Couplage d’un accumulateur thermique électrique central et de la géothermie: potentiel dans les écoles primaires au Québec

Mootamri, Wiem (2026). Couplage d’un accumulateur thermique électrique central et de la géothermie: potentiel dans les écoles primaires au Québec. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le secteur des bâtiments au Québec constitue l’un des principaux postes de consommation énergétique et d’émissions de gaz à effet de serre (GES), ce qui en fait un levier essentiel pour atteindre les objectifs de réduction des émissions fixés à l’horizon 2030. Dans ce contexte, les écoles primaires occupent une place importante en raison de leur nombre et de leur devoir d’exemplarité ; elles se doivent de décarboner leur chauffage.

Le présent projet de recherche s’inscrit dans cette problématique et explore une solution hybride novatrice mise en oeuvre dans sept écoles primaires au Québec : la combinaison de la géothermie par puits verticaux et d’un accumulateur thermique électrique centralisé (ATC) comme système de chauffage auxiliaire. En effet, le déséquilibre entre la chaleur injectée dans le sol et celle qui en est retirée peut entraîner une dérive progressive de la température du sol au fil des années. Pour limiter ce phénomène en climat froid, on sous-dimensionne le champ de puits géothermiques par rapport aux besoins de chauffage et on assure le reste de la demande par une source auxiliaire, typiquement une chaudière électrique ou à combustible. L’objectif du couplage d’un ATC à la géothermie est donc de desservir les besoins de chauffage de manière durable ; il vise à maintenir la température du sol dans le temps, tout en réduisant les appels de puissance lors des périodes de pointe, sans recourir aux combustibles fossiles. Bien qu’opérant depuis quelques années dans sept écoles primaires québécoises, la performance réelle du couplage reste à ce jour théorique, n’ayant jamais fait l’objet d’une étude.

Afin d’évaluer la performance de ce couplage, un archétype de bâtiment scolaire est développé et simulé à l’aide du logiciel EnergyPlus. Les caractéristiques géométriques et les configurations des systèmes CVCA de chacune des sept écoles ont été extraites et analysées afin de développer le modèle archétype. Cette modélisation permet d’analyser le comportement énergétique du système couplé dans différents scénarios d’exploitation, en tenant compte des conditions climatiques québécoises et des profils de demande des bâtiments scolaires. Les résultats obtenus sont ensuite comparés à des données énergétiques réelles afin d’assurer la validité des simulations.

L’étude permet de démontrer la performance du système. Le couplage permet une réduction des coûts énergétiques de 1 116 $/saison hivernale, et une diminution moyenne des pointes d’appel de puissance électrique pouvant atteindre 30 kW (17 kW en moyenne) vis-à-vis d’une chaudière électrique qui serait utilisée comme auxiliaire. À terme, cette recherche contribue à l’optimisation énergétique du parc scolaire québécois et s’inscrit dans une démarche plus large de transition vers des systèmes de chauffage durables et à faibles émissions de carbone.

Titre traduit

Evaluating the potential of electric thermal storage as an auxiliary to ground coupled heat pump system in elementary schools in Québec

Résumé traduit

The building sector in Quebec is one of the largest consumers of energy and a major source of greenhouse gas (GHG) emissions, making it a key area for achieving the province’s 2030 emission reduction targets. In this context, elementary schools represent an important opportunity because of their large number and their responsibility to lead by example in decarbonizing their heating systems.

This research project addresses this challenge by investigating an innovative hybrid heating solution implemented in seven elementary schools in Quebec: the integration of vertical ground source heat pump (GSHP) systems with a centralized Electric Thermal Storage (ETS) unit as an auxiliary heating equipment. An imbalance between the heat injected into the ground and the heat extracted from it can lead to a gradual long-term drift in ground temperature. To mitigate this effect in cold climates, geothermal bore fields are intentionally undersized relative to the building heating demand, while the remaining load is supplied by an auxiliary heat source. The objective of coupling an ETS system with geothermal energy is, therefore, to provide sustainable heating by maintaining long-term ground temperature stability while reducing peak electrical demand without relying on fossil fuels. Although this hybrid system has been operating in seven Quebec elementary schools for several years, its actual performance has remained theoretical and has never been comprehensively evaluated.

To assess the performance of this hybrid system, an archetype school building was developed and simulated using EnergyPlus. The geometric characteristics and HVAC system configurations of each of the seven schools were collected and analyzed to develop the archetype model. This modelling approach makes it possible to evaluate the energy performance of the coupled system under various operating scenarios while accounting for Quebec's climatic conditions and the heating demand profiles of school buildings. The simulation results were subsequently compared with measured energy consumption data to verify the model.

The study demonstrates the effectiveness of the hybrid system. Replacing an electric boiler with an ETS unit as the auxiliary heating system results in energy cost savings of 1 116 $/winter season and reduces peak electrical demand by up to 30 kW (17 kW on average). Ultimately, this research contributes to improving the energy performance of Quebec's school building stock and supports the broader transition toward sustainable, low-carbon heating systems.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 107-113).
Mots-clés libres:	transition énergétique, bâtiments institutionnels, stockage thermique, géothermie, modélisation énergétique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) D'Avignon, Katherine
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	23 sept. 2026 18:35
Dernière modification:	23 sept. 2026 18:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4100

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