Le système illustré à la figure 1 provient d'une installation réelle. Le but de ce projet était d'ajouter une pompe à chaleur air-eau à un système hydronique existant dans lequel une chaudière au mazout fournissait de la chaleur à plusieurs zones de chauffage par le sol à basse température.
L'installation d'origine est illustrée à la figure 1. Le système modifié, qui comprend la pompe à chaleur air-eau et un réservoir tampon, est illustré à la figure 2. Le système modifié fonctionne désormais avec une solution à 30 % d'antigel au propylène glycol. Un contrôleur de chaudière à 2 étages a été installé et configuré de manière à ce que la pompe à chaleur soit l'étage principal et que la chaudière s'allume si nécessaire pour maintenir la température cible de l'eau d'alimentation dans les zones.
Lorsque le système a été mis en service, le propriétaire a remarqué que la chaudière était souvent chaude même si l'interrupteur d'alimentation de la chaudière était éteint. Sur la base des débits indiqués dans la figure 2, pouvez-vous déterminer ce qui se passe ? Y a-t-il d’autres erreurs de conception dans ce système ? Si tel est le cas, pouvez-vous les identifier et proposer une conception alternative qui les élimine ?
Image gracieuseté de John Siegenthaler.
Image gracieuseté de John Siegenthaler
Qu'est-ce qui ne va pas
Avant de décrire les lacunes du système modifié, il existe une erreur importante dans le système d'origine (figure 1) : La chaudière en fonte n'est pas protégée contre une condensation prolongée des fumées. Sans cette protection, la chaudière et le conduit de fumée peuvent être gravement corrodés. Cela a été évident lors d’une visite sur le terrain. Il y avait une tache importante sur le plancher du sous-sol, sous un coude du connecteur de ventilation menant au raccordement de la cheminée. La tuyauterie de ventilation présentait également des signes de corrosion.
Le système modifié
Un grand circulateur a été utilisé pour connecter le réservoir tampon au système. Il pourrait produire un débit d’au moins 12 gpm. La figure 3 montre quels seront les autres flux dans le système, sur la base de la simple « comptabilité » selon laquelle le flux entrant dans un té doit être égal au flux sortant de ce té.
Image gracieuseté de John Siegenthaler.
Lorsqu'une seule zone fonctionne, la somme des débits entrant et sortant des tés du système montre que 7 gpm s'écoulent. en arrière à travers la chaudière. D'où la raison pour laquelle la chaudière est chaude même si elle s'allume maintenant. Cela permet aux courants d'air convectifs de se développer à l'intérieur de la chaudière, qui transportent la chaleur vers le conduit de fumée et la cheminée. Un peu comme avoir une petite « tour de refroidissement » attachée au système de chauffage…
À mesure que des zones supplémentaires s'activent, cette situation peut changer et le flux à travers la chaudière est dans la bonne direction. Cependant, aucun débit ne doit circuler dans la chaudière lorsqu'elle est éteinte. Et la chaudière n'est toujours pas protégée contre une condensation prolongée des fumées.
Le relooking
La figure 4 montre une façon dont le système pourrait être modifié pour obtenir un débit approprié, une protection adéquate de la chaudière et maintenir le fonctionnement de la pompe à chaleur à un rendement élevé.
Image gracieuseté de John Siegenthaler
Le système reconfiguré laisse en place une grande partie de la tuyauterie « telle qu’elle a été trouvée ». Le ballon tampon et la chaudière restent les étages 1 et 2 de l'apport de chaleur. Le grand circulateur (P1) à gauche du réservoir tampon reste dans le système, mais est désormais piloté par un contrôleur de mélange d'injection (contrôleur de mélange d'injection n°1). Ce contrôleur surveille la température de l'eau d'alimentation vers les circuits de zone et régule la vitesse du grand circulateur (P1) si nécessaire pour maintenir la température d'alimentation à ou très proche d'une valeur cible basée sur la commande de réinitialisation extérieure.
La pompe à chaleur surveille la température du ballon tampon et fonctionne selon les besoins pour maintenir la température du ballon tampon juste assez chaude pour les conditions de charge existantes (en fonction de la commande de réinitialisation extérieure). Cela permet à la pompe à chaleur de fonctionner à la température de l'eau la plus basse possible et donc au rendement le plus élevé (par exemple, COP) en fonction des conditions actuelles.
Le contrôleur de mélange à injection n°1 possède un contact de chaudière isolé qui se ferme si la pompe à chaleur ne peut plus maintenir la température de l'eau d'alimentation près de sa valeur cible. Ce contact peut être utilisé pour demander le fonctionnement de la chaudière, mais seulement après un délai intermédiaire de 15 minutes qui donne à la pompe à chaleur suffisamment de temps pour démarrer, se stabiliser et tenter d'atteindre la température d'alimentation cible.
La vanne thermostatique 3 voies a été retirée et remplacée par un circulateur d'injection à vitesse variable actionné par le contrôleur d'injection #2. Si la chaudière est appelée à fonctionner après le délai de 15 minutes, le contrôleur d'injection n° 2 surveille la température de l'eau d'alimentation dans les zones et contrôle la vitesse du circulateur d'injection n° 2 si nécessaire pour injecter le fluide chaud de la chaudière vers le système collecteur de zone. Le contact de la chaudière dans le contrôleur d'injection n°2 fait fonctionner la chaudière si nécessaire. Le contrôleur d'injection n° 2 surveille également la température d'entrée de la chaudière et ralentit la vitesse du circulateur (n° 2) si nécessaire pour maintenir la température d'entrée de la chaudière suffisamment élevée pour éviter une condensation prolongée des gaz de combustion. Le contrôleur de chaudière à 2 étages d'origine a été retiré (et conservé pour une utilisation sur un projet futur).
Le réservoir tampon et la chaudière s'interfacent tous deux avec le système de collecteur de zone à l'aide de paires de tés rapprochés. Ceux-ci assurent la séparation hydraulique des deux circulateurs à vitesse variable et du circulateur de la chaudière. Notez que les tés de la pompe à chaleur se connectent au système de collecteur de zone en amont des tés de la chaudière. Cela garantit la température de fonctionnement la plus basse possible pour la pompe à chaleur.
Les autres modifications incluent :
- Ajout d'une soupape de surpression au circuit de la pompe à chaleur pour garantir qu'une surpression ne puisse pas se produire si la pompe à chaleur était isolée du reste du système et fonctionnait.
- Ajout d'un clapet anti-retour pour empêcher le thermosiphonnage inversé du ballon tampon à travers la pompe à chaleur.
- En démontant l'ensemble d'appoint d'eau automatique et en le remplaçant, il s'agira d'un alimentateur de fluide (puisque le système modifié avec la pompe à chaleur fonctionne désormais avec une solution antigel).
- Évaluer la taille du vase d'expansion d'origine et l'augmenter en fonction du volume ajouté du réservoir tampon et du taux d'expansion plus élevé des solutions antigel par rapport à l'eau.