La première fois que les joueurs de la Ligue nationale de hockey (LNH) ont sauté sur la glace du Centre Vidéotron, en septembre 2015 (c’était lors d’un match préparatoire entre les Canadiens de Montréal et les Pingouins de Pittsburgh), les senseurs situés sous la patinoire ont automatiquement réagi. La patinoire subissait un coup de chaleur produit par la friction des patins. Le cycle de réfrigération s’est d’abord déclenché et la température de la glace a pu se maintenir à -4°C. Les spectateurs n’ont rien vu, mais un exploit technologique venait d’avoir lieu.
Certes, on le sait, pour fabriquer leur glace, les arénas petits et grands utilisent un système de réfrigération mécanique semblable à celui de nos congélateurs. En bref, un gaz – fréon, ammoniac ou CO2 – est comprimé puis liquéfié dans un condenseur pour refroidir un circuit. Lorsque ce liquide absorbe la chaleur, il retourne à l’état gazeux et le cycle recommence.
Au Centre Vidéotron, le système de réfrigération mécanique utilise l’ammoniac car, d’un point de vue énergétique, c’est le réfrigérant le plus efficace répondant aux normes de la LNH. Ce réfrigérant sert à refroidir de l’éthylène glycol, un liquide similaire au lave-vitre, qui circule dans la dalle de béton de la patinoire pour en réfrigérer la surface. Fait à noter, un circuit de chauffage court également sous la dalle pour éviter que le béton se fissure.
Dans le but d’obtenir une certification LEED (Leadership in Environmental and Ecological Design), on a aussi installé un important système de récupération de chaleur dans l’amphithéâtre, ce qui réduit de moitié (49%) sa consommation énergétique. «Par exemple, toute l’énergie dégagée par les compresseurs pour faire la glace peut être réutilisée dans le réseau de chauffage de l’amphithéâtre», explique Samuel Paradis, ingénieur de SNC-Lavalin responsable de la surveillance de chantier et chargé de projet pour la réfrigération, la ventilation et la plomberie à l’amphithéâtre de Québec.
De l’eau qualité premium
On ne peut pas se servir de n’importe quelle eau pour fabriquer la glace. C’est la LNH qui en fixe les normes de qualité. Pour une glisse optimale, l’eau doit d’abord être déminéralisée, grâce à un système d’osmose inversée. «Les impuretés, comme les minéraux ou les gaz, sont rejetées par les cristaux de glace. Lorsqu’elles s’accumulent, ces impuretés causent des zones plus fragiles», explique Patrick Ayotte, physicien de formation et professeur de chimie à l’Université de Sherbrooke.
L’eau est alors chauffée entre 71 °C et 82 °C, ce qui réduit la quantité de gaz qui y est dissout, avant d’être pulvérisée afin de former de fines couches de glace. «Après avoir éliminé l’air et les minéraux, l’eau gèle presque instantanément lorsqu’elle tombe sur le béton réfrigéré», spécifie Claude Deslauriers, responsable de la glace du Centre Vidéotron. Pour atteindre une épaisseur de 2,5 cm à 3,8 cm, il faudra superposer, sur une période de 3 jours, près de 150 couches d’eau translucide, blanche ou colorée selon qu’on réalise le fond, les lignes ou les publicités.
La peinture ajoute un coefficient de difficulté lors de la préparation, car elle doit être soluble dans l’eau, souligne Pierre Beaudet, technicien de la glace qui a lancé Science de la glace, une entreprise spécialisée dans ce type de surfaces. «L’eau colorée doit être appliquée à une température de -10 °C pour assurer la stabilité de sa molécule. Car dès que la température atteint -3 °C, cette molécule se sépare de la peinture», ajoute le spécialiste.
Le défi de la glace intérieure
Si fabriquer de la glace est plutôt simple, produire et conserver une glace de qualité professionnelle, c’est une autre histoire. Et c’est un sacré défi, dans un amphithéâtre où plus de 18 000 spectateurs dégagent chaleur et humidité, deux facteurs qui ont une influence majeure sur la qualité de la glace. Car dès que le taux d’humidité augmente, il se forme de la condensation à la surface de la patinoire, et la glace ramollit, rappelle Samuel Paradis.
On a commencé à présenter des matchs de hockey à l’intérieur vers 1875. À l’époque, comme on peut l’imaginer, les arénas étaient mal ventilés. La condensation était parfois telle qu’un épais brouillard se formait. Même dans l’ancien Colisée de Québec, bâti en 1949 et rénové dans les années 1990, il n’était pas rare que la température ambiante monte de 10 °C pendant un match, pour atteindre 28 °C! Encore aujourd’hui, dans plusieurs amphithéâtres de la LNH, des déshumidificateurs doivent être ajoutés lors des matchs des séries éliminatoires de mai et de juin, pour assurer la qualité de la glace.
Heureusement, les plus récents arénas de la Ligue, comme celui de Dallas, sont équipés de déshumidificateurs de haute performance. Cela change tout, soutient Simon Gagné, joueur étoile de la LNH qui a remporté la Coupe Stanley avec les Kings de Los Angeles en 2012. «Dans ces nouveaux amphithéâtres, explique-t-il, la glace est plus dure. C’est plus facile pour les jambes; on croit voler au-dessus de la patinoire. Et on peut beaucoup mieux maîtriser la rondelle.»
