2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif
2 MODÈLE RETSCREEN POUR PROJETS
DE CHAUFFAGE SOLAIRE PASSIF
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif peut être utilisé pour évaluer la production d’énergie (ou les économies d’énergie) et la performance financière associées
à l’utilisation optimale de fenêtres à haut rendement énergétique. Bien qu’il puisse aussi
être utilisé pour de petits bâtiments commerciaux, le modèle s’adresse principalement aux applications résidentielles de faible hauteur; il peut être employé pour tout endroit du monde où il y a une demande en chauffage significative. Le modèle permet de déterminer comment des fenêtres efficaces peuvent réduirent de quatre façons la consommation d’énergie d’un bâtiment :
augmentation des gains solaires dans le bâtiment par l’utilisation de fenêtres plus grandes et mieux orientées;
réduction des pertes thermiques par l’utilisation de fenêtres plus isolantes;
augmentation ou réduction des gains solaires par l’utilisation de vitrages appropriés; et
diminution de l’énergie utilisée pour la climatisation suite
à un meilleur ombrage sur les fenêtres.
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif détermine chacune de ces
économies d’énergie. Un système de chauffage solaire passif peut comprendre des fenêtres performantes, une modification de la surface et de l’orientation des fenêtres ainsi que des
éléments assurant un ombrage.
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif comporte six feuilles de calcul : Modèle énergétique, Évaluation de la ressource solaire et des besoins thermiques (RS&BT),
Caractéristiques des fenêtres, Analyse des coûts, Analyse des réductions d’émissions de gaz à effet
de serre (Analyse des GES) et Sommaire financier.
Les feuilles de calcul Modèle énergétique et RS&BT, ainsi que la feuille de calcul optionnelle
Caractéristiques des fenêtres, sont complétées en premier. La feuille Analyse des coûts est ensuite complétée, suivie de la feuille Sommaire financier. La feuille Analyse des GES est facultative. Cette feuille est fournie pour aider l’utilisateur à évaluer l’atténuation potentielle de gaz à effet de serre (GES) engendrée par le projet proposé. En général, les feuilles de calcul sont remplies du haut vers le bas et le processus peut être répété aussi souvent que nécessaire pour optimiser la conception du projet au niveau des coûts et de l’utilisation de l’énergie.
Le calcul des gains solaires et des pertes thermiques par conduction à travers l’enveloppe d’un bâtiment est relativement complexes. Ce calcul dépend en effet du niveau d’ensoleillement et de la température extérieure, mais aussi des propriétés thermiques des fenêtres.
La méthode la plus précise d’analyse de ces phénomènes consiste à effectuer des calculs de transfert de chaleur sur une base horaire, à partir des caractéristiques détaillées du bâtiment. Cependant, les données horaires nécessaires pour faire une analyse détaillée sont rarement disponibles.
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Chapitre 8 - Analyse de projets de chauffage solaire passif
RETScreen utilise des algorithmes simplifiés afin de minimiser les données d’entrée requises pour déterminer chacune des économies d’énergie. Le modèle ne prédit pas la consommation pour le chauffage ou la climatisation d’un bâtiment. Il calcule plutôt l’écart de la consommation énergétique en chauffage (ou en climatisation) entre le cas proposé (de conception solaire passive) et le cas pour un bâtiment identique exempt de principes de conception solaire passive (appelé « cas de référence »). Dans les situations de rénovation, le bâtiment de référence sera généralement le bâtiment existant avant rénovation. Pour les nouvelles constructions, le cas de référence sera habituellement un bâtiment construit selon les pratiques locales courantes.
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif a été élaboré avec les hypothèses suivantes : la configuration du cas de référence consiste à utiliser un bâtiment avec des fenêtres standard (p. ex. en Amérique du Nord : double-vitrage avec un cadre en bois ou en PVC) avec des surfaces de fenêtres différentes dans les quatre directions. Le cas proposé permet une répartition différente des surfaces des fenêtres afin de capter plus de soleil. Il permet aussi une amélioration des caractéristiques des fenêtres afin d’augmenter les gains d’énergie solaire ou de réduire les pertes par conduction thermique. La comparaison permet d’évaluer la réduction de l’énergie utilisée pour le chauffage et, dans les cas où un système de climatisation est intégré, de tenir compte de l’éventuelle augmentation de l’énergie de climatisation en été.
