Le professeur Andreas Athienitis a conçu plusieurs maisons solaires autonomes, dotées de panneaux solaires photovoltaïques (PV) produisant de l'électricité. La plus célèbre est la maison expérimentale ÉcoTerra, à consommation d’énergie nette zéro, construite dans le cadre de l'Initiative de démonstration de maisons durables Equilibrium, de la Société canadienne d’hypothèques et de logement. La moins connue est sa propre maison que sa famille de quatre personnes habite à Brossard, sur la Rive-Sud de Montréal. En 2006, elle fut finaliste au prix Domus décerné par l’Association provinciale des constructeurs d’habitation (catégorie maison unifamiliale de 350 000 $ à 750 000 $).
Andreas Athienitis est titulaire de la chaire de recherche en intégration des systèmes d’énergie solaire aux bâtiments à l’Université Concordia et directeur de la recherche du réseau national de recherche sur les bâtiments solaires. Il a conçu sa maison avec la même approche d’intégration d’architecture solaire passive aux systèmes solaires thermique et photovoltaïque utilisée dans la maison ÉcoTerra, mais en visant une plus grande abordabilité. Voici les principales caractéristiques de cette maison de 2 992 pi2 (272 m2) et qui ne requiert l'achat que d'environ 12 000 kWh (1 000 $) d’électricité par année, chauffage inclus.
Toiture solaire hybride
Intégration est le mot clé qui caractérise le mieux cette résidence. Elle se distingue avant tout par sa belle toiture métallique prototype qui comprend un Système PV-thermique intégré au bâtiment (PVTIB ou BIPVT pour Building Integrated Photovoltaïc-Thermal) : tout le pan sud utilise le soleil à la fois pour produire de l’électricité et pour préchauffer l’air de ventilation. Avec ses pentes de 40 degrés, la toiture est quasi-optimale pour capter l’énergie solaire en hiver à Montréal (située à la latitude 45 degrés Nord). L'électricité solaire produite sur place qui n'est pas immédiatement consommée est dirigée sur le réseau d'Hydro-Québéc. La société d'État crédite ces surplus dans le cadre de son option tarifaire de mesurage net.
Dix-huit minces pellicules photovoltaïques, en silicium amorphe de marque Unisolaret totalisant 1 900 watts (1,9 kW) de puissance, ont été collées sur le
revêtement de toiture métallique. Par temps ensoleillé, le métal génère jusqu’à 4 à 8 kW de chaleur pour préchauffer l’air frais qui est tempéré par le mur sud avant d’être aspiré via des perforations pratiquées dans le contreplaqué des soffites : sa température passe de 15 à 30 degrés Celsius par la circulation dans des conduites métalliques attachées au revêtement de toiture. Cette chaleur est ensuite dirigée soit vers le ventilateur récupérateur de chaleur (VRC), soit, grâce à un échangeur de chaleur air-eau, vers un réservoir de préchauffage de l’eau domestique (également alimenté par un petit système géothermique (SG) de 2,2 tonnes de puissance de réfrigération). Deux réservoirs d’eau de 72 gallons (272 l) servent aussi de réserve d’énergie en cas de panne du réseau hydro-québécois. Grâce à des registres motorisés, des bouches d’air placées stratégiquement et un moteur électronique éconergétique à vitesse variable, l’air chaud solaire est distribué vers deux zones distinctes : sous-sol/rez-de-chaussée et étage. Ceci permet de chauffer l’ensemble de la maison par temps clément, alors que le chauffage électrique n’est pas requis.
Le SG, le VRC et les conduites de distribution d’air ont coûté 29 000 $, soit seulement 5 000 $ de plus qu’un système avec pompe à chaleur air-air; ce surcoût est celui du forage d’un puits géothermique de 400 pieds dans lequel l’énergie du sol est captée en pompant un liquide caloporteur dans une tuyauterie à boucle fermée.
