HYDRONIQUE MODERNE

Les produits dont nous avons besoin

PAR JOHN SIEGENTHALER

VOICI CINQ TECHNOLOGIES/ PRODUITS QUI POURRAIENT FAIRE AVANCER L’INDUSTRIE DE L’HYDRONIQUE

L’ innovation en matière de pro- duits a fait beaucoup avan- cer l’industrie hydronique nord-américaine au cours des 5 der- nières décennies. Dans les années 1970, un système hydronique rési- dentiel typique utilisait une chau- dière à combustible fossile pour alimenter des plinthes chauffantes dans deux ou trois zones avec de l’eau chaude brûlante. Aujourd’hui, certains systèmes utilisent des ther- mopompes géothermiques ou à air, possiblement alimentées par de l’électricité produite par des sources renouvelables, pour fournir un milieu confortable pièce par pièce en utili- sant de l’eau à la même température que celle d’une baignoire en circula- tion dans des panneaux rayonnants.

Une amélioration continue s’avère essentielle pour maintenir une industrie saine, surtout si cette industrie espère gagner des parts de marché par rapport aux technologies concurrentes. Pour favoriser la crois- sance future, les nouveaux produits et méthodes d’installation devraient comporter les caractéristiques sui- vantes (sans ordre d’importance) : • Rendre les systèmes plus faciles et plus rapides à installer. • Procurer un confort égal ou supé- rieur à celui de leurs prédéces- seurs. • Démontrer une efficacité énergé- tique accrue. • Améliorer la fiabilité du système et en réduire l’entretien. • Corriger les lacunes des produits ou méthodes d’installation exis- tants.

Avec ces objectifs à l’esprit, voici mes réflexions sur cinq produits qui, selon moi, pourraient contribuer à l’amé- lioration de la technologie hydro- nique nord-américaine.

HYDRONIQUE MODERNE 2020

De bons composants jumelés à de bonnes connaissances

· L’innovation est la clé de la croissance de l’hydronique · Les particularités de fonctionnement des systèmes air-eau

1SYSTÈME D’ISOLATION ÉTANCHE À LA VAPEUR

POUR LES VOLUTES DU CIRCULATEUR Si vous avez utilisé des circulateurs en fonte dans tout type de système de refroidissement à l’eau froide ou dans les boucles souterraines de thermopompes géothermiques, vous avez probablement remarqué ce qui se passe avec la volute, les boulons de bride en acier et même les poi- gnées en acier sur les vannes à bride d’isolement après quelques heures de fonctionnement bien en dessous de la température du point de rosée de l’air ambiant. Tous ces compo- sants sont rapidement envahis par une oxydation de surface. La figure 1 illustre l’état de tels composants.

Au fil du temps, les condensats orange couleront sur tout ce qui se trouve en dessous. Si cette rouille « superficielle » ne compromet pas le rendement des circulateurs, l’allure de l’ensemble n’a certainement rien de professionnelle.

La solution évidente consiste à ajouter une enveloppe isolante étanche à la vapeur autour de toutes les parties du circulateur autres que le boîtier du moteur et le comparti - ment de câblage.

Certains fabricants proposent des enveloppes en mousse moulées à la forme de leurs circulateurs, géné- ralement offertes pour les produits équipés de moteurs à commutation électronique (ECM) commerciaux. Ces enveloppes permettent de limi- ter la condensation, dans la mesure où elles sont correctement scellées à TOUS les endroits où l’air pour - rait entrer en contact avec une sur-

face métallique réfrigérée. Ne serait-il pas merveilleux que chaque circulateur sujet à fonctionner à des températures sous le point de rosée soit équipé d’un système d’isolation/pare-vapeur? Ce système pourrait être moulé sur place à partir d’un bloc de matériau isolant solide, épousant parfaitement la forme du circulateur, puis assemblé comme deux coquilles. Une coque en plastique creuse pourrait ensuite venir envelopper la volute et les joints de bride du circulateur. Le travail pourrait être complété par l’injection de mousse expansible.

Un joint élastomère pourrait fournir un joint étanche à l’air au boîtier du moteur du circulateur. La partie du circulateur qui entre en contact avec l’isolant pourrait être pulvérisée d’un « agent de démoulage » qui empêcherait une trop forte adhérence dans l’éventualité où l’isolant devrait être retiré pour entretien ou pour remplacement du circulateur. 2 RÉGULATEUR DE TEMPÉRATURE SIMPLE ET PEU COÛTEUX POUR

LES CIRCULATEURS ECM À VITESSE VARIABLE Au cours des 25 dernières années et plus, j’ai conçu de nombreux systèmes hydroniques comportant un ou plusieurs circulateurs équipés de moteurs à condensateur permanent standard actionnés par des régulateurs à vitesse variable. Ces régulateurs arrivaient à faire varier la vitesse du circulateur en combinant le hachage d’ondes du courant alternatif et le contrôle de fréquence.