Les hypothèses simplificatrices inclus le calcul des pertes thermiques et des gains basé sur des données mensuelles des niveaux d’ensoleillement et de la température extérieure, plutôt que sur des données horaires. L’utilisation (ou l’utilité) des gains solaires pour réduire l’énergie nécessaire au chauffage repose sur une méthode développée par Barakat et Sander (1982). Une fonction unique au logiciel RETScreen est qu’il ajuste les propriétés thermiques des fenêtres en fonction de leurs dimensions en utilisant l’approche recommandée par Baker et Henry (1997). Il est entendu a priori qu’une certaine marge d’erreur est introduite suite à la simplification du modèle; toutefois, la comparaison avec des modèles logiciels plus complexes montre que le modèle RETScreen est suffisamment précis pour
être un outil acceptable au stade de préfaisabilité (voir section 2.5).
Les demandes nettes de chauffage et de climatisation sont calculées sur une base mensuelle et sont ensuite additionnées pour l’année. Les économies d’énergie attribuables au solaire passif sont en fait la différence entre les résultats du cas de référence et ceux du cas proposé pour un bâtiment donné. Pour chaque mois, un bilan énergétique est effectué entre d’une part les gains solaires et internes et d’autre part, les pertes thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment. La différence entre les pertes et les gains, est l’économie d’énergie nette par la conception solaire passive. Une différence positive indique que le cas proposé est plus performant que le cas de référence car il contribue à réduire la demande de chauffage du bâtiment. Le modèle appelle cette quantité d’énergie « énergie renouvelable fournie ». Celle-ci est en fait l’économie d’énergie par rapport à la consommation d’énergie classique qui aurait
été celle du cas de référence et qui est diminuée dans le bâtiment de conception plus efficace.
Un schéma fonctionnel du modèle énergétique est illustré à la Figure 7. La section 2.1 décrit comment les propriétés thermiques des fenêtres sont corrigées en fonction des dimensions réelles. Les sections 2.2 et 2.3 détaillent le calcul des économies d’énergie en chauffage et en climatisation. Enfin, la section 2.4 additionne les contributions pour donner la valeur de la quantité d’énergie renouvelable fournie annuellement. Une validation du modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif est présentée dans la section 2.5.
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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire passif
Figure 7 :
Schéma fonctionnel du modèle énergétique de chauffage solaire passif.
Économies d'énergie en chauffage
Calcul des besoins en chauffage pour les cas proposé et de référence
[section 2.2.1]
Correction des propriétés thermiques des fenêtres
[section 2.1]
Économies d'énergie en climatisation
Calcul des besoins en climatisation pour les cas proposé et de référence
[section 2.3]
Calcul des gains internes
[section 2.2.2]
Calcul de la portion utile des gains solaires pour les cas proposé et de référence pendant la saison de chauffage
[section 2.2.3]
Calcul des économies d'énergie pendant la saison de chauffage
[section 2.2.4]
Calcul de l'augmentation des besoins de climatisation
à cause des gains solaires pour les cas proposé et de référence
[section 2.3]
Calcul des économies d'énergie pendant la saison de climatisation
[section 2.3]
Calcul des économies d'énergie globales
[section 2.4]
Calcul de la réduction de la charge de pointe en chauffage et en climatisation
[section 2.4]
Le terme « chauffage solaire passif » comprend habituellement à la fois la collecte d’énergie solaire, par exemple à travers des fenêtres, et son stockage, par exemple dans des dalles de béton et des murs. RETScreen s’adresse exclusivement à l’aspect « fenêtre » du chauffage solaire passif. Pour la majorité des applications, ceci est sans conséquence. D’autres limitations du modèle comprennent : le modèle devrait être utilisé que pour les bâtiments résidentiels peu élevés ou les petits édifices commerciaux (superficie au sol inférieure à
600 m²) et pour des climats où le chauffage est prépondérant; la distribution des fenêtres est limitée à quatre façades principales ayant un angle de 90º entre elles (le bâtiment peut être orienté selon n’importe quel azimut); et les effets d’ombrage sont calculés en utilisant des facteurs d’ombrage moyen, censés être représentatifs des valeurs moyennes saisonnières.
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