De quoi est-il capable ? (partie 1)

Lorsqu'on vous demande comment ajouter une pompe à chaleur air-eau à un système de chauffage existant, vous avez besoin d'un moyen d'évaluer comment le système de distribution et les émetteurs de chaleur existants peuvent fonctionner avec cette pompe à chaleur.

Si le système existant a été conçu autour de températures d'eau élevées, telles que 180 ºF, vous pourriez rejeter l'utilisation d'une pompe à chaleur car elle ne peut pas produire l'eau à haute température à laquelle le système était installé. initialement conçu pour fonctionner. Cependant, « l’évolution » de ce système peut être plus complexe que ce que vous pensez initialement.

Le bâtiment a peut-être été exposé aux intempéries depuis l'installation du système d'origine, et sa charge de chauffage nominale est désormais considérablement inférieure. Une perte de chaleur plus faible signifie que des températures d’eau plus basses peuvent être utilisées dans le même système de distribution. Peut-être qu'un radiateur en fonte d'occasion ou un nouveau ventilo-convecteur a été ajouté au système de distribution d'origine, ce qui abaisserait également la température requise de l'eau d'alimentation. Il existe de nombreuses possibilités quant à la manière dont les circuits de chauffage hydroniques d'origine, ou le bâtiment qu'ils chauffent, ont été modifiés au fil des ans.

Comment évaluer la performance thermique du système de distribution dans son état actuel, en tenant compte des modifications apportées à celui-ci ou au bâtiment qu'il dessert ?

Une approche consiste à réaliser des « modèles » théoriques hydrauliques et thermiques de chaque circuit. Pour ce faire et conserver des résultats précis, vous devrez mesurer la longueur de toute la tuyauterie, compter tous les raccords et vannes, rechercher les courbes de pompe pour les circulateurs et même vérifier quel fluide se trouve dans le système (par exemple, de l'eau ou une solution antigel). Vous devrez également mesurer la longueur des tubes à ailettes dans toutes les plinthes et rechercher les données de puissance calorifique de tout autre émetteur de chaleur dans les circuits. Une fois que vous disposez de toutes ces données, vous devrez effectuer plusieurs calculs, dont certains peuvent être difficiles. Tout cela est possible, mais c'est un PARCELLE de travail, et les résultats sont aussi précis que les données et les formules utilisées pour ces calculs.

Mesurer plutôt que modèle

Une approche alternative consiste à mesurer les performances thermiques du circuit pendant son fonctionnement. Pour ce faire, vous aurez besoin d'instruments capables de mesurer avec précision la chute de température autour du circuit à mesure qu'il dissipe la chaleur. Vous devrez également mesurer le débit dans le circuit.

Un thermocouple à double canal, tel que celui illustré à la figure 1, est idéal pour mesurer simultanément deux températures, l'une au début du circuit et l'autre à la fin. Ces compteurs peuvent également afficher le différence entre ces températures.

FIGURE 1

Ce compteur est livré avec deux thermocouples, qui sont de très petites « jonctions » entre deux types de fils à l’extrémité du fil. Les thermocouples étant très petits, ils sont faciles à monter et répondent rapidement. Ils peuvent être temporairement maintenus à la surface d'un tube de cuivre à l'aide de ruban isolant. Un manchon court en mousse élastomère isolante doit ensuite être utilisé pour recouvrir le thermocouple afin de minimiser toute influence de l'air ambiant sur la lecture de la température.

Mesurer le débit dans un circuit a toujours été plus difficile que mesurer les températures. Très peu de circuits sont équipés de débitmètres installés en permanence. Des dispositifs tels que des vannes d'équilibrage, lorsqu'ils sont associés à des instruments tels que des manomètres numériques, peuvent fournir des estimations de débit, mais avec des précisions uniquement de l'ordre de +/-10 à 15 %. Le coût d'installation de ces vannes ainsi que l'achat d'un manomètre numérique pour convertir la pression différentielle en débit excluent généralement leur utilisation dans les systèmes résidentiels, en particulier en tant que dispositifs qui devraient être modernisés. Imaginez dire à un client potentiel que vous devez installer plusieurs centaines de dollars de matériel de mesure de débit juste pour évaluer les performances de son système, sans aucune assurance que les résultats seraient de bon augure pour l'utilisation d'une pompe à chaleur… Le prochain en ligne s'il vous plaît…

