Refroidisseurs pour applications résidentielles et commerciales légères

PAR IAN McTEER

RECONSIDÉRER L'EFFICACITÉ DE L'EAU POUR LE CHAUFFAGE ET LE REFROIDISSEMENT DES LOCAUX

Je dois admettre que mes penchants en matière de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) tournent autour des systèmes de chauffage à air chaud forcé combinés à des unités de refroidissement d’appoint. C’est la façon dont j’ai été élevé dans le domaine du CVC. L'eau et sa tendance à fuir partout ou à restreindre et/ou corroder les évents de la fournaise m’a causé d’innombrables maux de tête lors du dépannage d’unités problématiques.

L'eau peut être un produit chimique vraiment désagréable. Oui, j’ai bien dit un produit chimique, même si on utilise rarement son nom systématique d’oxyde de dihydrogène.

Pourtant, qui n'aime pas l'eau : pour les loisirs, pour se baigner ou simplement pour boire?

L'eau s’avère également un solvant universel. Amalgamés ensemble, les atomes d'hydrogène et d'oxygène partagent des électrons créant une liaison covalente. Cependant, l'atome d'oxygène a une plus grande attraction pour les électrons qui ont tendance à rester plus près de l’atome d'oxygène plutôt que des deux atomes d'hydrogène. L'atome d'oxygène gagne ainsi une légère charge négative tandis que les atomes d'hydrogène sont légèrement positifs. Ainsi, des substances telles que le sel, le sucre, l'alcool et de nombreuses autres substances se dissolvent facilement dans l'eau. Même les autres produits de combustion du gaz naturel se combinent avec l'eau formant des acides faibles qui dégradent les échangeurs de chaleur, les raccords d'évent et les chemises de cheminée, aargh!

Cela dit, la chimie nous a également donné des stratégies pour contrer les propriétés les plus désagréables de l'eau. En outre, l’eau renferme une propriété phénoménale qui est fondamentale pour l'industrie du CVC. Lorsque j'ai commencé à prendre le chauffage hydronique plus au sérieux, j'ai appris du chroniqueur émérite de ce magazine, John Siegenthaler, que « l'eau est presque 3500 fois plus "thermiquement concentrée" que l'air. Un système hydronique n'a donc qu'à déplacer environ 1/3500 du volume de fluide que doit déplacer un système à air forcé pour générer la même quantité de chaleur. » Cette chaleur peut être utilisée pour le chauffage des locaux ou le chauffage de procédé et, bien sûr, la chaleur absorbée dans l'eau peut être efficacement retirée de tout procédé ou bâtiment.

APPLICATION COMMERCIALE VS RÉSIDENTIELLE Les refroidisseurs ont longtemps été utilisés dans les grands immeubles commerciaux, y compris les tours de bureaux de grande hauteur, les bâtiments institutionnels et les applications de refroidissement de procédé. Parfois, un bâtiment n'a besoin que de refroidissement. Par contre, dans nos climats plutôt froids, le refroidisseur sera combiné avec une chaudière pour fournir du chauffage et du refroidissement. Un réseau de tuyauterie courant sera alors utilisé pour alimenter des appareils de traitement d'air à distance ou des unités intérieures dans les locaux.

Il est intéressant de noter que certains bâtiments autrefois considérés comme parfaits pour les installations combinées refroidisseurs/chaudières, peuvent désormais être servis par la technologie à débit de réfrigérant variable (DRV) en raison de ses progrès en matière de capacité. Par exemple, elle permet le chauffage ou le refroidissement simultané à l’aide de compresseurs à vitesse variable qui permettent de réaliser des économies d'énergie considérables. Quoi qu'il en soit, l'eau déplace toujours beaucoup plus de Btu par livre que le frigorigène. Ce faisant, le

« L'eau déplace toujours beaucoup plus de Btu par livre que le frigorigène. Ce faisant, le refroidisseur commercial est susceptible de devenir un produit de CVC viable dans un avenir rapproché. »

L’ensemble de canalisations pour le système DRV illustré sur cette photo n’excède pas les recommandations du fabricant en matière de longueur et de hauteur de tuyauterie, en l’occurrence 197 pi (60 m). Néanmoins, cet ensemble ne représente qu’une partie de l’installation reliant plusieurs unités intérieures. En faisant le décompte, la tuyauterie utilisée totalise 212 pi (64 m). On peut donc dire que cette installation joue avec le feu en termes de problèmes potentiels.

refroidisseur commercial est susceptible de devenir un produit de CVC viable dans un avenir rapproché.