Pour maintenir dans le Centre Vidéotron le taux d’humidité déterminé par la LNH – entre 30% et 40% d’humidité relative pour une température se situant entre 16 °C et 18 °C –, la ville de Québec a installé un système dit «à roue dessiccante». Ce système permet un transfert d’humidité dans une roue en mouvement, où l’air froid qui pénètre dans l’amphithéâtre est déshumidifié lorsqu’il entre en contact avec de l’air chaud et sec qui est par la suite évacué. De plus, explique l’ingénieur Samuel Paradis, dans la roue se trouve un gel de silice (similaire au gel ensaché que l’on met dans les boîtes de chaussures) qui absorbe l’humidité. Selon Simon Gagné, l’installation de cette technologie de pointe avantagera les joueurs, surtout les plus rapides, puisque la glace restera belle plus longtemps.
Le contrôle de l’humidité n’est cependant qu’une pièce du casse-tête. La ventilation en est une autre. Au Centre Vidéotron, on a encore innové en misant sur un système unique au monde dans un amphithéâtre: la ventilation par déplacement. Les ingénieurs de SNC-Lavalin se sont inspirés d’un concept déjà développé pour la Maison symphonique de Montréal et le Palais Montcalm à Québec. C’est en travaillant avec les équipes de design et de simulation tridimensionnelle en flux numérique que l’idée de créer un bouclier thermique leur est venue.
Ainsi, au lieu de propulser de l’air du plafond vers le bas, comme dans la plupart des amphithéâtres, la ventilation par déplacement s’effectue au niveau des gradins, derrière les dosserets des sièges où, l’air circulant très lentement, la turbulence se trouve réduite. «En ventilant à leur hauteur, on peut mieux oxygéner et rafraîchir les spectateurs», explique Samuel Paradis. De plus, comme ce système est moins bruyant que la ventilation habituelle, il peut aussi servir lors de spectacles.
Autre innovation, toujours à Québec: la ventilation par le tableau d’affichage. «On diffuse de l’air froid sous le tableau d’affichage pour maintenir une zone à basse température au dessus de la patinoire. Et comme cette technique de ventilation permet une stratification de l’air, donc un contrôle ciblé de la température, l’air est moins froid dans les gradins», ajoute le jeune ingénieur de 33 ans.
Complètement informatisé, le réseau de domotique du Centre Vidéotron permet de voir comment le bâtiment se comporte en temps réel et d’ajuster les paramètres selon les besoins. La température, l’humidité et la vitesse de l’air peuvent ainsi être contrôlées indépendamment dans chacun des quatre secteurs de l’amphithéâtre. «Avec le temps, on pourra mesurer et analyser les tendances pour mieux comprendre comment le bâtiment réagit et pour calibrer les équipements», dit Samuel Paradis, fier d’avoir été en mesure de livrer l’édifice dans le temps et le budget prescrits.
Un budget de 7 millions de dollars a été prévu pour assurer la conformité aux normes et faire les ajustements qui s’imposent au cours de la prochaine année, ajoute Louis Tremblay, adjoint au directeur du projet pour la Ville de Québec.
D’ici un an, le Centre Vidéotron fabriquera l’une des plus belles glaces du monde. Reste à voir si un jour, une équipe appelée «Nordiques» pourra en profiter!
Trois mystères de la glace
1. Elle glisse… pourquoi?
C’est seulement depuis la fin des années 1990 que l’on a découvert pourquoi la glace glisse! Il faut dire qu’elle est unique: c’est le seul matériau solide autolubrifiant. «Quand on observe la surface de la glace au microscope, on peut voir une mince couche semi-liquide, explique le professeur de chimie Patrick Ayotte. Cette couche se forme, même si la température est sous le point de congélation (jusqu’à -157 °C). C’est cette “lubrification” caractéristique de la glace qui fait que l’on peut patiner», dit-il. Aucun autre solide ne possède cette propriété.
2. L’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide… des fois
Au début des années 1960, le Tanzanien Ernesto Mpemba, alors élève au secondaire, tentait de faire de la crème glacée à partir de lait porté à ébullition. Pressé par le temps, il a congelé le liquide bouillant sans le refroidir… pour se rendre compte que le lait avait gelé plus rapidement que celui refroidi par ses amis! Dénommé l’effet Mpemba, ce paradoxe, connu depuis l’Antiquité, a par la suite été observé par plusieurs scientifiques. Mais personne n’a encore compris pourquoi. L’effet Mpemba, avance-t-on, serait la somme de différents effets comme l’évaporation, la surfusion, les courants de convection qui accélèrent les transferts thermiques et l’élimination des gaz dissous lorsque l’eau est chauffée. À suivre.
3. La masse volumique de la glace est moindre que celle de l’eau
On n’a pas fini de percer les secrets de la molécule H2O. Récemment, on a observé plusieurs anomalies de l’eau en état de surfusion, qui demeure parfois liquide à des températures allant jusqu’à -10 °C, note le professeur Patrick Ayotte.
«Si on peut connaître tous les aspects de la molécule individuelle, le comportement collectif des molécules d’eau est différent de ce que leur structure laisse prévoir», ajoute-t-il. Comme si les molécules d’eau avaient un «comportement social, car les interactions émergent de l’ensemble». Ces interactions expliquent en partie une autre anomalie: la masse volumique de la glace – c’est-à-dire le rapport entre la masse et le volume – est plus faible que celle de l’eau, ce qui est inusité pour un solide. Au total, 72 anomalies de la molécule H2O ont été répertoriées.
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