Serrer plutôt que couper

L’un des appareils les plus pratiques pour mesurer avec précision les débits dans les tuyaux est un débitmètre à ultrasons. Ces compteurs fonctionnent en enregistrant le « temps de vol » d’une onde haute fréquence (ultrasons) lorsqu’elle se déplace dans le fluide, d’abord dans le sens de l’écoulement, puis dans le sens opposé. Le compteur convertit la différence entre ces temps de vol en débit volumétrique à travers la conduite. Ils font cela tout en étant monté sur la surface extérieure du tuyau.

Lors de leur introduction, les débitmètres à ultrasons coûtaient des milliers de dollars, mais ils sont désormais disponibles, pour des tailles de tuyaux allant jusqu'à 1,25 pouce, dans une fourchette de prix de 400 à 600 dollars. La figure 2 montre un exemple d'un tel compteur de KEYENCE.

FIGURE 2

Ce compteur est livré avec un cadre de montage qui se fixe à l'extérieur du tuyau. Avec un petit tournevis alimenté par batterie, ce cadre peut être fixé ou retiré en 30 secondes environ, il est donc facile de déplacer le compteur d'un circuit à un autre. La partie électronique du compteur se clipse sur ce cadre et est alimentée par une petite alimentation « boîte noire » 12 VDC.

Les compteurs KEYENCE peuvent fonctionner sur une variété de matériaux de tuyauterie et avec une large gamme de fluides. Ils peuvent également résoudre le débit à 0,1 gpm près avec une précision indiquée de +/- 3 % de la lecture.

Le maintenir stable

L’une des « nuances » de la mesure des performances thermiques d’un circuit hydronique consiste à effectuer les mesures alors que le circuit fonctionne en régime permanent. Cela signifie que le changement de température (par exemple, ∆T) et le débit restent tous deux stables pendant au moins plusieurs minutes. Ceci est nécessaire pour garantir que la masse thermique du circuit n’absorbe ni ne dégage de chaleur. En régime permanent, l’apport de chaleur au circuit est égal à la puissance calorifique du circuit. Lorsqu'un circuit fonctionne sous transitoire plutôt que dans des conditions stables, les mesures de changement de température et de débit ne fournissent pas une indication précise de ce dont le circuit est capable.

Les circuits qui ont une masse thermique relativement faible – tels que des circuits plus courts constitués de tubes de petit diamètre desservant une plinthe à ailettes ou un ventilo-convecteur – peuvent atteindre un état stable en quelques minutes. si le taux d'apport de chaleur au circuit est constant. Les circuits passant par des plinthes en fonte, des plinthes en fonte ou des panneaux de plancher radiant peuvent prendre des heures pour atteindre un véritable état stable.

Les systèmes dotés de sources de chaleur « marche/arrêt » fonctionnent rarement dans des conditions stables. Lorsque la source de chaleur est allumée, la masse thermique du circuit absorbe de la chaleur. Lorsque la source de chaleur est éteinte, la masse thermique du circuit dégage de la chaleur.

Une façon de contourner ce problème consiste à utiliser une source de chaleur qui peut être contrôlée pour produire un apport de chaleur très constant dans le circuit. Un élément chauffant à résistance électrique avec une masse thermique minimale est l’une de ces sources. La figure 3 montre une possibilité.

FIGURE 3

Il s’agit d’un « chauffe-bloc » électrique de 1 500 watts. Il est conçu pour réchauffer le liquide de refroidissement des moteurs de véhicules avant de les démarrer dans des conditions extrêmement froides. C'est un appareil simple et peu coûteux, juste une coque avec des ports d'entrée et de sortie et un élément chauffant interne.