Design solaire passif
La maison est principalement chauffée par l’énergie solaire passive gratuite qui pénètre à travers les vitrages. « Le design solaire passif est probablement la mesure la
plus rentable que l’on puisse adopter dans une maison à faible consommation énergétique », explique l’ingénieur. Lorsqu’il fait soleil, la maison n’a pas besoin d’être chauffée le jour ni souvent en début de soirée. De janvier à mars quand il fait soleil, la température de ces pièces peut monter jusqu’à 25 ou 26 °C maximum.
Par temps froid et nuageux, la maison est chauffée par le système géothermique qui sert aussi à climatiser et à préchauffer l’eau domestique. Ce système ne fonctionne qu’occasionnellement, ce qui donne le temps au sol où il puise des calories de se réchauffer. Encore plus rarement, seulement par très grands froids, un élément électrique de 10 kW contribue aussi au chauffage.
Une simulation énergétique a permis de conclure qu’il ne serait pas rentable d’excéder de beaucoup les niveaux d’isolation prescrits dans le nouveau code de construction du Québec. Andreas Athienitis a opté pour un toit R-45, des murs hors sol R-24,5 et des fondations (partie enfouie) R-16. « Ajouter RSI 1,5 (R-8,5) d’isolation dans les murs aurait coûté environ 5 000 $ mais n’aurait permis d’économiser que 400 kWh [32 $] par année avec la pompe à chaleur », expliquait-il dans un article publié en 2007. L’expert a plutôt investi 5 000 $ dans la récupération de la chaleur sous la toiture, ce qui produit en moyenne 5 000 kWh [400 $] d’énergie solaire thermique annuellement. Et il considère suffisant le degré d’étanchéité typique des maisons certifiées Novoclimat, d’environ 1 changement d’air à l’heure (CAH) — la limite Novoclimat permise est de 2,5 CAH — à une pression simulée de 50 pascals par test d’infiltrométrie. « Il serait excessif d’investir pour sceller davantage une maison. »
Forme rectangulaire optimisée
Le design compact sur deux étages vise à maximiser les gains solaires passifs. La forme légèrement rectangulaire de cette maison (48,6 x 37,4 pi ou 14,8 m x 11,4 m) présente une proportion de 1,3, idéale pour le chauffage solaire passif, tout en respectant les marges latérales de 5 pi (1,5 m) de distance des terrains voisins, exigées par la municipalité. Les pièces les moins utilisées qui peuvent être gardées plus fraîches (comme le garage et un salon pour les invités), sont situées du côté nord de la maison.
Le chauffage solaire se fait principalement au rez-de-chaussée, où la cuisine, la salle à manger et le salon sont à 70 % vitrés sur le mur sud et où le plafond de 9,84 pi (3 m) de hauteur maximise la pénétration de la lumière naturelle.
Dans ce secteur sud de la maison, un plancher de maçonnerie (céramique sur 3 po/8 cm de béton) et un mur latéral de brique stockent directement l’énergie solaire lorsque l’astre les éclaire. Cette masse thermique importante est nécessaire, non seulement en hiver pour stocker la chaleur le jour et la restituer en soirée, mais aussi au printemps et à l’automne, pour éviter la surchauffe.
Les fenêtres
En effet, la fenestration au sud représente 8,7 % de la superficie totale de la maison, alors qu’un maximum de 6 % est recommandé pour éviter la surchauffe dans une maison à faible masse. Au rez-de-chaussée, la superficie des fenêtres orientées au sud représente 14 % de la superficie habitable et 41 % de la façade de ce même étage. Le plancher de ces pièces est généralement chauffé à 25 °C. Quand le soleil n’est pas au rendez-vous, il peut être alimenté par la réserve d’eau préchauffée au solaire ou à l’électricité (par grands froids seulement). En général, seul le bureau doit être chauffé par ce système hydronique qui n’a coûté que 3 000 $; il est donc moins cher et plus pratique qu’un foyer au bois.
