Le mélange par injection revisité (partie 2)

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Le mois dernier, nous avons passé en revue les bases du mélange par injection. Il s'agit d'une méthode permettant de contrôler la température de l'eau en régulant le débit d'eau chauffée « injecté » dans un système de distribution en circulation, tout en éliminant simultanément un débit égal d'eau plus froide de ce système de distribution. Toute méthode contrôlant le débit d’injection contrôle également le taux de transfert de chaleur dans le système de distribution.

De nombreux systèmes nord-américains utilisent un circulateur à vitesse variable comme dispositif de contrôle de l'injection. Cependant, des vannes modulantes à 2 voies actionnées par des actionneurs thermostatiques ou des actionneurs motorisés peuvent également servir à cet effet.

Ce mois-ci, nous examinerons quelques applications uniques du mélange par injection, notamment :

• Régulation du transfert de chaleur via un échangeur de chaleur
• Régulation de la température de sortie d'un séparateur hydraulique
• Protéger une chaudière de la condensation soutenue des fumées
• Réguler le transfert de chaleur d’une chaudière extérieure à bois

Limitation d'un échangeur de chaleur

Supposons que vous souhaitiez installer un échangeur de chaleur à plaques brasées pour fournir de la chaleur à la solution antigel présente dans les circuits de chauffage d'une dalle de plancher de garage. L'antigel est nécessaire car le projet est situé dans un endroit froid et le garage ne sera chauffé qu'occasionnellement.

Lors du fonctionnement, le système nécessite une température d'alimentation de 115 ºF. La chaudière doit également être protégée contre la condensation prolongée des fumées. Je suggère la configuration illustrée à la figure 1.

FIGURE 1

La pompe d'injection contrôle le débit fourni au côté primaire de l'échangeur de chaleur. Le retour au contrôleur d'injection provient du capteur de température d'alimentation dans le circuit alimenté par le côté secondaire de l'échangeur de chaleur. La pompe d'injection est isolée hydrauliquement du circulateur de la boucle de la chaudière par une paire de tés rapprochés. Je chauffe le plancher de mon garage en utilisant cette configuration depuis 24 ans. Fonctionne très bien.

Apprivoiser une source de chaleur « sauvage »

La figure 2 montre un système discuté dans ma chronique de l'atelier hydronique de mai 2024. Il a été conçu pour ajouter une pompe à chaleur air-eau à un système actuellement alimenté par un chauffage extérieur au bois.

FIGURE 2

Dans ce système, le circulateur du chauffage extérieur et celui alimentant les circuits de chauffage au sol fonctionnent en continu.

Un échangeur de chaleur est utilisé pour séparer la tuyauterie en boucle ouverte du chauffage extérieur du reste du système, qui fonctionne comme une boucle fermée.

Le chauffage extérieur est la source de chaleur du premier étage, la pompe à chaleur air-eau fonctionnant comme source de chaleur du deuxième étage. Il est donc possible que les deux fonctionnent en même temps.

Un circulateur d'injection à vitesse variable régule le taux de transfert de chaleur de l'échangeur thermique au séparateur hydraulique. L’objectif est de maintenir une température cible d’alimentation en eau d’une dalle de plancher chauffante. Cette température est basée sur un contrôle de réinitialisation extérieur, qui prolonge la durée pendant laquelle le poêle à bois peut alimenter le sol pendant que le feu s'éteint.

Notez l'emplacement du capteur étiqueté « capteur de température de retour de la chaudière ». C'est sur le tuyau qui quitte le côté primaire de l'échangeur de chaleur. Dans cette application, ce capteur empêche le contrôleur d'injection de faire fonctionner la pompe d'injection jusqu'à ce que l'eau quittant l'échangeur de chaleur soit supérieure à une certaine température de consigne minimale. Cela empêche un transfert de chaleur accidentel vers le chauffage extérieur lorsqu'il ne fonctionne pas ou lorsqu'il fonctionne à une température d'eau très basse. Cela empêche également le transfert de chaleur vers l'unité extérieure si la pompe à chaleur fonctionne simultanément avec le chauffage au bois.

Doubler

Le système de chaudière à pellets de la figure 3 utilise deux circulateurs d'injection à vitesse variable : l'un pour protéger la chaudière contre la condensation des gaz de combustion et l'autre pour injecter la chaleur du réservoir de stockage thermique dans la boucle de distribution.

