Équilibrage des émetteurs de chaleur à haute et faible masse pour éviter la température "affaissement"

Certains systèmes de chauffage hydronique utilisent un chauffage de plancher à grade de plaque combiné avec un gestionnaire d'air ou des éventails dans d'autres zones d'un bâtiment. Cette approche est également utilisée pour les sols chauffés au sous-sol combiné avec un système de livraison «hydro-air» pour les principales espaces de vie.

Dans bon nombre de ces systèmes, le gestionnaire d'air ou les bobines de ventilateurs sont dimensionnés pour des températures plus élevées de l'eau par rapport aux circuits de chauffage du sol de la dalle. Dans les systèmes utilisant des chaudières conventionnelles, la température de l'eau plus élevée était souvent dans la plage de 150-180 ºF à la charge de conception. Cette température de l'eau a été fournie directement à partir de la chaudière. Un assemblage de mélange d'un certain type (soupape de mélange, circulateur d'injection de vitesse variable, etc.) a été utilisé pour créer une température de l'eau plus basse pour les circuits de chauffage du sol.

Lorsque seul le gestionnaire d'air fonctionne, la chaudière, la bobine dans le gestionnaire d'air et le fluide du circuit les connectant atteignent très rapidement des conditions d'équilibre thermique, quelques minutes au maximum. En supposant que le contrôleur à limite élevée de la chaudière est réglé suffisamment élevé, la température de l'eau se compose rapidement à une valeur où le taux d'entrée de chaleur de la chaudière est égal au taux de production de chaleur de la bobine du gestionnaire d'air.

Lorsque la dalle chauffée est la seule charge active et fonctionne à l'état d'équilibre ou à l'état d'équilibre à proximité, une condition d'équilibre thermique similaire est maintenue.

Situations instables: Bien que la plupart des systèmes hydroniques soient conçus avec l'hypothèse d'un fonctionnement en régime permanent, ces conditions existent rarement. Pendant la majeure partie de leur temps de fonctionnement, les émetteurs de chaleur se réchauffent ou se refroidissent, tout comme les autres composants et le fluide du système. Ces conditions «transitoires» peuvent rapidement entraîner des conditions de fonctionnement inattendues, en particulier lorsque le système comprend à la fois une masse thermique élevée et des émetteurs de chaleur thermique inférieurs.

Considérez un système qui combine 2 000 pieds² par une dalle chauffée de 4 pouces d'épaisseur au premier étage avec un gestionnaire d'air classé de 2 tonnes (24 000 BTU / h) à l'étage supérieur. La source de chaleur du système est dimensionnée pour gérer le taux de dissipation de chaleur de la charge de conception en supposant que tous les émetteurs de chaleur fonctionnent simultanément.

Supposons que la dalle ait été «en train de rouler» depuis quelques heures après un revers du thermostat. Pendant ce temps, sa température a baissé de 10 ºF. Pendant ce temps, le gestionnaire d'air a fonctionné et a gardé son espace associé confortable.

À un moment donné, le propriétaire monte le thermostat pour la zone de dalle sur la catégorie tandis que le gestionnaire d'air continue de fonctionner. En moins d'une minute ou deux, la température de l'air laissant le gestionnaire d'air baisse considérablement – même si la source de chaleur fonctionne en continu.

Bien que la plupart des systèmes hydroniques soient conçus avec l'hypothèse de fonctionnement en régime permanent, ces conditions existent rarement. Pendant la majeure partie de leur temps de fonctionnement, les émetteurs de chaleur se réchauffent ou se refroidissent, tout comme les autres composants et le fluide du système.

Cette diminution soudaine de la température de l'air qui quitte est causée par la masse thermique de la chaleur absorbant la dalle de sol froide. Considérez cette dalle comme une «éponge thermique»; C'est maintenant très «trente» pour BTUS. L'apport de la dalle en ligne dans cette condition lui permet de profiter de la chaleur à un rythme qui pourrait facilement être de 1,5 à 2 fois plus élevé que dans des conditions de charge de conception en régime permanent. Ce taux élevé d'absorption de chaleur entraînera immédiatement le système à rechercher une nouvelle condition d'équilibre thermique, qui ne peut être obtenue qu'à une température du système beaucoup plus faible.

Au fil du temps et que la dalle se réchauffe lentement, la température de l'eau quittant la source de chaleur augmente progressivement, tout comme la température de l'air quittant le gestionnaire d'air. Étant donné suffisamment de temps (peut-être plusieurs heures), la température de l'air quittant le gestionnaire d'air est de retour à la normale.

