Une façon d'augmenter le ∆T d'un système de distribution

Le coefficient de performance d'une thermopompe hydronique (par exemple air-eau ou eau-eau) dépend de la température à laquelle fonctionne son condenseur. Cette température est largement déterminée par les émetteurs de chaleur hydronique et le système de distribution fourni par la pompe à chaleur. Plus la température du flux d’eau entrant dans la pompe à chaleur est basse, plus son COP est élevé, toutes choses égales par ailleurs.

Les systèmes de distribution capables de fonctionner avec une chute de température relativement élevée (par exemple ∆T) produisent une température d'eau de retour plus faible vers la pompe à chaleur.

Les radiateurs en fonte et les radiateurs à panneaux en acier peuvent fonctionner à un ∆T relativement élevé (selon les normes nord-américaines). Par exemple, certains systèmes européens font fonctionner des radiateurs à panneaux avec une chute de température de 20 ºC (36 ºF) dans les conditions de charge nominale.

Puisque le taux de transfert de chaleur est basé sur la multiplication des temps d'écoulement ∆T, le débit requis pour un taux de transfert de chaleur donné est inversement proportionnel au ∆T. Changer le ∆T de 20 à 36 ºF dans les conditions de conception permet de réduire le débit à (20/36) = 0,56, soit 56 % du débit requis à un ∆T de 20 ºF. Cette réduction permet d'avoir une tuyauterie de distribution plus petite ainsi qu'une puissance d'entrée inférieure au circulateur. Les petits tubes réduisent les coûts d'installation. La puissance d’entrée inférieure du circulateur réduit les coûts d’exploitation. Les deux sont bénéfiques pour « adapter » l’hydronique moderne aux tendances des bâtiments à faible consommation d’énergie.

Une façon d’augmenter la baisse de température dans le système de distribution, tout en exploitant également l’énergie à basse température de l’eau, est illustrée à la figure 1.

FIGURE 1

Cet ensemble place un petit chauffe-eau domestique indirect du côté retour du système de distribution de chauffage des locaux. Son objectif est d'absorber la chaleur supplémentaire du fluide du système et d'utiliser cette chaleur pour préchauffer l'eau domestique.

L'eau revenant de l'un des circuits de zone active passe à travers le serpentin du chauffe-eau indirect, cédant de la chaleur à l'eau domestique froide. L'ampleur du préchauffage dépend de la température et du débit du côté retour du système de distribution. Cela dépendra également de la taille de l’échangeur de chaleur à serpentin interne dans le réservoir, du volume du réservoir, de la fréquence des prélèvements d’eau chaude et de la température de l’eau froide entrant dans le réservoir.

Plus le débit de retour du système de distribution est chaud et plus le prélèvement d'eau chaude sanitaire est fréquent, plus le taux de transfert de chaleur au niveau du serpentin est élevé.

Ce détail procure deux effets très souhaitables :

1. Il abaisse la température du fluide retournant à la pompe à chaleur, ce qui contribue à augmenter son coefficient de performance (COP).
2. Il réduit la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau domestique à la température de refoulement requise.

Le robinet à tournant sphérique à 3 voies peut diriger le débit depuis le côté retour du système de distribution via l'échangeur thermique à serpentin, ou directement vers le séparateur hydraulique. Si nécessaire, il peut également isoler le côté entrée du serpentin si le réservoir de préchauffage nécessite un entretien. La vanne de purge côté sortie de la batterie permet de remplir et purger le circuit à travers la batterie, ou d'isoler un côté de la batterie si nécessaire.

Quand plus large est plus sage

Les chutes de température admissibles à travers un émetteur de chaleur sous la charge de conception varient en fonction du type d'émetteur et des performances attendues de cet émetteur.

Commençons par une discussion sur les circuits de chauffage par le sol. Lorsqu’il est installé dans des résidences, le chauffage par le sol devrait produire des conditions « pieds nus ». Si un circuit de chauffage par le sol fonctionne à un ∆T large, il y aura des différences notables dans la température de la surface du sol entre les zones proches du début du circuit et celles proches de la fin du circuit. Pour minimiser cet effet, je suggère de limiter les chutes de température du circuit de plancher à 10-12 ºF à la charge de conception.

