Survol de technologies gazières émergentes pour le chauffage des bâtiments commerciaux

Bien que l’intensité énergétique des bâtiments commerciaux soit en baisse depuis de nombreuses années, les besoins pour le chauffage des espaces demeurent importants et représentent aux alentours de 49 %¹ du total de l’énergie consommée d’un édifice. En améliorer la performance énergétique est donc un élément important.
En 2011, l’Agence internationale de l’énergie publiait des feuilles de route technologiques, dont l’une sur le rôle des équipements de chauffage et de climatisation dans l’amélioration de l’efficacité énergétique des bâtiments². Le potentiel à long terme pour l’amélioration de leur performance repose sur quatre technologies commercialement disponibles, mais dont le développement n’est toujours pas mature :

Solaire thermique actif
Cogénération (CHP)
Pompes à chaleur (gaz, électricité)
Stockage thermique

L’efficacité des technologies gazières a progressé au cours des décennies et passe par l’amélioration des appareils, le développement de nouveaux concepts et finalement l’intégration de sources d’énergie secondaires, conformément au graphique suivant.

Les manufacturiers de produits CVAC s’ingénient à développer des produits plus performants les uns que les autres. Plusieurs travaux ont été effectués, ou encore sont en cours ou sur le point d’être terminés. Voici un aperçu de quelques technologies émergentes.
L’unité d’apport d’air neuf et l’unité de toit à haute efficacité
Les appareils conventionnels de chauffage de l’air installés aujourd’hui ont des efficacités typiques de 80 %, mais les équipements à condensation ont pour leur part le potentiel d’atteindre plus de 90 % d’efficacité énergétique. Compte tenu de la taille de ce marché, le potentiel d’économies d’énergie est intéressant pour tout un chacun.
Une des technologies ciblées par les manufacturiers pour en accroître l’efficacité est le système d’apport d’air neuf (Dedicated Outdoor Air system – DOAS), lequel se doit d’être plus efficace étant donné que les besoins d’air neuf ne cessent d’augmenter. En effet, que ce soit pour les exigences réglementaires dictées par la norme ASHRAE 62.1, l’installation de systèmes à débit de réfrigérant variable (DRV) ne chauffant pas l’air neuf, ou encore la conscientisation pour une meilleure qualité de l’air intérieure dans les immeubles existants, le chauffage de l’air neuf est un poste de dépenses énergétiques non négligeable.
Les enjeux de conception sont nombreux, qu’il s’agisse d’éviter d’augmenter la pression statique par l’ajout d’un échangeur trop imposant et ainsi accroître la facture d’électricité, d’éliminer le condensat sans risque de gel ou simplement d’en disposer aisément. Quelques manufacturiers offrent maintenant des systèmes à condensation et ont développé pour la plupart des manières d’atténuer ces aspects.
Modine, Reznor, EngA, Heatco, Sterling et bientôt Bousquet ont des équipements de chauffage de l’air neuf qui sont en mesure d’atteindre et même de dépasser 90 % d’efficacité thermique.
Un autre équipement ciblé est l’unité de toit communément appelée Roof top, qui est sans contredit un des appareils les plus installés. Les développements technologiques sont similaires à ceux que l’on retrouve pour les unités d’apport d’air neuf. Les nouveautés sont aussi au niveau des contrôles (utilisation exclusive du gaz naturel en période inoccupée) ou encore de la récupération de chaleur côté compresseur afin d’effectuer le préchauffage de l’eau pour des applications en restauration, par exemple (Rheem).
La microcogénération (mCHP)
Les coûts d’électricité étant ce qu’ils sont, principalement à l’extérieur du Québec où la situation concurrentielle est encore plus désavantageuse pour cette source d’énergie, beaucoup de travaux se font afin de développer des appareils combinant la génération de chaleur et d’électricité. Avec des capacités variant entre 1 et 50 kW, la microcogénération suscite un engouement auprès de plusieurs joueurs de l’industrie. Les efforts sont plus importants du côté du Japon et de l’Europe, mais de ce côté-ci de l’Atlantique, plusieurs entreprises y travaillent. La réduction des coûts par kilowatt demeure une priorité pour le Gas Technology Institute (GTI) et les manufacturiers qui développent ce type d’appareil. Selon un déploiement de leur technologie à plus grande échelle, ils visent un prix entre 1 500 et 4 000 $/kWe et un retour sur l’investissement de moins de six ans. D’autres bénéfices peuvent aussi être observés grâce à cette technologie, tels que la production d’électricité en cas de panne du réseau qui vient améliorer la rentabilité, ainsi que la considération seule du surcoût entre une génératrice d’urgence et la microcogénération qui vient baisser le coût initial d’achat.
Un des défis dans le développement de ce type d’équipement est la recherche de la meilleure efficacité pour la production d’électricité qui, selon les principes utilisés, varie entre 15 et 45 %. Les principes proposés reposent sur le cycle de Strirling, le cycle organique de Rankine, le moteur à combustion interne, la pile à combustible, la microturbine ou encore l’effet thermo acoustique. Ce dernier est particulièrement différent puisqu’il utilise la transformation de la chaleur en ondes et de ces dernières en courant électrique. Sept manufacturiers offrent déjà leurs produits sur le territoire américain, cinq envisagent de le faire, et cinq autres sont en phase de développement et planifient de les commercialiser. Conçu initialement pour le résidentiel, cet équipement est doté de capacités allant maintenant jusqu’à 35 kWe et peut s’installer en batterie. Les propriétaires de bâtiments commerciaux qui désirent gérer la pointe électrique peuvent donc envisager ce type de technologie.
Tableau 1 : Manufacturiers de mCHP (< 35 kWe)

Entreprise	Capacité électrique
Yanmar	5, 10 et 35 kWe
Capstone	30 kWe
EC Power	19 kWe
M-Trigen PowerAire	6 kWe
Marathon ecopower	4,7 kWe
Qnergy Stirling/ITC	3 à 6,5 kWe

Gaz Métro participe étroitement à l’identification de nouvelles technologies gazières, comme celles qui sont décrites dans cet article, et à leur développement. Elle contribue à les faire émerger afin d’augmenter l’offre technologique et d’ainsi mieux répondre aux besoins du marché.

Marc Francoeur, ing., CEM, PA LEED
Conseiller principal DATECH, Technologies & innovation, Gaz Métro

[1] Ressources naturelles Canada (en ligne), Base de données nationale sur la consommation d’énergie, Secteur commercial et institutionnel, Tableau 2. Sur Internet : URL:https://oee.rncan.gc.ca/organisme/statistiques/bnce/apd/showTable.cfm?type=CP&sector=com&juris=qc&rn=2&page=0>.
[2] International Energy Agency. Technology Roadmaps, Energy-efficient building : heating and cooling equipment (en ligne), 2011. Sur Internet : URL:https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_roadmap.pdf.