ACTUALITÉ SCIENTIFIQUE
ET INNOVATION DE L'ÉTS
Murs solaires écologiques - Par : Marc-Antoine Meilleur,

Murs solaires écologiques


Marc-Antoine Meilleur
Marc-Antoine Meilleur Profil de l'auteur(e)
Marc-Antoine Meilleur est étudiant au baccalauréat au Département de génie mécanique de l’École de technologie supérieure (ÉTS) et est membre du club étudiant SerreÉTS. Le projet dont il est question a été réalisé dans le cadre du cours « projets spéciaux » MEC791 à l’automne 2016.

Marc-Antoine Meilleur est diplômé en techniques de génie mécanique du Cégep de Sherbrooke. Il poursuit des études de baccalauréat en génie mécanique à l’ÉTS.

Les serres, l’hiver, ont besoin d’un grand nombre de changements d’air afin de réduire le taux d’humidité. Selon les analyses du club étudiant SerreÉTS, une serre de type passive bien isolée, comme celle de la Figure 1, aurait besoin d’environ 1350 kWh/m2 pour se chauffer, dont environ 80 % de la charge pour chauffer les renouvellements d’air. De plus, en saison chaude, un débit de ventilation de 5 m3/s peut être nécessaire pour refroidir une serre d’environ 50 m2de manière passive. Les murs solaires peuvent contribuer à régler ces deux problèmes. Cependant, cette technologie n’est pas encore implantée dans le secteur serricole ni dans le secteur résidentiel. Pourtant, un mur solaire est facile à fabriquer et plusieurs de ses éléments principaux peuvent être faits à partir de matériaux recyclés. Entre autres, l’absorbeur d’aluminium, l’élément principal d’un capteur solaire, peut être composé de canettes d’aluminium au lieu d’une feuille d’aluminium perforée. Ce projet de recherche a pour but d’estimer la période d’amortissement d’un mur solaire en fonction de la provenance des matériaux de fabrication (matériaux neufs ou recyclés).

Une serre construite à l'ÉTS

Figure 1 : Serre réalisée par SerreÉTS

 

Afin d’y arriver, un banc de test comprenant deux capteurs solaires totalement identiques – sauf pour l’absorbeur – a été fabriqué et installé sur un support comme le présente la Figure 2. Le premier capteur, « ECO » pour écologique, est composé d’un absorbeur en canettes d’aluminium. Le deuxième, « STD » pour standard, est composé d’un absorbeur plus classique, fabriqué à partir d’une feuille d’aluminium perforée. Le transfert de chaleur du capteur STD se fait principalement lorsque l’air forcé traverse la plaque d’aluminium chaude ayant une porosité de 0,003. Dans le capteur ECO, l’air est dirigé dans 15 conduites faites à partir de canettes d’aluminium comme le schématise la Figure 3. Le transfert de chaleur se fait donc principalement lorsque l’air est en contact avec la paroi des canettes. Les deux capteurs sont isolés, vitrés et orientés verticalement en plein sud.

Deux types de capteurs solaires utilisés dans des serres

Figure 2 Illustration des deux capteurs solaires, STD à gauche et ECO à droite

 

Un capteur solaire de type ECO fait à partir de canettes vides

Figure 3 L’écoulement de l’air dans le capteur ECO

 

La facilité de fabrication liée à l’utilisation de matériaux récupérés a été l’une des contraintes principales lors de la conception des murs. En effet, les capteurs construits sont reproductibles avec des outils de base et des matériaux communs récupérés. Le temps de fabrication n’est que de quelques heures et la durée de vie des capteurs devrait dépasser la dizaine d’années. Pour ce banc de test, tous les matériaux ont été achetés neufs, ce qui a permis de déterminer le coût maximal de fabrication. L’achat des matériaux a été possible grâce au soutien du Fonds de développement durable de l’association étudiante de l’ÉTS (FDDAÉÉTS) ainsi qu’au Fonds de développement de l’ÉTS.

Comme le présente le Tableau 1, plus il y a d’éléments recyclés dans la construction des capteurs (cases vertes), plus leur coût de fabrication est réduit. Différents scénarios de coûts de fabrication sont proposés pour analyser l’amortissement de chacun d’eux par la suite. Au maximum, le capteur ECO coûte 410 $ en recyclant seulement l’absorbeur (canettes d’aluminium), et environ 71 $ si on recycle également les autres éléments: le bois (2’’ x 6’’ et feuille de contre-plaqué 4’ x 8’), l’isolant (3 feuilles de polystyrène extrudé de 4’ x 8’ par 1 po), le vitrage (vitre ou acrylique 4’ x 8’) et la composante électronique (ventilateur). Au maximum, le capteur STD coûtera 508 $ (100 $ de plus pour acheter l’absorbeur en aluminium) ; au minimum, environ 175 $ si on recycle la plupart des matériaux.