L’expert a opté pour du vitrage double, avec un enduit à faible émissivité à couche dure sur le mur sud pour maximiser le chauffage solaire et à couche tendre pour réduire les pertes de chaleur sur les autres murs. Le vitrage triple fut évité car il aurait augmenté le prix de ses fenêtres de PVC de 15 000 $. Les fenêtres orientées au nord, plus grandes que nécessaire du point de vue énergétique car donnant sur la rue, sont protégées le soir par des rideaux isolants doublés et par des stores encadrés. Ainsi, la température intérieure des rideaux est de seulement 1 ou 2 degrés C inférieure à celle du mur quand il fait -20 °C dehors et les vitrages résistent à la condensation.
Leçons tirées
Quel bilan Andreas Athienitis fait-il sept ans après avoir emménagé dans sa maison? « Toute conception de maison doit faire l’objet d’une simulation énergétique afin de déterminer quels sont les meilleurs compromis à faire. Par exemple, si la surface vitrée au sud est très grande et que l’on souhaite maximiser le coefficient de transmission de lumière visible des vitrages, l’on risque de causer des problèmes d’éblouissement. Notre Réseau de recherche sur les bâtiments solaires développe présentement un logiciel de conception qui permettra d’optimiser le design solaire passif. »
Aussi estime-t-il qu’à long terme le concept de maisons à consommation d’énergie nette zéro, qui produisent plus d’électricité et de chaleur qu’elles n’en consomment, « seront l’approche gagnante… Le prix des systèmes photovoltaïques a tellement chuté [à 6 000 $ le kilowatt de puissance installée] ces dernières années que d’une certaine manière, il revient moins cher à long terme d’ajouter du PV que d’ajouter plus d’isolant. »
Il est plus que jamais convaincu que la combinaison de solaire actif et passif représente la voie du futur. Il affirme que l’on peut chauffer des maisons très étanches et très isolées avec de petits systèmes mécaniques, même avec des plinthes électriques ou une petite pompe à chaleur air-air dans le cas des maisons de petite taille. Il est toujours convaincu que le chauffage radiant à eau chaude est l’idéal pour le confort. « Les plinthes électriques comportent des éléments à haute température qui entravent l’ionisation de l’air », ce qui peut nuire à la santé des occupants en favorisant, par exemple, les infections en hiver.
Retour sur l’investissement
Il calcule que le montant de 20 000 $ (installation comprise) qu’il a investi dans son système BIPV-Thermal (dont 15 000 $ pour le système PV), devrait être récupéré en moins de 15 ans, et le surcoût de la géothermie par rapport à une fournaise électrique, en moins de 10 ans. La toiture métallique a coûté 5 000 $ de plus qu’un toit en bardeau d’asphalte mais sa durée de vie (50 ans) est du double.
C’est ainsi qu’il recommanderait de ne pas dépasser des niveaux effectifs de R-34 à R-40 dans les murs et de R-45 à R-50 dans la toiture. Et de limiter la superficie du vitrage pour réduire les besoins de chauffage : « Si le mur sud du rez-de-chaussée est vitré à plus de 50 %, j’opterais pour une vitrage triple avec deux verres à pellicule de plastique faible émissivité, ce qui est plus abordable et plus léger. »
Il déplore aussi que bien des gens se désintéressent du design de maisons solaires passives parce qu’ils craignent la surchauffe durant nos étés devenus de plus en plus torrides en raison des changements climatiques. « Il faut miser sur l’ombrage extérieur comme les volets automatisés. Si on les incorporait à nos fenêtres, j’ai bon espoir que leur prix pourrait chuter de près de 90 % en dix ans comme ce fut le cas pour les ordinateurs et les capteurs photovoltaïques. J’ai d’ailleurs l’intention d’ajouter d’autres capteurs à ma maison sous peu pour me rapprocher d’une consommation énergétique nette zéro… »
Pour en savoir davantage
Building health: The need for electromagnetic hygiene? (ionisation de l'air)