Cette condition va se reproduire chaque fois que la dalle doit «accélérer» d'une température plus basse à un état d'équilibre. Cela va certainement entraîner des plaintes et des rappels.

Masses mixtes: Considérons le système à quatre zones illustré à la figure 1.

Deux zones sont des gestionnaires d'air de faible masse qui nécessitent une température d'eau d'alimentation de 120 ºF à chaque fois qu'ils fonctionnent. Ceci est nécessaire pour garantir les températures de l'air de décharge acceptables. Les deux autres zones sont des dalles de plancher chauffées thermiques élevées qui nécessitent une température d'alimentation de 105 ºF à la charge de conception.

Les commandes de la pompe à chaleur sont réglées pour produire 120 ºF en laissant la température de l'eau lorsque la pompe à chaleur est appelée pour fonctionner. Une soupape de mélange motorisée à 3 voies est utilisée pour abaisser la température de l'eau pour les zones de dalle.

La zone d'émetteur de chaleur à faible masse fonctionne bien lorsque les dalles de plancher n'appellent pas la chaleur.

Les dalles de masse élevées offrent également de bonnes performances lorsqu'ils sont les seules zones actives.

Cependant, lorsque des gestionnaires de dalles et d'air sont appelés à fonctionner simultanément, La température de l'eau quittant de la pompe à chaleur baisse rapidement et reste bien en dessous des 120 ºF nécessaires à la température de décharge acceptable des gestionnaires d'air. Cette condition persiste jusqu'à ce que les zones de dalle soient toutes deux éteintes. Ce «tombant» est particulièrement visible lorsque les dalles se remettent d'un revers du thermostat – ou pire encore – d'une condition de démarrage à froid.

Tout cela est attribuable à l'équilibre thermique. La masse thermique élevée et la conception de la température de l'eau basse des dalles «dominent» la situation. La température de l'eau dans le système ne fera que se réchauffer jusqu'à l'endroit où le taux de production de chaleur de la pompe à chaleur correspond à la capacité du système à dissiper la chaleur. Si cela se produit à 95 ou 101 ºF, c'est la température de l'eau fournie aux gestionnaires d'air. Il s'agit de la thermodynamique de base au travail.

Pouvons-nous faire des compromis?

Une façon d'éviter cette condition de «staby» est de s'assurer que les deux des prérequis suivants sont présents:

1. La source de chaleur du système est dimensionnée suffisamment grande pour gérer le taux de dissipation de tous les émetteurs de chaleur dans des conditions de charge de conception, et…
2. Les zones de masse élevées fonctionnent aussi «régulièrement» que possible en utilisant des techniques telles que le contrôle de réinitialisation extérieure de la température de l'eau, et très minimal, si le retrait du thermostat.

Dans les situations où ces deux conditions préalables ne peuvent pas être remplies, il existe une technique qui peut aider à minimiser la température indésirable en raison du fonctionnement transitoire. Il est basé sur le «partage» de la sortie de la source de chaleur entre les charges de masse thermique élevées et faibles. L'idée est de consacrer la sortie complète de la source de chaleur à une charge pendant une période de peut-être 10 à 15 minutes, puis de déplacer toute la sortie vers l'autre charge pendant un temps similaire (mais pas nécessairement égal).

Le composant clé qui permet cette opération de partage de temps est un relais de retard de temps de cycle (RCTDR), comme celui illustré à la figure 2.

Il s'agit d'un relais à double pole / double (DPDT) avec une bobine 24VAC. Il monte dans une prise octale à 8 broches standard. Ce modèle particulier coûte entre 100 $ et dispose d'une large gamme de paramètres de plage de délai de temps tels que 3-30 minutes, soit 0,5 à 5 heures.

Lorsque la bobine est allumée, les contacts de relais s'activent (par exemple, les contacts normalement ouverts se ferment et les contacts normalement fermés s'ouvrent). Ce mode «State 1» se poursuit jusqu'à ce que le délai «State 1» expire, auquel point les contacts s'inversent et que le relais entre son mode «State 2». Les cadrans en haut de ce relais sont utilisés pour définir le délai de temps «State 1» et le délai de temps «State 2», qui peut être identique ou différent. Par exemple, le retard de l'état 1 pourrait être réglé pendant 10 minutes et le retard de l'état 2 réglé pendant 15 minutes. Un cadran est également utilisé pour sélectionner les retards de délais.

