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Particularité des petits systèmes de refroidissement hydroniques
PAR JOHN SIEGENTHALER
L’UTILISATION DE L’EAU FROIDE POUR LE REFROIDISSEMENT RÉSIDENTIEL REQUIERT LE RESPECT DE CERTAINES RÈGLES
La plupart des technologies hydroniques modernes utilisées en Amérique du Nord pour les bâtiments résidentiels et commerciaux légers sont destinées au chauffage. Les sources de chaleur hydroniques – allant des chaudières et thermopompes aux capteurs solaires thermiques – peuvent être combinées avec plusieurs types de systèmes de distribution et d’émetteurs de chaleur. Cela permet aux systèmes d’être configurés pour satisfaire des besoins de confort très précis ainsi que des préférences esthétiques, des considérations budgétaires et des choix de carburant.
Depuis des décennies, ceux qui s’intéressent à la polyvalence et au confort supérieur du chauffage hydronique ont dû prendre des décisions en matière de refroidissement. Doit-on oublier cette avenue? Doit-on installer un système de refroidissement à air forcé distinct? Ou, y a-t-il un moyen de fournir du refroidissement résidentiel à l’aide d’un système hydronique?
Ceux qui ont eu affaire à des systèmes de CVC destinés aux grands bâtiments commerciaux ou industriels savent que la réponse à cette question est oui. Les systèmes de refroidissement à l’eau réfrigérée sont utilisés dans de nombreux grands bâtiments depuis des décennies. Ces derniers tirent ainsi parti de la capacité de transport de chaleur considérablement supérieure de l’eau par rapport à celle de l’air.
L’eau réfrigérée peut parcourir de longues distances à travers des tuyaux isolés de très petite dimension par rapport à des conduits de capacité de transport de refroidissement équivalente. L’eau refroidie passe ensuite à travers un serpentin dans un appareil de traitement d’air, où elle absorbe la chaleur d’un flux d’air.
Au 20e siècle, l’utilisation de l’eau froide pour refroidir les petits bâtiments n’était pas très populaire. Cela était en partie dû au manque de dispositifs capables de produire efficacement de l’eau réfrigérée dans la plage de température (relativement petite) convenant aux applications de petits bâtiments.
Cette situation problématique a considérablement changé au cours des deux dernières décennies. Aujourd’hui, il existe de nombreuses thermopompes eau-eau et air-eau qui peuvent fournir à la fois du chauffage et du refroidissement. La plupart de ces unités fonctionnent à l’électricité et sont équipées de systèmes de réfrigération à compression de vapeur éprouvés.
Certains refroidisseurs offerts utilisent le refroidissement par cycle d’absorption, et ils sont alimentés au gaz naturel ou au propane. Tous ces appareils peuvent générer de l’eau réfrigérée dans la plage de température 45-50 °F (7-10 °C) généralement requise pour le refroidissement sensible et latent.
