Vivre confortablement en dehors du réseau grâce à l'énergie solaire et à la pompe à chaleur air-eau
Vivre confortablement hors du réseau
La combinaison de plusieurs technologies renouvelables et semi-renouvelables vous permet non seulement de vivre en dehors du réseau, mais aussi de bénéficier du même confort que celui que vous auriez pu avoir en vivant dans une maison raccordée au réseau.
Une conception adaptée aux exigences du projet du propriétaire est un facteur déterminant pour la réussite et la longévité du projet.
Introduction
Le public a l'impression que ce mode de vie n'offre pas le même niveau de confort qu'une maison similaire connectée au réseau public. Cela a pu être vrai dans le passé, au début du développement des énergies renouvelables et lorsque les énergies semi-renouvelables n'étaient pas aussi avancées qu'aujourd'hui.
Dans ce cas, vous n'avez pas été en mesure de décider quand satisfaire vos besoins quotidiens de base (comme la douche, la vaisselle, la lessive, etc....) à tout moment, ce qui réduit le niveau de confort des occupants et fait de la vie hors réseau un mode de vie temporaire (les week-ends, les jours fériés, etc.).
Ce blog montrera comment la combinaison de l'énergie solaire renouvelable (Thermique, hybride et photovoltaïque comme source d'énergie primaire) et les énergies semi-renouvelables (Pompe à chaleur air-eau ou pompe à chaleur géothermique comme source de chaleur secondaire) permet de vivre hors réseau sans sacrifier son confort personnel.
Analyse de cas
La façon la plus simple de présenter un projet hors réseau est d'utiliser les données d'un projet existant. Nous avons récemment terminé un projet dans la région d'Ottawa (ON). La propriété est située à une heure et demie de route de la ville d'Ottawa et le terrain où se trouve le projet n'est pas alimenté en électricité ni en gaz naturel.
En raison du coût élevé estimé par Ontario Hydro pour équiper la propriété d'un panneau de 200 ampères, le client nous a contactés pour savoir si l'installation hors réseau serait moins coûteuse. Après quelques semaines d'itération, le client a décidé de s'affranchir du réseau car le coût de l'affranchissement était inférieur au coût de l'infrastructure associée au raccordement de la future maison au réseau de distribution d'électricité.
Off the grid house has the following caractersitics:
| Objet | Description | Valeur |
|---|---|---|
| 1 | Type de maison | Slab on Grade Bangalow, Area 2400 ft² (223 m²), Tilted Roof with tilt angle of 45° (Toit incliné avec un angle d'inclinaison de 45°) |
| 2 | Charge calorifique nominale | 23 457 Btu/hr (6.875 KW) - 9.77 Btu/hr.ft² (30.83 Watts/m²) |
| 3 | Valeur R du toit | 75 |
| 4 | Valeur R des murs | 38 |
| 5 | Valeur R de la dalle | 75 |
| 6 | Propriétés thermiques des fenêtres | Valeur U 0,16 (IP) et SHGC 0,21 |
| 7 | Type de chauffage | Chauffage au sol hydronique à eau chaude basse température (température de l'eau d'alimentation 35°C) |
L'architecte et l'équipe de conception du projet ont procédé à de nombreux examens holistiques de la conception afin d'optimiser les propriétés thermiques de l'enveloppe, dans le contexte de l'absence de réseau électrique. L'enveloppe ayant une durée de vie supérieure à celle de tout système CVC ou électrique, la priorité a été donnée à l'investissement dans une enveloppe plus efficace sur le plan énergétique et plus durable.
Scénario de base
Base scenario serves as a benchmark for comparing the Off-The-Grid deesign with a conventional HVAC design. Assuming that the above property will be heated by hydronic infloor heating and that hot water (que ce soit pour le chauffage des locaux ou de l'eau chaude sanitaire (ECS)) est produite par une chaudière électrique, la demande annuelle/mensuelle de chauffage sera la suivante :
Total Annual space heating demand will be 12 805 KWh (57.42 KWh/Year.m²), with peaks in December, January and February each year.
For annual DHW consumption, we assumed two adults and two kids. Result was an annual demand of 3 492 KWh. The Total combined demand for space heating and DHW heating is 16 297 KWh/year (73 KWh/Year.m²).
Propsed Off the Grid Design :
La conception hors réseau proposée intègre le solaire thermique, le solaire hybride (thermique et photovoltaïque), le solaire photovoltaïque (pour les charges électriques uniquement) et une pompe à chaleur air-eau. Nous avons également inclus une chaudière comme chauffage de secours.
Capteurs solaires à tubes sous vide
Les capteurs solaires à tubes sous vide sont installés à l'extrémité de la rangée de panneaux solaires thermiques. Ce type de panneaux a d'excellentes performances thermiques en hiver canadien et peut produire de l'eau chaude à température moyenne quelle que soit la température extérieure.
Panneaux solaires hybrides PVT
Hybrid PVT (Photovoltaic and Thermal) are installed at the begining of the row because this type of panel have a greater tthermal performance in the summer and lower thermal performance in winter. Also their thermal performance diminishes with the entering fluid temperature to the panel. This configuration allows the vacuum tube to snow melt flat plate PVT panels after a heavy snow storm. PVT Panels can be a great heat source for a swimming pool in the summer.