Cependant, le monde des circulateurs évolue rapidement. Ces circulateurs à rotor noyé familiers équipés de moteurs à condensateur permanent sont sur le point de suivre le chemin des ampoules à incandescence de 100 watts. Je pré sume qu’ils seront hors de production au cours des cinq prochaines années. Les circulateurs dotés de moteurs ECM à haut rendement deviennent rapidement la nouvelle norme.

Comme les régulateurs à vitesse variable utilisant le hachage d’ondes et le contrôle de fréquence ne peuvent pas être utilisés avec les circulateurs ECM, c’est une question de temps pour que ces régulateurs suivent les circulateurs à condensateur permanent dans les annales de l’hydronique.

La bonne nouvelle est que la vitesse de plusieurs nouveaux circulateurs ECM peut être commandée par un signal d’entrée de 0 à 10 V CC (ne pas confondre avec une alimentation électrique standard de 120 V CA). Selon le scénario typique, le circulateur restera éteint jusqu’à ce que le signal de commande atteigne 2 volts. La vitesse du circulateur augmentera de façon directement proportionnelle avec la tension de la commande, pour atteindre sa pleine vitesse à 10 volts.

Ce dont nous avons besoin, ce sont des régulateurs simples et peu coûteux générant un signal de sortie de 0 à 10 V CC selon certaines conditions de température. L’utilisateur peut définir une température « cible », et la vitesse du circulateur sera augmentée ou diminuée par le régulateur afin de maintenir cette température. Cette fonction permettra de contrôler la température de l’eau d’ali

FIGURE 1 FIGURE 2

jusqu’à 3 sondes de température

régulateur

alimentation de 120 ou 240 V CA signal de commande de 0 à 10 V CC

circulateur ECM avec entrée de 0 à 10 V CC Régulateur accommodant le branchement de trois sondes

mentation et de protéger la chaudière contre la condensation.

Le régulateur devrait pouvoir gérer les commandes de température diffé rentielle, comme celles utilisées dans les systèmes solaires thermiques et les systèmes de chaudière à biomasse. Il devrait également être en mesure de fournir un mélange par injection à vitesse variable basé sur une température d’alimentation cible fixe ou une température cible calculée à l’aide d’une logique de réinitialisation extérieure. Toutes ces fonctionnalités sont accessibles par l’intermédiaire de codes sélectionnables dans le micrologiciel du régulateur. Le régulateur devrait pouvoir accommoder le branchement de trois sondes de température, comme illustré à la figure 2. 3 RÉGULATEUR MULTIFONCTION POUR LES SYSTÈMES DE CHAUDIÈRE À BIOMASSE Les chaudières à granules ou copeaux de bois conviennent à plusieurs appli cations. Ces systèmes de chaudière à « biomasse » nécessitent plusieurs fonctionnalités de commande, y compris la protection de la chaudière contre la condensation, le fonctionnement de la chaudière basé sur deux températures ou plus dans un réservoir de stockage thermique, l’injection de chaleur à vitesse variable dans un système de distribution, la commande de température différentielle pour empêcher la chaleur provenant de la chaudière d’appoint d’entrer dans le réservoir, l’activation coordonnée de la chaudière d’appoint et le zonage.

Toutes ces fonctionnalités peuvent être obtenues en combinant plusieurs régulateurs indépendants à fonction unique avec un assortiment de relais.

La figure 3 illustre un exemple de schéma de commande « multiunité » pour un système comportant une chaudière à granules de bois et une chaudière d’appoint.

FIGURE 3

échangeur de chaleur à serpentin interne en acier inoxydable ou en cuivre

Schéma de commande pour système multiunité

Bien que ces systèmes de régulation multiunités fonctionnent, leur installation et leur programmation peuvent s’avérer difficiles. Je peux attester que cet aspect a constitué un obstacle important au succès des installations de chaudière à biomasse, en particulier dans les applications résidentielles ou commerciales légères.