OPTIONS D’UNITÉ INTÉRIEURE Il existe plusieurs types de ventiloconvecteurs et de petits appareils de traitement d’air qui peuvent utiliser de l’eau réfrigérée pour générer de l’air
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Peu de compagnies de fabrication et d’assemblage peuvent se targuer d’avoir prospéré pendant plus de quatre décennies dans une communauté, tout en faisant partie d’une entreprise familiale centenaire évoluant à l’échelle mondiale. Viessmann Canada a, non seulement réussi ce tour de force, mais elle est maintenant en train de faire prendre le virage numérique à ses produits en se lançant dans une nouvelle ère passionnante. La plus récente démarche de la société en ce sens se traduit par l’agrandissement de ses installations de recherche et développement dans le but de mettre au point de nouvelles interfaces numériques innovantes pour ses nouveaux systèmes de commande de chauffage élégants et connectés à Internet réclamés par le marché nord-américain moderne. « Le numérique constitue maintenant notre marché de prédilection », déclare Harald Prell, président de Viessmann Canada – lequel travaille pour l’entreprise depuis que sa famille a immigré d’Allemagne en 1980, et qui a relevé le défi de la direction des installations canadiennes avec enthousiasme. MISER SUR LA TECHNOLOGIE POUR SATISFAIRE LE MARCHÉ Nul doute que l’industrie du chauffage est devenue un secteur de haute technologie. Viessmann a donc emboîté le pas à cette nouvelle réalité pour devenir une entreprise de fabrication moderne axée sur la technologie. Les consommateurs nord-américains veulent des interfaces numériques intuitives et conviviales. C’est pourquoi Viessmann a récemment décidé d’agrandir son équipe de recherche et développement à Waterloo. « Ce que nous voulons faire au cours des prochaines années c’est de développer des produits dédiés au marché nord-américain qui répondront à la demande future », fait valoir M. Prell. « Par le passé, nous avons pris les produits européens, les avons modifiés et les avons vendus ici. Notre nouvelle stratégie se veut de développer et de concevoir ici les produits destinés aux marchés d’ici. » Lukas Loidol, qui travaille chez Viessmann depuis 2011 et qui a emménagé à Waterloo il y a environ un an pour occuper le poste de directeur de l’ingénierie en Amérique du Nord, appuie cette vision de développement. « Nous nous concentrons vraiment sur l’élaboration de fonctionnalités propres aux besoins de l’Amérique du Nord et d’interfaces utilisateurs adaptées aux applications nord-américaines. » Le laboratoire de l’entreprise existe depuis le début des années 1990 et comprend une gamme impressionnante d’équipements tels qu’une chambre de contrôle climatique utilisée pour les tests d’efficacité et la certification; un laboratoire d’essais agréé CSA ; et un équipement d’essais à l’oxyde d’azote. Il comptera désormais également davantage d’équipements liés au développement de produits numériques. L’équipe de recherche et développement prend aussi de l’ampleur. Quelques nouveaux postes ont déjà été créés, et on prévoit de se rendre à une douzaine de nouvelles personnes, indique M. Loidol. L’objectif de l’entreprise en Amérique du Nord s’avère, non seulement de vendre davantage d’équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) plus écoénergétiques, mais aussi d’aider ses différents clients à fournir des solutions complètes, afin qu’ils puissent à leur tour offrir de meilleurs services de commande et de maintenance prédictive aux propriétaires de maison. « Le propriétaire ne se contente plus d’un simple appareil de chauffage. Il veut pouvoir commander son appareil à distance et ne plus avoir à se préoccuper du moment de son entretien. Nous pouvons utiliser l’intelligence artificielle pour prendre soin de ces aspects et intégrer l’équipement dans le réseau de maintenance, de sorte que vous ne vous réveilliez pas un matin sous une douche froide », explique M. Loidol. Les entrepreneurs aussi veulent disposer d’une interface utilisateur plus intuitive pour la mise en service. « Ils pourront ainsi procéder à ces opérations sur leur iPad bien assis dans leur bureau à domicile, au lieu de le faire debout devant la chaudière ». Article rédigé par Waterloo EDC – 2020
refroidi et déshumidifié. Certains de ces ventiloconvecteurs sont de types « console », comme l’unité illustrée à la figure 1.
Ces ventiloconvecteurs sont fixés sur la partie inférieure des murs et ils sont généralement dimensionnés pièce par pièce. Ils sont équipés d’un ventilateur qui souffle de l’air à travers un serpentin. Ils peuvent être utilisés pour le chauffage lorsqu’ils sont alimentés en eau chaude et pour le refroidissement lorsqu’ils sont alimentés en eau froide. Lorsque l’air chaud et humide traverse le serpentin, il est refroidi et déshumidifié. L’eau retirée du flux d’air entrant se condense sur le serpentin et finit par dégoutter de celui-ci.
Il est donc essentiel que tout ventiloconvecteur console utilisé avec de l’eau réfrigérée comporte un bac de retenue des condensats (ce ne sont pas tous les modèles qui en sont équipés). Ce bac de retenue doit être raccordé à un tuyau d’évacuation des condensats. Selon le code en vigueur, le lieu d’évacuation des condensats peut varier. Certains codes permettent un raccordement à la tuyauterie d’évacuation (DWV) du bâtiment, d’autres l’interdisent.
