et les arénas sont des systèmes fonctionnant avec des sources d’énergies externes achetées… • Électricité, gaz naturel, etc. • …qui desservent simultanément des charges de chauffage et de réfrigération… • …localisées à proximité de zones chaudes et de zones froides.

7. Charges de chauffage et de réfrigération • Dépendent des… • Gains/pertes à travers l’enveloppe du bâtiment • Gains/pertes causés par l’entrée et l’évacuation d’air de ventilation(chaleurs sensible et latente) • Gains causés par la présence d’occupants (chaleurs sensible et latente) • Gains causés par les équipements (p.ex. : éclairage) • Gains/pertes par transferts de masse (p.ex. : eau chaude,fabrication de glace) • Gains/pertes à traversle plancher • Gains solaires • …et du transfertde chaleur des zones chaudes vers les zones froides !

8. Comment améliorerl’efficacité énergétique? • Assurer un contrôle selon les activités dans le bâtimentet les conditions climatiques • Réduire les transferts de chaleur des zones chaudesvers les zones froides • Réduire les gains et les pertesindésirables • Intégration des procédés : transférerla chaleurdes zones froides vers leszones chaudes • Utiliser la chaleur rejetée par les systèmesde réfrigérationpour répondre auxchargesde chauffage • Améliorer l’efficacité des équipementsde chauffage,de ventilation, declimatisationet de réfrigération (CVCA&R) • Réduire la quantité de réfrigéranten circulation et les pertes • Importante réduction des émissionsde gaz à effet de serre (GES)

9. Rappel :Cycle de réfrigération à compression

10. Supermarchés et arénas :Problème : transfert de chaleur des zones chaudes vers les zones froides • Le transfert de la chaleur des zones chaudes vers les zones froides constitue la majeure partie de la charge de réfrigération • La majeure partiede la chaleur est rejetéepar le condenseur àl’extérieur du bâtiment • Le système de chauffagedoit compenser cette perte • La quantité de chaleurrejetée par le système deréfrigération dépassegénéralement la chargede chauffage Variations mensuelles des chargesde chauffage etde la quantité de chaleur rejetée par le système de réfrigération d’une patinoire typique au Canada

11. Mesures d’EE pour les supermarchés et les arénas :Intégration des procédés utilisant la chaleurrejetée par le système de réfrigération • Récupération de la chaleur rejetée à l’aided’une boucle secondaire • Distribution de chaleur facilitée par une boucle secondaire • Désurchauffeur à la sortie du compresseur • Récupération jusqu’à 15 % de la chaleurrejetée – efficace pour l’eau chaude • Récupération de chaleur additionnelle avant le condenseur • La chaleur peut être utilisée pour lechauffage,l’air de ventilation et l’eau chaude • Des pompes à chaleur peuvent augmenter au besoin la température de la boucle secondaire • La chaleur en excès peut… • être stockée pour usage ultérieur; • chauffer la dalle sous la patinoire; • faire fondre la neige stockée à l’extérieur; • être envoyée vers des bâtiments proches; • chauffer les trottoirs, le stationnement ou la rue; • être évacuée à l’extérieur.

12. Mesures d’efficacité énergétique pour les supermarchés :Minimiser les pertes de réfrigérantzpar l’installation de boucles secondaires Problème : • Les gaz réfrigérants se retrouvent en plusieurs endroits dansplusieurs bâtiments • De longues boucles de canalisationremplies de réfrigérant relient la chambre mécanique au condenseuret aux évaporateurs • Les pertes de refrigérant par lescanalisations et par les raccordsreprésentent 50 % des émissionsde gaz à effet de serre (GES)des supermarchés

13. Mesures d’efficacité énergétique pour les supermarchés : Minimiser les pertes de réfrigérant par l’installation de boucles secondaires (suite) Solution : • Installation de boucles secondairescoté chaud et côté froid • Une boucle secondaire peut utiliser de l’eau, un mélange eau/glycol, une saumure, du CO2, du méthanol, etc. : ces substances ne sont pas de puissants GES comme les réfrigérants de synthèse. • Seulement de petites quantités de réfrigérant sont contenues dans des unités hermétiques • Les charges à basse température sont assurées par des unités de réfrigération autonomes qui déchargent leur chaleurdans la boucle secondaire

