Comment des charges inadaptées dans un système de pompe à chaleur à double température peuvent limiter les performances

Considérons le système de pompe à chaleur à double température illustré à la figure 1.

*Image gracieuseté de John Siegenthaler*

La pompe à chaleur air-eau a une puissance calorifique nominale de 4 tonnes (48 000 Btu/h). Il alimente un appareil de traitement d'air ainsi qu'une dalle de béton chauffée.

Dans les conditions de charge nominale, le système de traitement d'air est évalué à 20 000 Btu/h à une température d'eau d'alimentation de 120 ºF. La dalle est conçue pour libérer 20 000 Btu/h lorsqu'elle est alimentée en eau à 105 ºF.

Pour produire ces différentes températures d'eau d'alimentation, l'installateur décide de régler les commandes de la pompe à chaleur pour une température d'alimentation de 120 ºF et d'utiliser un mitigeur motorisé à 3 voies pour réduire la température de l'eau des circuits de chauffage au sol.

Lorsque seul le système de traitement de l'air fonctionne, la pompe à chaleur est capable de fournir de l'eau à 120 ºF. Lorsque la dalle chauffée fonctionne toute seule, la pompe à chaleur n'a aucun problème à fournir la température d'eau requise. Cependant, lorsque la zone de chauffage au sol et le système de traitement d'air fonctionnent en même temps et que la température de l'air extérieur est d'environ 24 ºF, la température du fluide à la sortie de la thermopompe ne peut pas dépasser 103 ºF.

Qu'est-ce qui ne va pas?

Tous les systèmes hydroniques cherchent à fonctionner à « l’équilibre thermique ». Il s'agit d'un état stable dans lequel le taux de production de chaleur par la source de chaleur est le même que le taux de dissipation thermique par la charge.

Plus la surface de l’émetteur de chaleur disponible pour dissiper la chaleur est grande, plus la température de l’eau sera basse lorsque l’équilibre thermique sera atteint.

La figure 2 montre comment la puissance calorifique de la dalle de plancher et du système de traitement d'air varie en fonction de la température de l'eau d'alimentation. La température de l'air ambiant est supposée être de 70 ºF.

À une température d’eau d’alimentation de 103 ºF, la capacité de chauffage de la thermopompe est la même que la capacité totale de dissipation thermique du système de distribution. C'est là que ce système atteint l'équilibre thermique. La zone de chauffage par le sol fonctionne bien dans ces conditions, mais le rendement du système de traitement d'air est nettement inférieur à ce qui était prévu en supposant qu'une eau d'alimentation à 120 ºF serait disponible.

Ce qu'il faut faire?

Une façon de résoudre ce problème consiste à installer une pompe à chaleur ayant une capacité de chauffage plus élevée. Cela déplacerait le point d'équilibre vers le haut et vers la droite, permettant une température d'alimentation en eau plus élevée pour le système de traitement de l'air dont les deux charges fonctionnent en même temps. Cependant, cette température d'alimentation plus élevée pourrait ne pas atteindre 120 ºF dans les conditions de charge de conception.

Au-delà de cette incertitude, il y a le remplacement intimidant et très coûteux de la pompe à chaleur existante par une unité de plus grande capacité. Cela pourrait également entraîner des cycles courts dans des conditions de charge partielle, surtout si la plus grande pompe à chaleur est une unité à vitesse unique.

Changer de chambre

Une approche plus pratique consiste à « partager » la puissance calorifique de la pompe à chaleur entre les deux charges. J'appelle cela le « basculement de charge ». Cela nécessite de détecter le moment où les deux charges demandent un fonctionnement en même temps. Lorsque cela se produit, les commandes doivent permettre à une seule charge de fonctionner pendant une durée spécifique, puis passer à l'autre charge, comme seule charge, pendant une autre durée spécifique. Par exemple, lorsque les deux charges de la figure 1 nécessitent un fonctionnement en même temps, le chauffage de la dalle peut fonctionner pendant 25 minutes avec le système de traitement d'air éteint, suivi du fonctionnement du système de traitement d'air pendant 35 minutes avec la dalle éteinte.

Le basculement de charge peut être effectué à l'aide d'un relais temporisé à cycle de répétition, tel que celui illustré à la figure 3.

Ce relais dispose de plusieurs modes de fonctionnement et paramètres pour ces modes. Pour l'application de basculement, le paramètre de mode serait « clignotant ». Pour le relais illustré à la figure 3, la durée pendant laquelle chaque cycle des contacts du relais se produit est réglable de 0,05 seconde à plus de 100 heures. Pour cette application, un intervalle de temps de plusieurs minutes est approprié. Par exemple, permettre au système de traitement d'air de fonctionner pendant 30 minutes sans apport de chaleur à la dalle, puis l'éteindre et permettre au chauffage de la dalle de fonctionner pendant les 20 minutes suivantes sans apport de chaleur au système de traitement d'air. Cet intervalle de 30/20 se répète ensuite tant que les deux charges demandent de la chaleur.

Pour le relais de la figure 3, ces intervalles de temps sont facilement réglables. Ce relais est doté de contacts bipolaires/double direction (DPDT) et se monte dans une prise de relais octale standard à 8 broches. Il est activé pour fonctionner chaque fois que 24 VAC est appliqué à la bobine.

La figure 4 montre un schéma de câblage dans lequel le relais temporisé à cycle de répétition (RCR) est combiné avec 4 autres relais unipolaires/doubles (SPDT).