Je préfère garder les tuyaux d’évacuation de condensats séparés des autres réseaux d’évacuation. Les faire aboutir juste au-dessus d’un avaloir de sol au sous-sol s’avère une option. Les faire sortir à l’extérieur du bâtiment – en traversant un soffite, par exemple – constitue une autre option. Même les petits ventiloconvecteurs consoles peuvent générer plusieurs gallons de condensats pendant les journées chaudes et humides.
Un autre type de ventiloconvecteur fixé sur la partie supérieure des murs est l’unité murale d’un système bibloc. Un exemple de cette unité est illustré à la figure 2. Ces unités sont très similaires aux unités utilisées dans les systèmes de thermopompe bibloc sans conduit, à la différence que leurs serpentins internes sont conçus pour de l’eau plutôt que du frigorigène. Ils offrent une capacité de refroidissement totale allant d’environ 6000 à 24 000 Btu/h (0,5 à 2 tonnes).
La plupart de ces unités sont équipées de ventilateurs à haute efficacité et vitesse variable, de registres d’air poussé oscillants et de télécommandes de réglage des modes de fonctionnement. Ces unités peuvent également être utilisées pour le chauffage.
Une autre option consiste à installer un ou plusieurs appareils de traitement d’air. Le principe s’avère le même qu’avec un ventiloconvecteur, à la différence que la distribution d’air passe par des conduits au lieu de provenir directement de l’unité. L’eau réfrigérée s’écoule à travers un serpentin constitué de tuyaux en cuivre et d’ailettes en aluminium.
L’air entrant est tiré à travers ce serpentin, où il est refroidi et déshumidifié dans sa course vers l’entrée d’une soufflante. Cette soufflante expulse ensuite cet air conditionné à travers un réseau de conduits en direction de plusieurs registres ou diffuseurs.
La plupart des appareils de traitement d’air, tel que celui illustré à la figure 3, sont conçus pour être installés hors de vue. Les appareils de traitement d’air verticaux peuvent être montés au sous-sol, dans un placard, sous un escalier ou à un autre endroit accessible. Les appareils de traitement d’air horizontaux peuvent être suspendus à la structure du plancher depuis le sous-sol, montés sur une plateforme dans le grenier ou au-dessus de l’arche de porte dans un placard. De nombreux petits appareils de traitement d’air peuvent être configurés pour un montage vertical ou horizontal avec un minimum de manipulation sur le terrain.
Lors du choix de l’emplacement des appareils de traitement d’air, il est important de prendre en compte les activités d’entretien de routine tel que les changements de filtre ou autres travaux. Il est recommandé de s’assurer que l’appareil de traitement d’air pourra être retiré dans son ensemble, si nécessaire, sans devoir scier des murs ou des cadrages ni devoir démonter l’appareil.
Chaque fois qu’un appareil de traitement d’air est monté au-dessus de surfaces finies, telles que des cloisons sèches, je préfère l’installer dans un bac de retenue secondaire, comme celui illustré sous l’appareil à la figure 3. Ce bac en plastique moulé servirait alors de bassin collecteur pour les condensats si le bac de retenue des condensats principal dans l’appareil de traitement d’air venait à fuir.
Le bac de retenue secondaire se raccorde généralement au même tuyau d’évacuation des condensats que le bac de retenue du système de traitement d’air. Dans certains systèmes, ces bacs sont équipés d’un petit interrupteur à flotteur qui peut être câblé de sorte à arrêter le débit d’eau réfrigérée et la soufflante s’il détecte une augmentation du niveau d’eau, ce qui signifierait une défaillance du bac de retenue principal.