Sur le plan résidentiel, les systèmes d'eau réfrigérée n'ont pas été le premier choix des entrepreneurs ni des consommateurs. Le système d'eau réfrigérée résidentiel le plus connu offert aujourd'hui est sans aucun doute la thermopompe géothermique.

Les unités eau-air fournissent également du refroidissement lorsqu’elles sont jumelées à des appareils de traitement d'air, raccordés par un réseau de conduits conventionnel. Des thermopompes eau-eau sont aussi offertes avec des appareils de traitement d'air hydroniques équipés d’une source de chauffage d'appoint électrique alimentée par un nouveau réseau de conduits.

DRV ET NORMES ASHRAE 15 ET 34 Dès 1913, les ingénieurs étaient préoccupés par la quantité et le type de frigorigènes utilisés dans les espaces confinés des bâtiments. En 1978, l'ASHRAE et l’ANSI (American National Standards Institute) ont publié un document complet connu sous le nom de norme 15 qui encadre la conception, la construction, l'installation, le fonctionnement et l'entretien des systèmes de réfrigération en toute sécurité.

La norme 15 vise à garantir que les frigorigènes seront conservés dans le réseau et, qu’en cas de fuite, des procédures d'atténuation viendront réduire, voire éliminer, les impacts graves sur les personnes. La norme 15 limite la quantité de frigorigène dans les réseaux directs et exige que les réseaux à très grand volume se trouvent dans des salles mécaniques.

La norme ASHRAE 34 est un document d'accompagnement de la norme 15, lequel établit un système pour identifier les frigorigènes en attribuant des numéros de référence, en attribuant une classification de sécurité et en publiant des limites de concentration de frigorigène.

La concentration signifie la vaporisation complète d'un frigorigène libéré dans un espace confiné sans capacité de ventilation, de dissolution ou de décomposition. Les concepteurs de systèmes doivent s'assurer que les locaux conditionnés ne dépassent pas les limites de concentration. Des tuyaux et des tubes transportant du frigorigène ne peuvent pas être installés dans des espaces interdits, tels que les escaliers publics fermés, les puits qui comportent des ouvertures vers des espaces habités ou tout autre moyen de sortie du bâtiment.

Récemment, les systèmes DRV sont devenus plus populaires pour certaines applications commerciales pour plusieurs raisons : • Ils peuvent fournir un chauffage et un refroidissement simultanés. • Ils peuvent facilement être zonés. • Comme les unités sont indépendantes les unes des autres, une seule panne d’unité ne paralysera pas un bâtiment entier comme le fera un refroidisseur centralisé. • Il existe une vaste gamme d'accessoires de distribution, tels que des unités intérieures, des unités de plafond, des unités murales et des ventiloconvecteurs. • Les compresseurs à vitesse variable coûtent moins cher à utiliser.

Cependant, dans les applications à faible température ambiante, les capacités de chauffage des systèmes DRV peuvent ne pas être adéquates, nécessitant un équipement de chauffage supplémentaire. Les coûts d'installation et d’entretien peuvent ne pas valoir la peine dans certaines applications.

Les systèmes DRV ont également des limites strictes quant au déploiement et à l'élévation des tuyaux qui ne doivent pas être ignorées. Les réseaux de tuyauterie complexes doivent être installés par des installateurs agréés et expérimentés. De l'azote doit être présent pendant le procédé de brasage, et l’opération terminée, la tuyauterie doit être purgée et déshydratée conformément aux exigences du fabricant.

Systèmes d'eau réfrigérée biblocs

Compte tenu de la quantité de précieux tuyaux en cuivre devant être installés dans une construction neuve ou existante, il devient di cile d’éviter les dommages aux tuyaux/ isolants, l’infiltration d’humidité et même le vol de cuivre sur certains chantiers.

Illustration d'une application commerciale utilisant un refroidisseur à air.

résidentiels et commerciaux légers

Je vous accorde qu’un système DRV résidentiel ou commercial léger ne nécessitera jamais la quantité de tuyaux que l’on voit sur les photos ci-dessus. Cependant, il convient de se rappeler l’importance de la dimension et de la longueur des tuyaux ainsi que leur l’élévation au-dessus du compresseur. Négligés – et tels que mis en garde par le fabricant de l'équipement – ces trois paramètres influenceront négativement le rendement du système ou, pire encore, provoqueront une défaillance catastrophique du compresseur. De telles exigences conduisent souvent à des difficultés quand vient le temps de trouver l’emplacement des unités extérieures, sans parler des ensembles de conduites circulant un peu partout à l'extérieur du bâtiment.

