Décarbonation des bâtiments existants avec des pompes à chaleur géothermiques haute température

Les changements climatiques sont une priorité pour les gouvernements du monde entier. Au Québec, la carboneutralité est visée d’ici 2050 et l’économie doit être décarbonée rapidement. Le secteur du bâtiment retient particulièrement l’attention. Il contribue à hauteur de 10%des émissions de gaz à effet de serre (GES) de la province, ce qui peut paraître faible lorsque comparé avec les secteurs industriel et du transport qui représentent à eux deux 58% des émissions de GES. Les bâtiments limitent toutefois la capacité à électrifier, et donc décarboner, ces autres secteurs de première importance. Ils sont responsables de 50% de la puissance maximale appelée sur le réseau électrique provincial lors de pointes hivernales en raison des grands besoins de chauffage engendrés par un climat froid. Cela est dû à l’utilisation massive de système de chauffage des bâtiments à l’électricité de type résistif et peu efficace. Les bâtiments institutionnels sont en retard dans la course à la décarbonation. Les écoles québécoises demeurent chauffées par des chaudières au gaz naturel dans 45% des cas. Il importe des les électrifier, mais de le faire efficacement afin de ne pas amplifier le problème de l’appel de puissance électrique en pointe. Les pompes à chaleur (PAC) sont une avenue prometteuse et déjà bien connue pour y arriver. La grande majorité des PAC installées au Québec sont dites aérothermiques, c’est-à-dire qu’elles puisent de la chaleur dans l’air ambiant en hiver. Bien qu’un coefficient de performance moyen en saison de chauffage (SCOP) intéressant puisse généralement être atteint, ces PAC souffrent d’une baisse de performance et de capacité lorsque des froids extrêmes surviennent. C’est toutefois à ces moments que l’appel de puissance électrique est un enjeu et il faut donc se tourner vers d’autres alternatives. Une pompe à chaleur géothermique (PACG) répond à cet enjeu en puisant de la chaleur dans le sol, là où la température est relativement constante à l’année. Le potentiel de cette solution pour mitiger les impacts sur la demande de pointe en électricité de la décarbonation des bâtiments n’est plus à prouver, mais cela est surtout vrai pour les nouvelles constructions. Les PACG dites « conventionnelles » ne permettent pas de produire de la chaleur à une température suffisamment élevée pour assurer la compatibilité avec les systèmes de chauffage des bâtiments existants munis d’émetteurs de chaleur à haute température. Toutefois, près de la moitié des écoles québécoises en sont équipées. Il y a donc un besoin urgent de trouver une solution pour décarboner efficacement ces bâtiments. Les pompes à chaleur haute température (PACHT) présentent un intérêt en ce sens. Il s’agit d’une technologie déjà utilisée en milieu industriel pour répondre à des besoins thermiques de procédés pouvant atteindre 160 °C.

Abstract

Climate change has become a priority for governments around the world. Quebec aims to be carbon-neutral by 2050, which will require a rapid decarbonization of the economy. Particular attention is being paid to the building sector. It contributes 10% of the province’s greenhouse gas (GHG) emissions, which may seem low compared to the industrial and transportation sectors. Together, they account for 58% of GHG emissions. However, buildings limit the ability to electrify, and therefore decarbonize, these other key sectors. They are responsible for 50% of the peak electricity demand on the provincial grid during winter peak periods due to the high heating demand generated by a cold climate. This is due to the large share of resistive electric heating in building systems. In the race to decarbonize, the institutional building sector is lagging behind. 45% of Quebec schools are still heated by gas boilers. It is important to electrify them efficiently to mitigate the problem of peak electricity demand. Heat pumps (HP) are a promising and proven option to achieve this. The vast majority of HPs installed in Quebec are air-source heat pumps (ASHP). Although an attractive seasonal coefficient of performance (SCOP) can generally be achieved, ASHPs suffer a drop in performance and capacity when extreme cold occurs. That is when power demand becomes a problem and other alternatives must be considered. A ground-source heat pump (GSHP) meets this challenge by extracting heat from the ground, where the temperature is relatively constant throughout the year. The potential of this solution to mitigate the impact of decarbonization on peak electricity demand has been demonstrated, but this is especially true for new buildings. Conventional GSHPs cannot produce heat at temperatures high enough to ensure compatibility with heating systems in existing buildings equipped with high-temperature radiators. However, almost half of Quebec’s schools are equipped with them. There is therefore an urgent need to find a solution to effectively decarbonize these buildings. High temperature heat pumps (HTHP) are an interesting option. This technology is already used in industrial environments to meet the thermal needs of processes that can reach over 160 °C. However, there is very little literature studying the coupling HTHPs with geothermal heat exchangers to decarbonize buildings. This master’s thesis aims to fill this gap by assess-ing the potential of high-temperature ground-source heat pumps (HTGSHP) to decarbonize existing buildings equipped with high-temperature heat emitters. A case study is carried out on a 1640 m2 elementary school prototype representative of the building stock of this typology in Quebec.