Developing a Prototype Building Energy Model for a Quebec Primary School and Assessing the Importance of Detailed HVAC System Modeling

Bien que le Québec bénéficie d’une électricité décarbonée et bon marché, le secteur des bâtiments représente toujours une source d’émission de gaz à effet de serre (GES) notable dans la province. L’électrification du chauffage des bâtiments institutionnels est donc au coeur des préoccupations des politiques de réduction des émissions de GES de la province. Les modèles énergétiques de bâtiment permettent de quantifier l’impact de différentes mesures d’efficacité énergétique et de décarbonation, mais leur application à un parc de bâtiments nécessite une approche différente de la modélisation individuelle des bâtiments. L’utilisation d’archétypes, ou de modèles prototypaux, est souvent privilégiée dans ce contexte. Cependant, les efforts pour développer de tels modèles sont importants, et il n’existe pas à ce jour de base de données de modèles spécifiquement développée pour le contexte québécois. De plus, les configurations de systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement d’air (CVCA) et leurs paramètres de design et d’opération ont un large impact sur les aspects de consommation d’énergie, d’émissions de GES, et la demande de pointe d’électricité. Or, ces systèmes sont souvent négligés, simplifiés ou uniformisés lors de l’établissement des modèles de référence, en raison du manque d’information et de la complexité de leur modélisation. Ce travail de maîtrise vise à établir un modèle prototypal d’école dans le contexte québécois et à évaluer l’impact de différents systèmes CVCA sur la performance énergétique des modèles obtenus. L’école primaire a été choisie parce qu’elle représente un grand pourcentage des bâtiments institutionnels québécois et de leurs émissions de GES. Le parc des écoles québécoises est d’abord caractérisé à partir de différentes études et bases de données, en accordant une attention particulière aux systèmes CVCA . Le modèle prototypal développé correspond à une école de 1640 m2 incluant une salle de gymnastique. Les caractéristiques thermiques et géométriques sont fixées pour représenter des valeurs typiques du parc, tandis que plusieurs variantes de systèmes CVCA sont comparées. Le modèle de base utilise des plinthes électriques pour le chauffage et est ventilé naturellement, ce qui représente un système minimaliste pour une configuration de base. Des configurations avec systèmes à eau centralisés (chaudière et/ou refroidisseur) et des systèmes de ventilation de complexité variable sont ensuite définies. Au total, 9 variantes sont ainsi évaluées en détail. Les résultats montrent que les différents types de systèmes, mais aussi leur dimensionnement et leur stratégie de contrôle, ont un impact notable sur les consommations énergétiques mensuelles, annuelles, et sur la demande de pointe. Cette étude démontre que les résultats obtenus à partir du modèle prototypal pour évaluer des mesures de décarbonation (par ex. électrificationv du chauffage) et d’efficacité énergétique (par ex. utilisation de pompes à chaleur) seraient largement influencés par les hypothèses de sélection et de configuration des systèmes CVCA. Les options de modélisation, c’est-à-dire la simplification plus ou moins grande des modèles sélectionnés pour représenter un processus, ont également un impact sur les résultats. Le travail présenté dans ce mémoire a mis en lumière l’importance de prendre en compte la spécificité du contexte québécois et de considérer les différents systèmes CVCA dans le développement de modèles prototypaux ou "typiques". Au-delà du choix des systèmes luimême, leur dimensionnement et leur contrôle doivent également être considérés en évitant de recourir aux options par défaut des logiciels telles que l’auto-dimensionnement. Nous proposons donc un modèle prototypal avec une géométrie et des paramètres thermiques uniques, et plusieurs variantes de systèmes CVCA. Il serait intéressant de raffiner les autres aspects du modèles, qui ont été simplifiés ici pour se concentrer sur les aspects liés aux systèmes CVCA.

Abstract

With the rising pressure to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, and ambitious targets being put in place, governing bodies are introducing policies and regulations to help achieve those goals. While the electricity-mix in Quebec has a low carbon intensity, energy consumption in buildings still results in high carbon emissions because of the persistent use of fossil fuels for heating. To assess decarbonization strategies on the building stock, building energy models (BEMs) are used to simulate different scenarios and decisions on implementing policies. To represent a building stock without simulating every building individually, these models rely on archetypes or prototype models, which must be defined and parameterized to represent all relevant characteristics of the buildings. Developing these prototype models represents a significant effort requiring detailed data on the building stock. Libraries of models are available to represent the US building stock, and these models are sometimes applied (as-is or adapted) to the Canadian context. There is still a lack of prototypical models developed specifically for the Quebec context. Heating, ventilation, and air-conditioning (HVAC) systems configurations, as well as their design and operation parameters, have a significant impact on the energy use, GHG emissions, and peak power demand of simulated buildings. However, these systems are often simplified and/or unified for prototype buildings, because they are complex to characterize and to model. This thesis aims to develop a prototype model for a school in the Quebec context, and to assess the impact of different HVAC systems on the energy performance of the model. A primary school was selected, as this type of building accounts for a large percentage of institutional buildings in Quebec and their GHG emissions. In a first instance, the school building stock in Quebec is characterized, paying a special attention to HVAC systems. The prototype model represents a 1640 m2 primary school, equipped with a gym. Thermal and geometrical parameters, gains, and schedules are fixed to represent typical values, while several HVAC system variants are modeled. The base model uses electric baseboard heating, and relies on natural ventilation, representing a minimal system. Centralized HVAC systems with water loops are then modeled, served by a boiler. Additionally HVAC systems with active cooling are modeled. Ventilation systems of increasing complexity are modeled. In total, 9 system variants are implemented in the model. The detailed results show that design and control parameters have a significant impact onvii dynamic profiles and monthly (or yearly) energy use, highlighting the necessity to carefully consider these aspects when developing prototype models, instead of relying on default conf igurations. The results provide evidence that the conclusions obtained from the proposed prototype model regarding decarbonization scenarios, such as switching from gas boilers to electric boilers, would be largely influenced by the variants used (or ignored) in assessing these scenarios. Similarly, assessing high-efficiency solutions such as heat pumps and investigating the impact on energy use and peak demand would require selecting the appropriate configuration—or configurations—to obtain representative results. This thesis also shows that, in order to model decarbonization scenarios accurately, attention must be paid to what to model (system configurations and strategies), how to model it (choosing models, configuring them, selecting control strategies). System sizing is mostly absent from discussions on prototype and archetype models development, and while no general solution has been found, this thesis is providing evidence that the auto-sizing procedures in building performance simulation software are not always adapted to Quebec schools—and probably not to other commercial and institutional buildings in the Quebec context.