Unité murale d’un système bibloc
AUTRES ÉLÉMENTS À CONSIDÉRER Voici quelques autres éléments à prendre en considération lors de la conception des petits systèmes de refroidissement à l’eau réfrigérée :
S’assurer que tous les tuyaux et composants de tuyauterie transportant de l’eau froide sont isolés, et que l’isolant est étanche à la vapeur. Cet aspect se révèle essentiel pour empêcher la condensation de surface sur la tuyauterie et les autres composants. Tous les jonctions et joints de l’isolant doivent être collés (ou autrement scellés) pour s’assurer que l’air chargé d’humidité n’entrera pas en contact avec la tuyauterie. Les isolants acceptables s’avèrent la mousse élastomère ou la fibre de verre, à condition que cette dernière soit enveloppée d’une gaine en PVC scellée.
Ne pas essayer de « tricher » sur l’isolation des tuyaux ou les pare-vapeur. Il suffira de quelques heures de fonctionnement par temps humide pour dessiner une tache d’eau laide et coûteuse sur les plafonds de cloisons sèches. Certains composants tels que les volutes et les vannes de circulateur ne se prêtent pas à une isolation cylindrique. Ils doivent donc être isolés autrement. Un ruban élastomère flexible autoadhésif constitue une avenue de solution. Une autre option consiste à acheter de la mousse élastomère en feuilles et à découper soigneusement des formes qui s’adapteront à chaque composant. Ces découpes personnalisées peuvent ensuite être jointes avec de l’adhésif isolant. Un ruban isolant de haute qualité peut également être utilisé pour « gainer » les assemblages d’isolation.
Ne pas surdimensionner le serpentin du système de traitement d’air. Les serpentins surdimensionnés réduiront rapidement la température de l’air dans un local, et ils permettront d’atteindre la température de consigne avant que l’humidité ait pu être éliminée convenablement. Il en résultera un air frais mais « moite ».
Si le système de refroidissement est zoné, qu’il comporte plusieurs ventiloconvecteurs ou appareils de traitement d’air, et qu’il est alimenté par une thermopompe à vitesse fixe, il faut s’assurer d’inclure un réservoir tampon. Un appareil de traitement d’air de 2 tonnes alimenté par une thermopompe de 4 tonnes sans réservoir tampon fera baisser rapidement la température de l’eau au point où la thermopompe s’éteindra d’elle-même pour avoir atteint sa limite inférieure de température ou de pression. Cette opération s’avère nécessaire pour éviter que l’eau ne gèle à l’intérieur du refroidisseur et ne casse la tuyauterie.
Convenir avec les propriétaires du nettoyage des bacs de retenue de tous les ventiloconvecteurs et appareils de traitement d’air à la fin de la saison de refroidissement. Il existe plusieurs biocides sur le marché, spécialement formulés pour réduire la croissance des moisissures dans les bacs de retenue, mais aucun ne remplace un bon nettoyage avec un détergent suivi d’un essuyage.
Régler le réservoir de dilatation à une pression d’air légèrement inférieure afin que de l’eau reste dans le réservoir à température ambiante. Le but de cette démarche est d’empêcher le diaphragme de « coller » contre la paroi du réservoir lorsque le système fonctionne avec de l’eau réfrigérée. Cela se révèle particulièrement important dans les systèmes équipés de réservoirs tampons. Plus le volume du système est élevé, plus le « rétrécissement » sera important lorsque l’eau se refroidira bien en dessous de la température ambiante. Si le diaphragme se colle sur la paroi du réservoir de dilatation, la pression dans certaines parties du système pourrait chuter sous la pression atmosphérique et entraîner l’aspiration d’air dans le système par les évents.
Étant donné l’intérêt croissant pour les thermopompes, il est probable que les petits systèmes de refroidissement par eau froide soient de plus en plus utilisés. Voici un exemple de scénario : un chauffage hydronique moderne est fourni dans un bâtiment par une ou plusieurs thermopompes eau-eau ou aireau. Dans ce cas, le « refroidisseur » fait déjà partie du système. Il s’agit simplement de modifier le réseau de distribution.
Appareil de traitement d’air dissimulé mais accessible
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 ».
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Consultez les articles antérieurs de John Siegenthaler au PCCMAG.CA dans la section ÉDITIONS PRÉCÉDENTES.
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