14. Mesures d’efficacité énergétiquepour les arénas :Minimiser les pertes de réfrigérantpar l’installation de boucles secondaires • Problème : l’utilisation de compresseursouverts et de grandes quantités deréfrigérant entraînent d’importantesémissions de gaz à effet de serre (GES) • Solution : installation de bouclessecondaires du coté chauddu condenseur • Seulement une petite quantité de réfrigérantest contenue dans une unité hermétique • Mélanges à base d’eau ou de glycoldans la boucle : pas d’émissions de GES

15. Mesures d’EE pour les supermarchés et les arénas :Concevoir des équipements de CVCA&Radaptés aux climats froids • Problème : les équipements sont généralement conçuspour les climats chauds et les condenseurs fonctionnent habituellement à haute température même lors de basses températures extérieures • Solution : une température de condenseur plus faible par temps froid améliore l’EEet prolonge la durée de vie du compresseur • Opération à “pression de refoulementflottante” • Possibilité de doubler le COP(p.ex. : de 3 à 6) • La chaleur rejetée devient moins utilisable(températured’opération à optimiser)

16. Mesures d’EE pour les supermarchés et les arénas :Sous-refroidissement du réfrigérant à température ambiante ou réfrigération active • En général, le réfrigérant liquide à la sortie du condenseur alimente directement la vanne d’expansion • La puissance et l’efficacité peuvent être améliorées en refroidissantle réfrigérant en dessous dela température de condensation(sous-refroidissement) • Source ambiante : air froidextérieur ou neige stockéeà l’extérieur • Réfrigération active : deuxièmesystème de réfrigération • Plus efficace que d’enleverplus de chaleurvdu condenseurcar lesecond système opèreavec un COP plus élevé

17. Mesures d’EE pour les supermarchéset les arénas :Stockage thermique • Stockage de la chaleur rejetée • Réduire le coût des appels de puissance causés par le chauffage • Exemple de stockage à court-terme(heures) : 2 000 L d’eau chauffée la nuit • Exemple de stockage intersaisonnier :échangeurs de chaleur enfouis dans le sol • Les patinoires peuvent stocker du froid sous la dalle ou dans un réservoir • Le coût des appels de puissance peut êtreréduit en produisant du froiden dehorsdes périodesde pointe électrique • La puissance frigorifique des équipementspeut être réduite • Accroissement du COP parl’utilisation d’une pompe à chaleurpour produire simultanémentde la chaleur et du froid

18. Patinoire éclairée naturellement Mesures d’EE pour les supermarchés et les arénas :Éclairage efficace et naturel • Problème : l’éclairage artificiel augmente les charges de réfrigération • Solution : utilisation de lampes à haut rendement • Solution : plafonds réfléchissants – réduisent de 30 % les besoins • Peut-être combinée à des peinturesou matériaux à faible émissivité (arénas) • Solution : intensité d’éclairageréduiteoù cela est possible • Lampes à multi-intensités d’éclairage • Nombre variable de lampesen opération • Modulation selon le niveaud’occupationet le type d’activité • Réduire la hauteur des luminairesetdesplafonds en tenant compte delaréflectivitédes plafonds et des murs • Solution : éclairage naturel • Ambiance plus agréable • Éviter les gains solaires,les pertesou les gainsà travers les fenêtres Photo : Skating Club of San Francisco

19. Plafond réfléchissant à faible émissivité Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas :Des plafonds rayonnant moins de chaleur • Problème : le rayonnement infrarouge du plafond représente jusqu’à30 % de la charge de réfrigération de la glace • Le plafond est chauffé par le système de chauffage, les gains solaireset l’éclairage artificiel • Les matériaux courants possèdent de fortes émissivités (e = 0,80 à 0,95) • Solution : utiliser des matériauxà faible émissivité • Tissus aluminisés à faible émissivité (e = 0,03 à 0,08) • Peintures aluminisées à faible émissivité ou autres peintures à faible émissivité • Avantages supplémentaires • Réduction de la condensation • Meilleure acoustique • Réduction de la demande d’éclairage Photo : Marius Lavoie, NRCan