Tableau 1 Scénarios de coûts de fabrication en fonction des éléments recyclés

Comparaison des coûts liés aux deux types de capteurs solaires

 

Les capteurs ont été installés au centre de recherche en énergie propre CANMET Énergie, à Varennes, afin d’avoir une exposition solaire idéale et avoir accès aux données climatiques mesurées localement, comme l’intensité solaire en W/m2.

Les rendements des capteurs ont été déterminés durant le mois de février 2017 en comparant l’énergie produite par rapport à l’énergie potentielle sur leur surface. Ayant une mesure en continu des températures de l’air à l’entrée et à la sortie des capteurs d’une précision de ± 0,5 ˚C [1] et une mesure ponctuelle du débit de l’air d’une précision de ± 3 % [2], nous avons utilisé l’équation suivante pour déterminer la quantité d’énergie utile générée pendant le mois.

L’équation afin de calculer le rendement d'un capteur solaire.

Le Tableau 2 présente la plage de consommation et les rendements des capteurs en fonction de l’incertitude de mesures.

Table 2 Production du mois de février 2017 et rendement en fonction de l’incertitude

Tableau de comparaison des rendements des capteurs solaires

Un rendement horaire moyen de 30 % a été déterminé pour le capteur ECO et de 39 % pour le STD. Le logiciel RETScreen Expert [5] a ensuite été utilisé afin d’estimer l’énergie générée selon une année typique à Montréal. Annuellement, le capteur ECO aurait une production énergétique de 588 kWh et le STD, de 617 kWh. Pour un coût d’électricité de 0,08 $/kWh, les économies annuelles obtenues sont de l’ordre de 47 $ pour le capteur ECO et de 49 $, pour le STD. Ce qui signifie qu’en fonction du nombre de matériaux recyclés, l’amortissement de l’ECO pourrait varier entre 2 et 9 ans, et celui de STD, entre 4 et 10 ans.

En comparant ces derniers résultats à ceux d’un capteur commercial comme le « Grammer SLK » [3] dans les mêmes conditions, on constate que l’efficacité du Grammer SLK est supérieure, mais que son amortissement est d’environ 28 ans en raison d’un coût d’achat élevé (environ 950 $/m2). Même en considérant un coût de main-d’œuvre de 20 $/h pour la fabrication du capteur ECO, la période d’amortissement est seulement de 5 à 13 ans, selon le nombre de matériaux recyclés.

L’hypothèse s’est donc avérée juste. Même si le rendement moyen d’un capteur fait avec un absorbeur en canettes est plus faible, son amortissement est plus avantageux. Il est donc tout à fait rentable de profiter des énergies renouvelables au Québec, il suffit dans certains cas de faire preuve de créativité et de valoriser les matériaux recyclés dans une conception.

Pour la suite du projet de recherche, les murs seront installés sur de vraies serres où le débit d’air frais sera augmenté à environ 120 CFM. Un plus grand débit ne fera qu’augmenter le rendement des capteurs, comme le présente le diagramme de l’efficacité d’un mur solaire en fonction de son débit, retrouvé à la Figure 4. De plus, dans ces nouvelles installations, nous essayerons de profiter de la ventilation naturelle que peuvent offrir les capteurs en été puisque la surchauffe est un autre problème important dans les serres.

 

Tableau mesurant l'efficacité d'un mur solaire.

Figure 4 Efficacité typique d’un mur solaire en fonction de son débit [4]

Remerciements

La réalisation de cette première phase a été possible grâce à la participation de nombreuses personnes dans le projet, dont les membres de SerreÉTS et le professeur Stéphane Hallé. Une mention spéciale revient au centre de recherche CanmetÉnergie, qui nous a offert un lieu d’expérimentation ainsi que son soutien durant ces premiers tests. Finalement, cette recherche n’aurait pas été possible sans le soutien financier de l’ÉTS.

Marc-Antoine Meilleur

Profil de l'auteur(e)

Marc-Antoine Meilleur est