Cette situation pourrait être considérablement améliorée si le marché fournissait un régulateur intégré capable de gérer toutes les fonctionnalités de commande requises pour ces systèmes. Toutes les fonctionnalités existent, il suffit de les rassembler dans un seul boîtier. 4 RÉSERVOIRS INDIRECTS AVEC DE PLUS GRANDS ÉCHANGEURS DE CHALEUR À SERPENTIN L’avenir de l’hydronique repose sur de l’eau à basse température. Les sources de chaleur modernes telles que les thermopompes géothermiques eau-eau ou les thermopompes air-eau génèrent généralement de l’eau à des températures se situant entre 120 et 130 °F (48 et 54 °C). Cette plage s’avère suffisamment chaude pour de nombreux types d’émetteurs de chaleur, tels que des panneaux rayonnants ou des panneaux-radiateurs bien conçus. Elle convient également pour générer de l’eau chaude domestique – entre environ 110 et 115 °F (43 et 46 °C) – avec un échangeur de chaleur adéquat entre l’eau de la thermopompe et l’eau domestique.

La plupart des chauffe-eau indirects actuellement offerts sur le marché nord-américain se révèlent très limités dans de telles applications. Les échangeurs de chaleur à serpentin interne de ces réservoirs ne disposent pas d’une surface suffisante pour permettre le transfert de chaleur de la source – générant de l’eau à une température plus basse – à l’eau domestique, et ce au débit thermique de la source et à une température différentielle minimale de seulement 5 à 10 °F (3 à 6 °C). Il en résultera des cycles courts, des thermopompes se bloquant en cas de panne et des plaintes d’eau chaude domestique insuffisante.

La plupart des chauffe-eau indirects nord-américains ont été développés en supposant que la chaleur serait générée par une chaudière procurant de l’eau aux échangeurs de chaleur à serpentin à des températures oscillant entre 180 et 200 °F (82 et 93 °C). Remplacez cette chaudière par une thermopompe et vous vous trouvez face à un très important problème de « goulot d’étranglement » de transfert thermique.

Une solution consiste à utiliser un échangeur de chaleur externe en acier inoxydable dimensionné pour une approche mettant de l’avant de très faibles différences de température. Cette option fonctionne, mais elle s’avère sans doute plus complexe qu’un chauffe-eau indirect.

Une autre solution consiste à augmenter la surface de l’échangeur de chaleur à serpentin à l’intérieur des réservoirs indirects. On parle d’un serpentin dont la surface serait trois à cinq fois plus grande que celle d’un serpentin typique pour ce type de réservoir. De ce fait, ce serpentin occupera probablement toute la surface dans le réservoir, de bas en haut, comme illustré à la figure 3.

Les serpentins peuvent être en acier inoxydable ou en cuivre. L’eau qui les traverse peut provenir de la source de chaleur ou de l’eau domestique. Ce concept « inverse-indirect » permet au réservoir de fournir de l’eau domestique, et il fait office de tampon pour les charges de chauffage des locaux par zones. Il permet aussi d’opter pour un appareil sous pression en acier au carbone, lequel s’avère beaucoup plus abordable qu’un modèle en acier inoxydable.

Ma recommandation est d’opter pour des réservoirs avec une isolation R-24 F•h•pi 2 /Btu sur toutes les surfaces, comportant de nombreux orifices pour satisfaire une variété d’applications. Considérez ces réservoirs comme des « bouteilles thermos » de haute qualité, capables de conserver la chaleur pendant plusieurs heures ou même quelques jours sans baisse de température considérable.

5MOUSSE ÉLASTOMÈRE D’ISOLATION DES TUYAUX « PELÉE ET COLLÉE » QUI RESTE EN PLACE Ma dernière réflexion provient d’une frustration. Combien de fois j’ai observé (et dû réparer) un isolant de tuyau en mousse élastomère appelé « peel & stick » dont la jonction s’était décollée quelques semaines à peine après son installation. Je soupçonne que je ne suis pas le seul à avoir rencontré ce problème.

J’ai réglé la situation en ajoutant du ruban électrique en vinyle de haute qualité de 1,5 po (4 cm) de large par-dessus la ligne de jonction. Même si le résultat est concluant, cette étape additionnelle ne devrait pas être nécessaire. Peut-être que le produit devrait changer de nom pour peel, stick & « stay ».

Peut-être que certaines des idées partagées dans cet article pourront se concrétiser pour contribuer au progrès du marché hydronique nordaméricain.

John Siegenthaler, PE, est ingénieur en mécanique – diplômé du Renssellaer Polytechnic Institute – et ingénieur professionnel agréé. Il compte plus de 35 ans d’expérience en conception de systèmes de chauffage hydroniques modernes. Son plus récent livre est « Heating with Renewable Energy ».

VOUS AVEZ AIMÉ CET ARTICLE ? Consultez les articles antérieurs de John Siegenthaler au PCCMAG.CA dans la section ÉDITIONS PRÉCÉDENTES.

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