Le problème et le correctif : erreurs fondées

Le problème :

Un installateur envisage un système de chauffage au sol multizone alimenté par une pompe à chaleur géothermique non modulante à un étage. Les panneaux de plancher radiant auront une faible masse thermique. Le système comprend également le chauffage de l’eau domestique. Le système est illustré à la figure 1. Supposons que la quantité de tubes enterrés dans les tubes de la boucle terrestre est suffisante pour la pompe à chaleur. Pouvez-vous identifier au moins quatre défauts de conception ou problèmes opérationnels susceptibles de se développer si le système est installé comme indiqué ?

Les correctifs :

Toute source de chaleur non modulante à un étage couplée à un système de distribution zoné est susceptible de connaître des cycles courts lorsqu'une ou éventuellement deux zones seulement fonctionnent. Cela est particulièrement vrai si les émetteurs de chaleur ont une faible masse thermique. Lorsque seulement une ou deux zones fonctionnent, la chaleur ne peut pas être fournie au bâtiment aussi rapidement qu'elle est générée par la pompe à chaleur. La température de l'eau entre la pompe à chaleur et les zones de fonctionnement augmentera rapidement et la pompe à chaleur s'éteindra par sécurité interne. Il peut ou non redémarrer automatiquement, selon la configuration de ses contrôles internes. Même s’il redémarre automatiquement, le cycle court sera chronique.

La solution consiste à installer un réservoir tampon entre la pompe à chaleur et les charges de chauffage, comme le montre la figure 2. Cela permet au taux de génération de chaleur par la pompe à chaleur d'être très différent du taux de dissipation thermique par la charge. Ce réservoir, en combinaison avec les collecteurs aux dimensions généreuses, assure également une bonne séparation hydraulique entre les circulateurs de zone et le circulateur pompe à chaleur vers ballon tampon.

Les échangeurs de chaleur à serpentins de nombreux chauffe-eau domestiques indirects en Amérique du Nord n'ont tout simplement pas suffisamment de surface pour dissiper la puissance d'une pompe à chaleur de 4 ou 5 tonnes, tout en fonctionnant dans les limites supérieures de température de l'eau d'une pompe à chaleur (généralement 120 à 140 ºF selon le réfrigérant). L'échangeur thermique à serpentin ne pourra pas dissiper la chaleur dans le réservoir aussi rapidement que la chaleur est générée par la pompe à chaleur, et des cycles courts se produiront. Cette condition peut être encore aggravée si le serpentin est entartré à cause de solides dissous dans l'eau domestique.

L’alternative la plus simple à un chauffe-eau indirect insuffisant est de sélectionner une pompe à chaleur équipée d’un échangeur de chaleur désurchauffeur. La chaleur du réfrigérant chaud quittant le compresseur est transférée à l'eau domestique et déplacée vers un réservoir de chauffe-eau électrique standard chaque fois que la pompe à chaleur fonctionne. L’élément chauffant électrique supérieur d’un ballon ECS électrique fournit un chauffage d’appoint. Cette option est illustrée à la figure 2.

Il sera pratiquement impossible de remplir et de purger la boucle de terre à l'aide d'un ensemble de bavoirs. Il faut un débit et une pression différentielle importants pour purger simultanément 4 branches parallèles en PEHD de 1 à 9 pouces, chacune mesurant 500 pieds de long. Une petite pompe de transfert submersible est bien trop petite. Le débit et la hauteur d'élévation nécessaires pour purger un tel réseau de canalisations nécessiteront probablement une pompe de piscine de 2 HP ou équivalent. Le débit qu’une telle pompe produira nécessite un raccord de purge beaucoup plus grand qu’un raccord de tuyau classique. Les connexions d'entrée et de sortie doivent avoir au minimum une taille de tuyau de 1 pouce. Une solution courante consiste à utiliser un « centre de flux » géothermique spécifiquement adapté à la boucle terrestre. Plusieurs types de centres de débit sont disponibles avec des vannes de remplissage/purge de grande capacité et des options de circulation pour répondre aux exigences de débit et de hauteur de la boucle de terre pour les systèmes résidentiels et commerciaux légers.

Je recommande également que la boucle terrestre soit équipée d'un vase d'expansion de taille appropriée, comme le montre la figure 2. Il minimise les variations de pression dans la boucle à mesure qu'elle change de température entre le fonctionnement des saisons de chauffage et de climatisation. Le séparateur combiné air/impuretés élimine les microbulles et les fines particules de saleté qui peuvent rester dans la tuyauterie après sa purge.

D'autres problèmes avec le système de la figure 1 sont corrigés dans la figure 2.

1. Certaines vannes de purge sont à l'envers.
2. Il doit y avoir une vanne de purge du côté retour de chaque circuit de dérivation. Il manque du côté retour du branchement via le chauffe-eau indirect.
3. L'entrée des circulateurs de zone est très proche du collecteur. Il doit y avoir au moins 10 diamètres de tuyau (10D) de tuyau droit à l'entrée de tout circulateur afin de minimiser les turbulences à l'entrée du circulateur.
4. Il n'y a pas de vase d'expansion ni de matériel d'appoint indiqué du côté charge du système.
5. Les collecteurs en cuivre de 1 pouce sont trop petits pour le flux combiné de trois zones fonctionnant simultanément.
6. Il n’y a pas de séparateur d’air du côté charge du système.
7. Il n'y a pas de soupape de surpression du côté charge du système.