Faciliter la mise en œuvre de l’accumulateur thermique électrique centralisé pour la gestion de la demande et la décarbonation du chauffage des bâtiments institutionnels

Chabot, Vincent (2023). Faciliter la mise en œuvre de l’accumulateur thermique électrique centralisé pour la gestion de la demande et la décarbonation du chauffage des bâtiments institutionnels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La transition énergétique des bâtiments est nécessaire pour lutter contre les changements climatiques. L’exemplarité de l’État, un engagement du gouvernement du Québec, au Canada, vise à réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) du chauffage des bâtiments institutionnels. Au Québec, l’intensité des émissions de GES liées à la consommation d’électricité est relativement faible. L’électrification peut donc contribuer, dans une certaine mesure, à la décarbonation du chauffage. Cette transition présente plusieurs enjeux, dont celui de la gestion de la demande d’électricité, puisque le réseau de la province connaît déjà des périodes de demande élevée en hiver associée au chauffage. La transition énergétique du chauffage des bâtiments doit ainsi reposer sur différentes stratégies, dont des mesures de gestion de la demande telles que le stockage thermique. Un système de stockage thermique sensible, l’accumulateur thermique électrique centralisé (ATC), est offert sur le marché et adapté au chauffage hydronique de bâtiments institutionnels. Lorsque la demande le permet, l’ATC convertit de l’électricité en chaleur et la stocke dans des briques. Cette chaleur est ensuite extraite pour combler les besoins thermiques du bâtiment sans impacter significativement la demande d’électricité.

L’objectif principal de ce projet de recherche est de faciliter la mise en œuvre de l’ATC hydronique dans les bâtiments institutionnels, plus spécifiquement les Centres de services scolaires (CSS). La « mise en œuvre » englobe la conception, la mise en service, l’opération et la maintenance. Tant dans la littérature que dans l’industrie, des barrières à l’adoption du stockage thermique subsistent, d’où l’objectif d’en faciliter la mise en œuvre en proposant des moyens concrets de les surmonter.

Pour ce faire, la méthodologie employée est mixte : en partie qualitative et quantitative. La première partie, qualitative, consiste à identifier les défis relevés et les leçons apprises lors de la mise en œuvre passée d’ATC hydroniques à partir d’entrevues semi-dirigées avec des acteurs de l’industrie. La seconde partie, quantitative, consiste à quantifier la performance in situ d’ATC hydroniques à partir de données d’opération. Cette méthode mixte permet de porter un regard sur l’effet des pratiques actuelles de mise en œuvre sur la performance in situ, afin d’en dégager des bonnes pratiques à adopter. Parmi celles-ci, l’élaboration de séquences de contrôle détaillées lors de la conception joue un rôle crucial sur le déroulement de la mise en service et l’atteinte des bénéfices énergétiques, économiques et de réduction des émissions de GES. En effet, l’analyse de données d’opération a montré le fort lien entre la performance in situ, la robustesse des séquences de contrôle en place et le suivi de l’opération. L’analyse des entrevues a quant à elle exposé le défi de disposer de données suffisantes lors de la conception pour élaborer des séquences de contrôle détaillées, et ce, tant sur les besoins thermiques et la demande d’électricité d’un bâtiment existant, que sur l’ATC hydronique lui-même.

À partir des analyses des entrevues et des données d’opération, la troisième partie de ce projet de recherche consiste à proposer des solutions pour améliorer les pratiques et la performance actuelles. À ce titre, les données extraites des entrevues sur les composants remplacés de l’ATC hydronique ont été exploitées pour synthétiser les tâches de maintenance préventive à effectuer sous forme d’une fiche. Cette fiche vise à mieux planifier la maintenance et à éviter des modes d’opération dommageables pour ces composants, tout en tenant compte des ressources limitées à allouer à la maintenance. À partir de données d’opération d’ATC hydroniques (modèle de 80 kWe), l’autodécharge a été caractérisée par le coefficient de déperditions thermiques effectif et la puissance thermique maximale pouvant être fournie a été quantifiée afin d’outiller l’élaboration de séquences de contrôle détaillées lors de la conception et le suivi de l’opération.