REFROIDISSEURS MODULAIRES Des fabricants tels que Multiaqua, SpacePak (Mestek) et Chiltrix produisent des unités extérieures aireau modulaires capables de chauffer ou de refroidir l'eau traitée au glycol. Comme les thermopompes à air, les applications utilisant des refroidisseurs pour le chauffage peuvent avoir besoin de fournir de la chaleur en provenance d’une source d’appoint dans les climats froids. Il existe plusieurs raisons importantes pour les entrepreneurs en CVC d'envisager de suggérer des refroidisseurs modulaires : 1. Malheureusement, notre métier manque cruellement de techniciens et d’installateurs agréés, et la situation ne semble pas vouloir s’améliorer, du moins pas de si tôt.

Un refroidisseur modulaire n'exige pas de mécaniciens agréés pour installer les canalisations d'eau ou les appareils de traitement d'air intérieur autres qu'un électricien pour s’occuper des branchements électriques. Aucune manipulation de frigorigène signifie que des techniciens agréés peuvent être utilisés ailleurs, par exemple pour la mise en service et l'entretien. 2. Comme aucun frigorigène ne circule à l'intérieur du bâtiment, les normes

ASHRAE 15 et 34 ne s'appliquent pas.

Un refroidisseur modulaire utilise de 50 à 90 % moins de frigorigène pour accomplir la même tâche de chauffage ou de refroidissement. 3. La tuyauterie d'eau réfrigérée isolée – généralement du PEX sans oxygène – limite les pertes de capacité en permettant des longueurs de conduite presque illimitées vers les unités de traitement d'air hydroniques ou les unités intérieures. Des pompes d'appoint peuvent être utilisées dans des situations exceptionnelles. 4. Les refroidisseurs modulaires fonctionnent avec les systèmes de chauffage rayonnant dans le plancher, mais peuvent également fournir un

« refroidissement rayonnant » avec l'ajout de contrôleurs de point de rosée. 5. Les unités de distribution de dérivation hydroniques permettent un zonage intérieur qui peut inclure des unités individuelles murales en hauteur, des ventiloconvecteurs ou des unités intérieures (ou encore une combinaison de chacun).

« Dans une application commerciale légère – telle qu'un centre commercial linéaire ou une structure autonome comme un restaurant ou un gymnase – [...] un refroidisseur modulaire dispose d’avantages d’installation et de fonctionnement importants. »

EFFICACITÉ ET APPLICATION DU REFROIDISSEUR Dans les applications de climatisation, les refroidisseurs ne sont pas classés selon le taux d'efficacité énergétique saisonnier (SEER). Même un système de refroidissement correctement dimensionné se trouve à être surdimensionné 99 % du temps, de sorte que l’efficacité à plein régime d’un refroidisseur est beaucoup moins importante que son efficacité moyenne ou à charge partielle.

Les refroidisseurs sont classés AHRI pour la valeur intégrée à charge

PRÉSENTÉ PAR TTI CLIMATISATION CHAUFFAGE

Grossiste en CVAC

Créé à l’initiative de Monsieur Yvon Turcotte en 1974, Thermopompes TURCOTTE MC est une entreprise pionnière dans l’industrie de fabrication de thermopompe. La division grossiste de cette dernière devient, en 2005, TTI Climatisation Chauffage . Elle offre des produits et services aux installateurs d’appareils de climatisation, de ventilation et de chauffage. TTI Climatisation Chauffage s’efforce de vous offrir les meilleurs produits aux meilleurs prix. Notremarque maison de Thermopompes Zephyr a fait ses preuves dans l’industrie et est appréciée de nombreux installateurs et leurs clients. Ces thermopompes sont conçues pour combiner performance et efficacité, sans compromis. Offertes en version murales et centrales, simple et multi zone, elles permettent de combler tous vos besoins. Vous saurez apprécier leur faible bruit, leur facilité d’installation et d’utilisation. Nous avons une grande confiance en leur fiabilité et offrons une garantie de 10 ans sur les pièces et le compresseur. Nous offrons également tous les produits, outils et accessoires nécessaires à une installation rapide et de qualité. Nos conseillers expérimentés sauront vous offrir des solutions adaptées à vos projets et ceux de vos clients. De plus, en tant que client vous bénéficierez d’un soutien technique de premier ordre. Venez visiter l’une de nos succursales, à Longueuil ou à Québec, pour découvrir notre gamme de produits unique et notre équipe dynamique et courtoise.

tticlimatisation.com

Illustration d'une application commerciale utilisant un refroidisseur à air

partielle (VICP) basée sur une température de boucle à 44 °F (6 °C). Les fabricants proposent également une valeur non standard à charge partielle (VNSCP) pour les situations où une température de boucle à 55 °F (12 °C) peut répondre aux exigences d'une boucle à 44 °F (6 °C), et que des précautions ont été prises pour assurer une déshumidification appropriée. Une boucle à VNSCP correctement spécifiée s’avère considérablement plus efficace qu'une boucle à VICP.