20. Températures simulées Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas :Réduire les pertes de chaleur en provenancedes gradins • Problème : • le chauffage des gradins augmente la chargede réfrigération • La température de l’air dans les gradins peut être aussi élevée que 15 à 18 ºC • Ajoute généralement 20 % de la charge de réfrigération • Solutions : • Chauffer les gradins avec un systèmede plancher radiant à bassetempérature (≤ 32 ºC) • Utiliser la chaleur rejetéepar le système de réfrigération • Chauffer les gradinspar le basaméliorele confort des spectateurs • Réduire la température dans les gradins durantles périodes inoccupées

21. Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas : Optimiser la température de la glace • La température de la glace est généralement d’environ -6 ºC • La charge de réfrigération peut-être réduite en laissantla température de la glace augmenter • durant les périodes de patinage artistique : -3 à -4 ºC • durant les périodes de patinage libres : -2 à -3 ºC • durant les périodes inoccupées (p. ex. : la nuit) : -1 à -2 ºC • Arrêter la pompe du fluide secondaire durant les périodes inoccupées et la redémarrer uniquement lorsque le capteur infrarouge indique que la température de la glacea atteint le maximum admissible

22. Canalisations dans le béton Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas :Réduire l’énergie de pompage • La glace est réfrigérée au moyen d’un circuit secondairecirculant dans la dalle de béton • Des canalisations transportent le fluide secondairedans une direction puis le retournent au collecteur(circuit à double circulation) • Le pompage du fluide secondaire représente15 %de la consommation totale d’énergiedu systèmede réfrigération • La chaleur dégagée par la pompe du fluidesecondaire augmentela chargederéfrigération • Solutions : • Réduire le débit du fluide secondaire en fonction de l’horaire et de l’occupation • Utiliser des pompes à deux vitesses, deux pompes ou des pompes à vitesse variable • Un circuit de canalisations qui transporte le fluidedans la dalle, selon 4 passes ou plus, permetde diminuer le débit par un facteur deux • Impacts sur l’uniformité de la glace ? Photo: Marius Lavoie, NRCan

23. Coulage de la dalle Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas : Optimiser l’épaisseur de la glace et du béton • Le transfert de chaleur du fluide secondaire à la surface de la glace est réduit par l’épaisseur de la glace et du béton au-dessus des canalisations • Un moins bon transfert de chaleur exige un caloporteur à plus basse température et accroît donc la charge de réfrigération • Dans la plupart des arénas, l’épaisseurde la glace varie de 25 à 40 mm, mais peutêtre aussi épaisse que 75 mm • Dans la plupart des arénas, il y a 25 mm debéton au-dessus des tubes de canalisations • Solutions : • Durant la construction ou la rénovation, nepas dépasser 25 mm de béton au-dessusdes tubes de canalisations • Conserver la glace à une épaisseur de 25 mm, là où c’est permis • En combinaison avec un stockage de froid sous la dalle, permet de réduire les besoinsen puissance de la réfrigération Photo : Marius Lavoie, NRCan

24. Mesures d’efficacité énergétique pour les arénas : Différentes approches de déshumidification • Problème : la déshumidification nécessite normalement des unités autonomes de climatisation dont la chaleur est rejetée vers la patinoire et accroît la charge de réfrigération • Solution : rejeter la chaleur du déshumidificateurdu cotéde la boucle secondaire du condenseur du système principalde réfrigération • La chaleur rejetée peut-être utilisée pour le chauffage, etc. • Solution : système de déshumidification à déshydratant (desiccant)

25. Supermarchés :Coûts des mesures d’efficacité énergétique • Depending on measuresimplemented,0 to 40% higherinitial costs thanconventional systems • A full range of measures costadditional ~$250,000 • Supermarkets oftenrequirepaybacksof 3 years or less • Additional costsmay beoffsetby elimination of combustion heating system Boucle secondaire Système standard DX Système de boucle secondaire