Pour poursuivre dans la même lignée que ce projet de recherche, il est recommandé de développer des outils plus automatisés facilitant la mise en œuvre de l’ATC hydronique, notamment : un outil simplifié d’estimation des impacts énergétiques, économiques et de réduction des émissions de GES pour appuyer l’analyse préliminaire de faisabilité technicoéconomique; un outil de modélisation énergétique pour faciliter l’élaboration de séquences de contrôle détaillées; ainsi qu’un outil permettant l’intégration à un système de détection et diagnostic de fautes et un système de gestion de l’énergie pour respectivement faciliter le suivi en continu de l’opération et de la performance. Finalement, l’analyse du partage des bénéfices entre consommateurs et services publics d’électricité, avec par exemple une offre tarifaire modifiée ou un programme de gestion de la demande incluant une stratégie de contrôle commune, serait à considérer afin de faciliter la mise en œuvre du stockage thermique électrique et d’accélérer la transition énergétique des bâtiments.

Titre traduit

Ease central electric thermal storage implementation for demand management and decarbonization of institutional buildings heating

Résumé traduit

An energy transition is required to face climate changes. A commitment from the government of the province of Quebec, in Canada, labelled as “l’exemplarité de l’État”, seek to reduce greenhouse gas (GHG) emissions of institutional building heating systems. In Quebec, the intensity of GHG emissions related to electricity consumption is relatively low. Electrification can thus contribute, in a certain way, to decarbonize heating. This transition presents numerous challenges, including electric demand management, since the province’s grid already peaks during the winter due to heating. The energy transition of building heating systems must therefore include different strategies, including demand management measures such as thermal storage. A sensible thermal energy storage system, a central electric thermal storage (ETS) device, is commercially available and designed for hydronic heating of institutional buildings. When demand allows, the ETS device converts electricity into heat and stores it in bricks. Heat is then extracted to meet heating load without significant impact on electric demand.

The main objective of this research project is to ease implementation of this ETS hydronic device in institutional buildings, more specifically in educational facilities administered by school boards. “Implementation” comprises design, commissioning, operation, and maintenance stages. In the literature as well as in the industry, barriers to adoption of thermal storage remain, hence the objective of easing implementation by proposing concrete ways to overcome those barriers.

To do so, the methodology used is mixed: in part qualitative and quantitative. The first part, qualitative, is to identify challenges faced and lessons learned from past implementations of the ETS hydronic device using semi-structured interviews with various industry stakeholders. The second part, quantitative, is to quantify the in situ performance of ETS hydronic devices using building operational data. This mixed method allows analyzing the effect of actual implementation practices on in situ performance, in a way to highlight best practices to adopt. Among those, elaboration of detailed control sequences during design stage plays a crucial role in the commissioning process and in reaching energy, economic, and GHG emissions reduction benefits. Indeed, analysis of operational data demonstrated a strong connection between in situ performance, reliability of control sequences in place, and ETS device’s operation tracking. On its hand, analysis of interviews outlined the challenge of having sufficient data at the design stage to develop detailed control sequences, even on heating and electric loads of existing buildings, and on the ETS hydronic device itself.

Based on the analyses of interviews and operational data, the third part of this research project is to propose solutions to improve actual practices and performance. Thus, data extracted from interviews on replaced ETS hydronic device’s components were used to summarize preventive maintenance tasks to complete in a sheet. This summary sheet purposes are to better plan maintenance actions and to avoid damageable operating modes for those components, while considering that allowable resources for maintenance are limited. Using operational data of ETS hydronic devices (80 kWe model), self-discharge was characterized by the effective heat loss coefficient and maximum thermal power output was quantified, both to support the elaboration of detailed control sequences at the design stage and operation tracking.

To follow up on this research project, it is recommended to develop automated tools easing implementation of the ETS hydronic device, such as: a simplified estimation tool to assess energy, economic, and GHG emissions impacts to support preliminary technical and economical analyses; an energy modelling tool to ease elaboration of detailed control sequences; and a tool to integrate fault detection and diagnostics system and energy management system to ease continuous operation and performance tracking, respectively. Finally, an analysis of benefit shares between consumers and public electric utilities, with for example modified tariffs or a demand-side management program including a common control strategy, should be considered to ease implementation of electric thermal storage and fast forward the energy transition of buildings.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 241-247).
Mots-clés libres:	transition énergétique, stockage thermique électrique sensible, performance in situ, conception, opération, maintenance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse D’Avignon, Katherine
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	16 juin 2023 18:28
Dernière modification:	16 juin 2023 18:28
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3233

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