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.