La VICP d’un refroidisseur est calculée en utilisant la norme à charge partielle AHRI 550/590 plutôt que le taux de rendement saisonnier (EER) à pleine vitesse :

VICP (OU VNSCP) = 0,01A + 0,42B + 0,45C + 0,12D où : A = COP ou EER à 100 % de charge (1 % de l'unité de temps nécessite un fonctionnement jusqu'à 100 % de la capacité) B = COP ou EER à 75 % de charge (42 % de l'unité de temps nécessite un fonctionnement jusqu'à 75 % de la capacité) C = COP ou EER à 50 % de charge (45 % de l'unité de temps nécessite un fonctionnement jusqu'à 50 % de la capacité) D = COP ou EER à 25 % de charge (12 % de l'unité de temps nécessite un fonctionnement jusqu'à 25 % de capacité)

Il est possible d’estimer la consommation d'énergie annuelle d'un refroidisseur de 5 tonnes (17,6 kW) avec un COP de VICP classé AHRI de 4,56 en utilisant la formule suivante : kWh/an = Puissance nominale du refroidisseur (kW) x Heures de fonctionnement ÷ Efficacité du COP de VICP x Facteur de charge estimé, donc :

Énergie = 17,6 kW x 3000 (exemple d'heures de fonctionnement) = 52 800 kWh ÷ 4,56 COP x 0,6 (facteur de charge moyen approximatif de 60 %) = 6947 kWh/an (basé sur une tarification de 0,18 $/kWh = 1250 $ par année)

Comparons maintenant ces chiffres avec ceux d’un refroidisseur similaire de 5 tonnes avec un COP de VICP de 3,17 :

Énergie = 17,6 x 3000 ÷ 3,17 x 0,6 = 9994 kWh/an (basé sur 0,18 $/kWh = 1799 $ par année)

Ainsi, il apparaît évident que la sélection d'un refroidisseur modulaire avec un COP de VICP plus élevé classé AHRI s’avère le choix le plus efficace pour tout client potentiel. Les refroidisseurs à air modulaires ne sont pas nécessairement destinés aux applications résidentielles et commerciales légères. En effet, les bâtiments commerciaux plus grands – et même les applications de procédés – relèvent des capacités des refroidisseurs modulaires.

Dans les applications résidentielles, j'ai recommandé d'utiliser la technologie DRV plutôt que d'installer un serpentin d'évaporateur sur une fournaise nouvelle ou existante, car trop de réseaux de conduits plus anciens ne peuvent pas distribuer efficacement l'air conditionné : pas en mode chauffage, et encore moins en mode refroidissement.

Pour moi, cela n'a aucun sens de raccorder un climatiseur bibloc conventionnel à onduleur 20 SEER à un tel réseau, car un débit d'air insuffisant signifie une perte d'efficacité – pour laquelle le consommateur devra payer!

Un refroidisseur modulaire installé dans une application résidentielle utilisant une boucle isolée pourrait facilement prendre en charge une variété d'options de distribution comme un système DRV. Une fois les considérations de tuyauterie au frigorigène retirées de l’équation, l'eau réfrigérée peut facilement être zonée dans toute la résidence.

De même, dans une application commerciale légère – telle qu'un centre commercial linéaire ou une structure autonome comme un restaurant ou un gymnase – je suis d’avis qu'un refroidisseur modulaire dispose d’avantages d’installation et de fonctionnement importants par rapport à une unité de toit avec canalisation traditionnelle ou même à un système DRV à plusieurs unités murales.

John Siegenthaler m’a présenté l’idée d’un réseau hydronique sous l’image d’une «courroie de convoyeur à Btu». Je comprends maintenant à quel point mon vieil ennemi est intrinsèquement bénéfique pour générer, non seulement un confort thermique, mais aussi des économies d'énergie exceptionnelles. Pas d’équivoque, l'eau est la voie à suivre!

Application résidentielle

Ian McTeer est un consultant en CVC comptant 35 ans d’expérience dans l’industrie. Il est mécanicien en réfrigération et technicien gazier, classe 1.