L'un des avantages d'une source de chaleur à résistance électrique est qu'il est facile de contrôler la température. taux auquel il transforme l’électricité en chaleur et l’ajoute au fluide du système. La puissance absorbée par le chauffe-bloc est facilement contrôlée par un « gradateur » à semi-conducteurs tel que celui illustré à la figure 4.

FIGURE 4

Le variateur à semi-conducteurs doit avoir une puissance nominale au moins aussi élevée que celle de l'appareil qu'il contrôle. Un gradateur à semi-conducteurs d'une puissance nominale de 2 000 watts est capable de contrôler entièrement la puissance absorbée par le chauffe-bloc de 1 500 watts. Ces appareils ont un rendement d'environ 99 %, ce qui implique que 1 % de l'énergie qu'ils reçoivent est convertie en chaleur. Avec une entrée complète de 2 000 watts, cela représente une dissipation thermique de 20 watts. D’où les ailettes du dissipateur thermique de l’appareil.

Un autre avantage d’une source de chaleur à résistance électrique est la capacité de mesurer le taux de transfert d’énergie. Cela pourrait être fait en mesurant simultanément la tension aux bornes de l’élément chauffant et l’ampérage circulant à travers l’élément. Multipliez la tension par l'ampérage pour obtenir la puissance, comme indiqué dans la formule 1.

Formule 1 :

Où:

P = puissance fournie à l'élément (watts)

i = courant circulant à travers l'élément (ampères)

v = tension fournie à l'élément (volts)

Un moyen encore plus simple de mesurer la puissance de l'élément consiste à utiliser un petit wattmètre tel que le compteur KILL A WATT illustré à la figure 5.

FIGURE 5

Le compteur KILL A WATT illustré est conçu pour des charges de chauffage par résistance allant jusqu'à 1 875 watts. Celui-ci, ainsi que le gradateur à semi-conducteurs et le chauffe-bloc, peuvent être connectés comme le montre la figure 6.

FIGURE 6

L'appareil

Le moyen le plus simple d'intégrer le chauffe-bloc avec un circulateur à vitesse variable et d'autres détails matériels dans le circuit à des fins de test consiste à fermer les vannes d'isolement sur les brides du circulateur, à retirer le circulateur existant et à insérer l'appareil de test comme indiqué sur la figure 7.

FIGURE 7

Cet appareil devient la source temporaire de chaleur et la source de débit du circuit. Le circulateur ECM à vitesse variable peut être réglé sur une large plage de débit. L'apport de chaleur au circuit peut être réglé de 0 à 1 500 watts (0 à 5 120 Btu/h). La chute de température du circuit est mesurée à l'aide du thermocouple à double canal et le débit est mesuré à l'aide du débitmètre à ultrasons.

Mesurer le débit dans un circuit a toujours été plus difficile que mesurer les températures. Très peu de circuits sont équipés de débitmètres installés en permanence.

Les tés de la plinthe se connectant aux brides du circulateur fournissent deux ports FPT 1/8″ qui peuvent être connectés à l'aide de deux robinets à bille et d'une conduite de carburant à un seul manomètre. En ouvrant un robinet à bille à la fois, la pression du côté alimentation et du côté retour peut être mesurée. La différence entre ces pressions peut être convertie en hauteur. En mesurant la différence de pression à plusieurs débits et en convertissant ces différences de pression en hauteur, il est possible de créer une courbe de perte de charge du circuit. Cette courbe peut ensuite être utilisée pour évaluer le débit qui n'importe quel circulateur spécifique pourrait se créer dans le circuit.

Plus à suivre

Je suppose que de nombreux lecteurs ont une assez bonne idée de la façon d'utiliser l'appareil de test illustré à la figure 7. Il suffit d'augmenter la chaleur, de mesurer le débit et la chute de température, et d'effectuer un calcul simple. Eh bien, ça est l'idée générale, mais il y a plusieurs détails qui nécessitent une attention particulière pour garantir que les données sont exactes et qu'elles sont véritablement représentatives de ce dont le circuit est capable. Nous y reviendrons dans la chronique du mois prochain.