26. Arénas :Coûts des mesures d’efficacité énergétique • Importants travaux de rénovation des patinoires tous les 25 ans : ~ 700 000 $ • De 175 000 $ (une patinoire) à 200 000 $ (plusieurs patinoires) pour les mesures d’efficacité • Les propriétaires et exploitants recherchent généralement des retours simples sur l’investissementde 5 à 8 ans ou moins • Pour les nouvelles constructions, l’intégration des procédés de chauffage et de réfrigération conduit généralement à un retour simple de 3,5 ans. Pour les rénovations, le retour est de 5 à 8 ans Mesures à investissement faible Mesures à investissement moyen Mesures à investissement élevé Désurchauffeur Plafond à faible émissivité Meilleurs contrôles Variation des points de consigne la nuit Déshumidification Éclairage efficace Aire de stockage de la neige Optimisation de l’épaisseur de la glace Intégration des procédés Correction du facteur de puissance Adaptation au climat froid Stockage thermique

27. Supermarchés :Les enjeux d’un projet • Les systèmes doivent démontrer un très haut niveau de fiabilité • Un bris d’une journée du système de réfrigération peut être excessivement coûteux en terme de pertes de revenus et de produits • Il faut intégrer les systèmes innovateurs de réfrigération aux nouveaux bâtiments ou lors d’importants travaux sur les équipements • En moyenne, les systèmes de réfrigération des supermarchés font l’objet d’importants travaux de réhabilitation tous les 8 ans • Pour les supermarchés en opération, les nouveaux systèmes doivent pouvoir être installés même pendant les heures d’ouverture au public • La chaleur rejetée par les systèmes de réfrigération peut couvrir tous les besoins en chauffage du supermarché • L’élimination du système de chauffage par une solution financièrementattrayante est un argument convaincant

28. Arénas :Les enjeux d’un projet • Intégrer les systèmes innovateurs de réfrigération aux nouveaux bâtiments ou lors d’une remise à niveau majeure des équipements • En moyenne, les systèmes de réfrigération des arénas font l’objet d’importants travauxde réparation tous les 25 ans (de 30 à 40 % des patinoires canadiennes ont déjà dépasséleur durée de vie projetée) • Plusieurs arénas sont fermées de un à deux mois par année, permettant ainsila réalisation des rénovations • La chaleur rejetée annuellement par le système de réfrigération représente trois fois l’énergie requise pour les besoins de chauffage • Pour de courtes périodes en hiver, les besoins de chauffagepeuvent toutefois dépasserla quantité de chaleur rejetée • La réduction de l’appel de puissance peut conduire à d’importantes économies annuelles • Dans certaines provinces canadiennes, l’appel de puissance représente 40 %de la facture énergétique

29. Entrée du supermarché Présentoirs des légumes Exemple : Québec, Canada Supermarché de Repentigny • Deux boucles secondaires récupèrentla chaleur des systèmes de réfrigération • Une boucle à moyenne température fournit jusqu’à 250 kW de chauffage en récupérant la chaleur des comptoirs réfrigérés • La chaleur des congélateurs alimente une boucleà basse température qui fournit jusqu’à 220 kWde chaleur à des pompes à chaleur qui peuventaussi servir de climatiseurs • Un désurchauffeur comble les besoins d’eau chaude sanitaire • Deux autres boucles secondaires, installées du coté des évaporateurs, distribuent le froid dans le supermarché. La boucle des réfrigérateurs sous-refroidit le réfrigérant de 30 ºC à la sortie du condenseur des machines des congélateurs • La température et la pression au condenseur varient en fonction des besoins de chauffage du bâtiment et de la température extérieure

30. Intérieur de supermarché Exemple : Québec, CanadaSupermarché de Repentigny (résultats) • Besoin d’aucun système de chauffage ni de chaudière de secours! • Tout le chauffage est assuré par la chaleur rejetée par le système de réfrigération • Consommation d’énergieréduite de 20 % • Suivit de performance en cours • Réduction des émissionsde GESprévue de 75 % • Provient de la réduction de laconsommation de gaz naturelet des pertes évitées de réfrigérants • Mise en service minimale : le système fonctionnecorrectement depuis le début • Aucun problème depuis avril 2004