Ce «bascule» se répète aussi longtemps que la bobine du RCTDR reste alimentée. Lorsque la puissance est supprimée, le relais se réinitialise et l'action du cycle de répétition réinitiale la prochaine fois que 24VAC sera appliquée à la bobine.

La figure 3 montre comment ce RCTDR, ainsi que quelques autres relais VAC 3PDT, peuvent être appliqués dans un système tel que sur la figure 1.

Ce système utilise deux contrôleurs multi-zones, l'un pour les zones de gestionnaire d'air et l'autre pour les zones de dalle. Lorsqu'il y a un appel pour que l'un ou les deux gestionnaires d'air fonctionnent, leurs circulateurs associés sont allumés (par exemple, 120 VAC passe par les contacts de relais normalement clos étiquetés R3A-1 NC et R3A-2 NC). Le contact de relais (xx) dans le contrôleur multi-zone se ferme pour alimenter la bobine de relais (R1). Le contact du relais (R1-1) se ferme pour permettre le fonctionnement de la source de chaleur. Le circulateur de la source de chaleur est supposé allumé par la source de chaleur.

Une séquence similaire est utilisée lorsque l'une ou les deux zones de dalle sont appelées à fonctionner. 120 VAC passe par des contacts de relais normalement clos (R3B-1 NC) et (R3B-2 NC) pour faire fonctionner les circulateurs de zone.

Si l'une ou l'autre des zones de gestionnaire d'air est appelée à fonctionner en même temps Comme l'une ou l'autre des zones de dalle, les contacts de relais (R1-2) et (R2-2), qui sont câblés en série, sont tous deux fermés, permettant à 24VAC de dynamiser la bobine du relais de délai de cycle de répétition (RCTDR). Ce relais commence son action de bascule lorsque son contact normalement ouvert ferme les pouvoirs 24vac sur la bobine du relais R3A. Cela provoque l'ouverture des contacts normalement fermés (R3A-1NC) et (R3A-2NC) et de la tension de la ligne de rupture aux deux circulateurs de gestionnaire d'air. La source de chaleur et son circulateur associé restent allumés. La sortie complète de la source de chaleur est désormais disponible pour les zones de dalle.

La température de l'eau du système grimpera à une valeur établie par l'équilibre thermique entre l'émetteur de chaleur de la dalle et la pompe à chaleur, soit à la température cible de la vanne de mélange à 3 voies – Quelle que soit la température inférieure.

Ce mode de fonctionnement se poursuit jusqu'à l'expiration du délai de réglage «State 1» du (RCTDR). Lorsque cela se produit, le (RCTDR) l'inverse en contact, éteignant les zones de la dalle et allumant les zones de gestionnaire d'air. Ce mode continue jusqu'à ce que le délai «State 2» expire, à quel point la séquence entière se répète.

Si à tout moment, seule la ou les zones de dalles ou seulement la (s) zone (s) du gestionnaire d'air fonctionnent, le (RCTDR) reste non alimenté et aucune action de bascule ne se produit. Il n'est pas nécessaire de partager la puissance de chaleur de la chaudière dans ces conditions.

Ne laissez pas parfait être l'ennemi du bien: ce concept de contrôle du «partage du temps» n'est pas une solution idéale car elle ne permet pas à toutes les charges de fonctionner simultanément. Au lieu de cela, il partage la livraison de chaleur au fil du temps et à travers tous les émetteurs de chaleur du système. Il empêche les gestionnaires d'air ou les bobines de ventilateurs de fonctionner avec des températures d'air de décharge beaucoup plus bas que prévu en raison du fonctionnement simultané des émetteurs de chaleur thermique à forte masse thermique / à basse température. Il exploite le fait que la perturbation périodique de l'apport de chaleur aux émetteurs de masse thermique élevés, pendant des périodes de quelques minutes à peut-être une heure ou deux, est généralement imperceptible pour les occupants.

Cette technique peut être conçue dans de nouveaux systèmes qui ne peuvent pas répondre aux conditions d'exploitation préalables précédemment. Il peut également être utilisé comme un moyen de corriger le problème de la température «tombant» sur le système existant qui a utilisé à la fois une masse thermique faible et des émetteurs de chaleur thermique élevés. Garez-le dans votre boîte à outils de conception et retirez-le en cas de besoin.