La production d'électricité des panneaux PVT est supérieure à celle des panneaux PV conventionnels, car le fluide circulant dans le module thermique permet de refroidir les cellules PV, ce qui augmente leur efficacité électrique.
Pompe à chaleur air-eau
La pompe à chaleur ATW agit comme une source de chaleur secondaire. En l'absence de production d'énergie solaire, la pompe à chaleur ATW utilise l'électricité stockée dans des batteries pour produire de l'eau chaude pour le chauffage des locaux et de l'eau chaude sanitaire.
Stockage de l'énergie thermique
L'eau chaude ou le mélange eau chaude/glycol est stocké dans des réservoirs tampons pour répondre à la demande de chauffage la nuit lorsque le soleil est absent. Pendant la journée, nous surproduisons de l'énergie thermique pour chauffer instantanément la maison et lui fournir de l'eau chaude sanitaire, et pour stocker de la chaleur pour la nuit.
Stockage de l'énergie électrique
Le courant continu produit par les panneaux PVT hybrides et les panneaux PV est stocké dans des batteries électriques. Les batteries ont été dimensionnées pour une autonomie de trois jours en hiver. Cela signifie que les batteries sont capables de fournir l'énergie nécessaire aux charges électriques, au chauffage et à la production d'eau chaude sanitaire pendant trois jours consécutifs sans production d'énergie solaire.
Résultats de la simulation solaire et quantité de panneaux
The primary heat source for Fluide caloporteur for space heating will be the combination of Vacuum Tubes and Hybrdid PVT Panels.
After multiple iterations to optimize the quantity of solar thermal and hybrid PVT PanelsLe scénario optimal final comporte 4 x 30 panneaux à tubes sous vide et 10 x panneaux PVT hybrides.
Tubes sous vide La production annuelle/mensuelle d'énergie est la suivante :
Total annual energy production for the evacuated tube panels is 7 094 KWh for an annual demand of 16 297 KWh. This represents 43.5% of the annual space heating and DHW heating demand.
La production annuelle/mensuelle d'énergie thermique et électrique des panneaux solaires hybrides PVT est la suivante :
Performance thermique
Performance électrique
Total annual thermal energy production for the Hybrid PVT panels is 3 543 KWh. Most of the production happens in the summer and the shoulder season. The only useful heat is the one produced between January and May which is 1 310.8 KWh. This represents only 8% de la demande annuelle d'énergie thermique.
Hybrid PVT solar Panels annual electricty production is 4 151 KWh. Annual Air to Water Heat Pump annual consumption will be 3816 while the backup emergency boiler will consume 103 KWh/year.
Pompe à chaleur air-eau
Chaudière de secours
Solar Thermal & ATW Heat Pump design summary
Annual Solar thermal energy production represents 51.53% of the annual thermal energy demand. The remaining 48.47% of thermal energy are produced primarily by the ATW Heat Pump which consumes 3 816 KWh, produced by the hybrid PVT panels, to produce 7789 KWh.
| Type de demande | Valeur de la demande | Génération de capteurs solaires à tubes sous vide | Production d'énergie thermique hybride PVT | Production d'énergie électrique par PVT hybride | Consommation électrique de la pompe à chaleur ATW | Pompe à chaleur ATWProduction d'énergie thermique | Consommation / production d'électricité de la chaudière |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Chauffage des locaux (KWh) | 12 805 | 4 650 (36%) | |||||
| Chauffage de l'eau chaude sanitaire (KWh) | 3 492 | 2 444 (70%) | |||||
| Demande totale (KWh) | 16 297 (100%) | 7 094 (43. 53%) | 1 310.8 (8%) | 4 151 (25%) | 3 816 | 7 789.2 (COP=2.04 - 47.8%) | 103 (0.63%) |
Electrical Plug Loads are primaly produced by PV panels since 94.4% of the electrical energy produced by Hybrid PVT panels is used to power the air to water heat pump and backup boiler.
Réseau PV Production annuelle d'électricité
Réseau photovoltaïque - 18 panneaux (625 W chacun)
La production annuelle d'électricité est de 13 383 KWh. Le graphique ci-dessous montre la production électrique mensuelle. Bien que le pic de production ait lieu en juillet, le fait d'avoir installé les panneaux avec un angle d'inclinaison de 45 degrés réduit non seulement le risque d'accumulation de neige sur les panneaux, mais augmente la production mensuelle d'électricité en hiver et réduit le déficit de production pendant les mois d'hiver où la demande est la plus forte.
Conclusion
The cost of the above Solar / Heat Pump System is 110 KCAD$ (Materials + Installation). A house the same size as this one, will cost around 7 KCAD$/year in utility bills. Customer can get around 20K CAD$ Federal + Provincial Grants. The pay back for the above system will be (110-20) KCAD$ / 7 KCAD$/Year = 12.8 Years.
La durée de vie d'un système similaire est de 25 ans, ce qui signifie que la moitié de la durée de vie sera consacrée au remboursement de l'investissement. Le prix de la facture des services publics locaux pour raccorder la nouvelle maison au réseau existant était de 225-250 KCAD$.
I’m curious how many kWh of battery storage you specified for the house and how that performed, if you’ve been through one winter already.