31. Patinoire de Val-des-Monts Exemple : Québec, CanadaPatinoire de Val-des-Monts • La chaleur rejetée par le système de réfrigération est récupéréepar une boucle secondaire qui assure : • Le chauffage des gradins et des locaux parun système radiant qui n’augmente paslacharge de réfrigération • La production d’eau chaude sanitaireetnécessaire au surfaçage de la glace • La fonte de la neige de patinoire dans l’airetechnique • Le chauffage des fondations de la patinoire • Une partie des besoins de chauffage ducentre communautaire, situé à proximité,avec les surplus de chaleur • Stockage thermique • Chaleur à court terme : 2 000 litres d’eau • Froid à court terme : stockage sous la dalle • Saisonnier : boucle souterraine horizontale Photo : Marius Lavoie, NRCan

32. Patinoire de Val-des-Monts Exemple : Québec, Canada Patinoire de Val-des-Monts (suite) • Circulation du caloporteur de la boucle secondaire de réfrigération en cinq passes au lieu de deux • Six pompes de 3 HP en cascades permettent de faire varier le débit de caloporteur sous la glace • Pression en sortie de condenseur ajustée en fonction de la température extérieure • Plafond à faible émissivité • Éclairage efficace (10,5 kWau lieu de 25 kW) Photo: Marius Lavoie, NRCan

33. Example: Quebec, CanadaPatinoire de Val-des-Monts (résultats) • 60% reduction in energy compared with model building code reference rink • 50% reduction in power demand compared with average rink • Power demand and energy savingsof $60,000 annually • Greater than 90% reductionin GHG emissions • Mainly due to reduced refrigerant leaksachieved with sealed units andsecondaryloops • Refrigerant charge of 36 kg(vs 500 kg in typical system) • Refrigerant with no impact on ozone layer • Autumn start-up and end-of-season shut down require no special skills (where permitted) • Exceptional comfort for spectators

34. Exemple : Québec, CanadaPatinoire de Val-des-Monts (suite) • Réfrigérant sans impact sur la couche d’ozone • Le démarrage à l’automne et la mise service de finde saison ne nécessitent pas de personnel qualifié(si cela est permis) • Conditions exceptionnelles de confort offertes aux spectateurs

35. Modèle RETScreen® pourprojets d’efficacité énergétiquedans les arénas et les supermarchés • Pouvant être utilisé partout dans le monde pour l’analyse des économies d’énergie, des coûts sur le cycle de vie et des réductions d’émissionsde gaz à effet de serre • Pour les supermarchés et les arénas • Intégration des procédés(récupération de chaleur) • Boucles secondaires pour réduireles pertes de réfrigérant • Amélioration de l’éclairageet du rayonnement des plafonds • Pression de condenseur variable • Épaisseur variable de la glaceet de la dalle • Autres mesures d’efficacité énergétique • Inclut aussi : • Choix multiple d’unités monétaires, d’unités de mesures et d’outils

36. Conclusions • Des mesures d’efficacité énergétique, ainsi que des améliorations aux systèmes de réfrigération des supermarchés et des arénas, peuvent réduire de manière significative la consommation énergétique et les émissions de GES • Grâce à l’intégration des procédés, la chaleur rejetée par le système de réfrigération peut fournir, en tout ou en partie, les besoins de chauffage des supermarchés et des arénas, et dans certains cas éliminer le recours à un système de chauffage à combustible fossile • RETScreen® calcule les économies d’énergie et la réduction des émissions de GES d’une vaste gamme de mesures d’efficacité énergétique applicables aux supermarchés et aux arénas • RETScreen® permet des réductions de coûts significativespour la réalisation d’études préliminaires de faisabilité

37. Questions? Module Analyse de projets d’efficacité énergétique dans les supermarchés et les arénas Cours d’analyse de projets d’énergies propres RETScreen® International Pour plus d’information visitez le site Web de RETScreen à : www.retscreen.net