FIGURE 3

Le Circulateur (P1) est un circulateur à vitesse fixe qui fonctionne lorsque la chaudière à pellets est allumée. Il fournit de l’eau chauffée aux tees rapprochés. Le circulateur (P2) est un circulateur à vitesse variable et à température contrôlée. Il surveille la température d'entrée de la chaudière et contrôle sa vitesse pour maintenir la température d'entrée de la chaudière à 130 ºF ou plus. Le circulateur (P2) crée un point de mélange au niveau du té où l'eau plus froide de la partie inférieure du réservoir de stockage thermique rencontre l'eau chaude de la chaudière.

Une autre pompe d'injection (P3) fait circuler l'eau chaude de la partie supérieure du réservoir de stockage thermique vers le système de distribution. Le contrôleur d'injection fonctionne (P3) sur la base du maintien d'une température cible d'eau d'alimentation pour le système de distribution.

De toute façon

Le système de la figure 4 utilise une pompe à chaleur air-eau haute température R-290 pour fournir de la chaleur aux réservoirs de stockage thermique ou directement à la charge thermique. La thermopompe fonctionne principalement lorsque des tarifs d’électricité « hors pointe » à faible coût sont en vigueur. Pendant ce temps, la puissance de la pompe à chaleur est principalement acheminée vers le stockage thermique. Cependant, le système est capable de fournir de la chaleur directement aux émetteurs de chaleur, si nécessaire, à tout moment pour maintenir le confort dans le bâtiment.

FIGURE 4

Ce système dispose de plusieurs modes de fonctionnement :

1. La pompe à chaleur ajoute de la chaleur au stockage thermique
2. La pompe à chaleur fournit de la chaleur aux émetteurs de chaleur
3. Le stockage thermique fournit de la chaleur aux émetteurs de chaleur

La figure 4 montre le système en mode 3 (le stockage thermique fournit de la chaleur aux émetteurs de chaleur).

Le réservoir de stockage thermique pourrait être à une température beaucoup plus élevée que celle requise par les émetteurs de chaleur. Un certain type de mélange est donc nécessaire.

Une possibilité consiste à contrôler la vitesse du circulateur (P2) à l'aide d'un signal de 0 à 10 V CC ou d'une modulation de largeur d'impulsion (PWM). Il existe actuellement des circulateurs disponibles en Amérique du Nord avec des entrées 0-10 VCC, et d'autres le seront probablement à l'avenir. Le contrôle PWM est plus courant en Europe à l’heure actuelle. Cette approche nécessite également un contrôleur capable de produire un signal de contrôle de vitesse de 0 à 10 V CC ou PWM basé sur le maintien d'une température cible de l'eau d'alimentation.

La vitesse de (P2) détermine le débit d'eau chaude depuis la partie supérieure du réservoir de stockage, à travers la vanne motorisée (MV1), et dans le séparateur hydraulique. Le capteur de température en aval du circulateur (P3) fournit une rétroaction au contrôleur faisant fonctionner le circulateur (P2).

Une autre possibilité consiste à faire fonctionner le circulateur (P2) comme un circulateur à vitesse fixe et à contrôler le débit d'injection dans le séparateur hydraulique par une vanne motorisée modulante (MV1).

Un circulateur d'injection à vitesse variable régule le taux de transfert de chaleur de l'échangeur thermique au séparateur hydraulique. L’objectif est de maintenir une température cible d’alimentation en eau d’une dalle de plancher chauffante.

L’une ou l’autre approche est une forme de mélange par injection. Il pourrait même y avoir un moyen de combiner le fonctionnement à vitesse variable de la pompe d'injection (P2) avec la modulation de la vanne d'injection (MV1) pour un contrôle précis de la température de l'eau d'alimentation tout en minimisant la puissance d'entrée du circulateur.

Vous pouvez en savoir plus sur le fonctionnement du système dans la figure 4 dans la rubrique de l'atelier hydronique d'octobre 2025.

Apprenez-le et appliquez-le

Bien que le mélange par injection soit plus couramment utilisé avec des chaudières conventionnelles fournissant des émetteurs de chaleur à basse température, il existe plusieurs autres utilisations contemporaines de ce concept. Il peut être mis en œuvre en utilisant soit un circulateur à vitesse variable, soit une vanne modulante comme dispositif de contrôle de l'injection. Si vous concevez des systèmes hydroniques, le mélange par injection est définitivement une technique que vous devez apprendre et appliquer.

Je vous souhaite, à vous et à votre famille, un Noël heureux et béni.