Les relais (R1) et (R2) ont des bobines de 120 VCA et sont câblés en parallèle avec leur circulateur de zone associé. Leur fonction est de « détecter » quand leur circulateur de zone associé est appelé à fonctionner par le panneau de relais multizone.

Un contact normalement ouvert dans le relais (R1), désigné par (R1-1), est câblé en série avec un contact normalement ouvert dans le relais (R2), désigné par (R2-1). Lorsque ces deux contacts sont fermés, le 24 V CA du panneau de relais de zone ou un transformateur 24 V CA séparé passe à la bobine du relais temporisé (RCR) à cycle de répétition et commence son premier cycle de temporisation.

Le relais (RCR) a été configuré pour que le premier cycle de temporisation active immédiatement l'état du contact suivant :

Le RCR-1 se ferme
La bobine R3 est sous tension
R3-1 NC s'ouvre (arrêt du circulateur du système de traitement d'air)
RCR-1 NC s'ouvre
La bobine R4 est éteinte
R4-1 NC reste fermé (permettant le fonctionnement du circulateur de dalle)

A la fin du premier cycle de temporisation, l'état des contacts du relais devient le suivant :

RCR-1 s'ouvre
La bobine R3 est éteinte
R3-1 NC se ferme (permettant au circulateur du système de traitement d'air de fonctionner)
RCR-1 NC se ferme
La bobine R4 est sous tension
R4-1 NC s'ouvre (arrêt du circulateur dalle)

À la fin de la deuxième période, les actions de « basculement » ci-dessus se répètent tant que les deux charges demandent encore de la chaleur. Lorsqu'une seule charge fonctionne, le relais temporisé (RCR) du cycle de répétition n'est pas alimenté et les contacts du relais R3-1 NC et R4-1 NC sont tous deux fermés. La charge active est contrôlée uniquement par son thermostat associé.

Facile à acquérir : les relais (R1), (R2), (R3) et (R4) sont de simples relais unipolaires double direction (SPDT). (R1) et (R2) doivent avoir des bobines nominales de 120 VCA, tandis que (R3) et (R4) doivent avoir des bobines nominales de 24 VCA avec des bobines de 24 VCA. Les contacts des relais (R1) et (R2) ne gèrent qu'une fraction d'un ampère dans les circuits basse tension. Les contacts des relais (R3) et (R4) gèrent le courant nécessaire au fonctionnement de l'un des circulateurs. La plupart des pompes des zones résidentielles et commerciales légères ne nécessitent que 1 à 2 ampères.

La figure 5 montre un produit pouvant être utilisé pour les relais (R3) et (R4). Il s'agit d'un OMRON G2S-1-S, avec une bobine 24VAC et des contacts évalués jusqu'à 10 ampères. Un relais très similaire, OMRON G2S-1-T, possède une bobine de 120 VAC et peut être utilisé pour les relais (R1) et (R2).

Vous pouvez acheter ces relais en ligne dans une fourchette de prix allant de 4 $ à 9 $ chacun selon la quantité. Ils peuvent être montés sur des supports de relais ou directement câblés à l'aide de bornes à connexion rapide, comme indiqué sur la figure 4.

Ces relais sont dotés de boîtiers en plastique transparent à travers lesquels vous pouvez voir les contacts. Les deux contacts qui se touchent sont les contacts normalement fermés. Les deux contacts séparés par un espace sont les contacts normalement ouverts. Les deux connexions pour la bobine sont regroupées. Les trois connexions pour les contacts sont également regroupées, comme le montre la figure 6.

Ces relais peuvent être montés dans n'importe quelle orientation. Assurez-vous d'utiliser un marqueur indélébile pour étiqueter chaque relais. Assurez-vous également de laisser un schéma de câblage tel que celui de la figure 3 avec la documentation du système afin que tout futur technicien puisse voir comment les bobines et les contacts doivent être disposés.

Il convient de mentionner que la même logique de fonctionnement pourrait être réalisée en utilisant 3 relais plutôt que les 4 relais (SPDT) illustrés dans la figure 3. Cependant, l'un de ces relais doit être au moins un relais bipolaire à double direction (DPDT). Ils sont disponibles, mais sont considérablement plus chers que les relais OMRON (SPDT) mentionnés précédemment. La figure 7 montre le câblage requis.

Réflexions finales

Si vous appliquez cette technique, assurez-vous que les zones du centre relais multizone ne sont pas configurées pour un fonctionnement prioritaire. D'autres relais que ceux mentionnés ci-dessus – mais avec des fonctionnalités équivalentes – pourraient être utilisés. Assurez-vous que les tensions des bobines des relais sont correctes et que le courant nominal des relais est adapté pour gérer le courant requis par les circulateurs.

Je suggère de câbler les relais comme indiqué dans les schémas et de tester le fonctionnement du système de contrôle global avant de l'installer sur site.

Le basculement de charge est bien appliqué dans les systèmes où l'une des charges est un émetteur de chaleur à masse thermique élevée, comme une dalle de plancher chauffante. La masse thermique d’une dalle chauffée a tendance à amortir les apports de chaleur « pulsés » sans pratiquement aucun effet notable sur le confort.

L’apport de chaleur pulsée vers les émetteurs de chaleur à faible masse thermique, tels que le système de traitement de l’air, sera plus perceptible. Néanmoins, tant que ces émetteurs de faible masse peuvent fournir l’énergie de chauffage totale nécessaire à l’espace en moyenne sur une période d’une heure peut-être, la température intérieure moyenne ne devrait pas varier plus qu’elle ne le ferait avec n’importe quel émetteur de faible masse actionné par un thermostat.