Plus le débit de retour du système de distribution est chaud et plus le prélèvement d'eau chaude sanitaire est fréquent, plus le taux de transfert de chaleur au niveau du serpentin est élevé.

Lorsque le chauffage par le sol est utilisé dans un bâtiment industriel, tel qu'un garage routier, le fait d'être « pieds nus » n'est pas une préoccupation puisque les occupants sont probablement engagés dans des activités physiques et se promènent avec des bottes de travail. Dans ces applications, je suggère de concevoir le circuit pour des ∆Ts compris entre 20 et 25 ºF sous la charge de conception. Cela permet d'obtenir des circuits un peu plus longs et/ou des débits plus faibles, ce qui peut réduire les coûts d'installation ou d'exploitation.

Les radiateurs à panneaux en acier et les radiateurs en fonte peuvent être dimensionnés pour des ∆T de charge de conception allant de peut-être 15 ºF dans les systèmes à basse température, jusqu'à 35 ºF dans les systèmes à plus haute température. La puissance calorifique du radiateur doit être basée sur la moyenne température de l'eau à la charge de conception. L’utilisation de ∆T plus élevés abaissera la température moyenne de l’eau et nécessitera donc une plus grande surface de radiateur.

Les ventilo-convecteurs et les appareils de traitement de l'air peuvent également être sélectionnés en fonction de la charge de conception ∆Ts comprise entre 20 et 30 ºF. Comme pour les radiateurs, basez la puissance calorifique du ventilo-convecteur ou du système de traitement d’air sur la température moyenne de l’eau.

Le coup de pouce

La température de l’eau sanitaire préchauffée sortant du ballon indirect peut varier considérablement. Si les zones de chauffage des locaux fonctionnent fréquemment et à des températures relativement élevées, l'eau domestique « préchauffée » peut en réalité être plus chaude que souhaité pour le système de distribution d'eau chaude du bâtiment. Dans les systèmes où les zones de chauffage des locaux à basse température fonctionnent peu fréquemment, l'effet de préchauffage sera faible. Dans ce cas, un chauffe-eau domestique supplémentaire est nécessaire. Les possibilités sont nombreuses, dont un autre ballon indirect chauffé par la même pompe à chaleur ou une chaudière, un chauffe-eau à la demande ou encore un chauffe-eau à pompe à chaleur. La figure 2 montre un exemple de ce dernier.

FIGURE 2

En fonctionnement normal, la vanne illustrée à la figure 2 est réglée de manière à ce que l'eau froide domestique pénètre dans la partie inférieure du réservoir de préchauffage. L’entrée d’eau froide du chauffe-eau à pompe à chaleur est fermée. Cependant, si le réservoir de préchauffage nécessite un entretien ou un remplacement, la vanne illustrée permettra de l'isoler. Dans un tel cas, le chauffe-eau à pompe à chaleur serait le seul chauffe-eau domestique.

Un autre avantage intéressant du chauffe-eau à pompe à chaleur est sa capacité à récupérer la chaleur d’une salle mécanique surchauffée et à la mettre à profit. Exemple concret : j’ai eu l’occasion de visiter une salle de mécanique l’automne dernier. Même si la température extérieure était d'environ 35 ºF (dans un endroit où les températures sont inférieures à zéro chaque hiver), j'ai estimé que la température dans la salle mécanique se situait entre 90 et 100 ºF. La chaleur provenait de deux chaudières et de plusieurs centaines de pieds de canalisations en cuivre et en acier non isolées. Une grande partie de cette chaleur finirait par s’échapper par les murs de fondation en pierre non isolés construits au XIXe siècle. Un chauffe-eau à pompe à chaleur ADORERait fonctionner dans cet environnement, et le ferait avec un COP élevé.

Des études supplémentaires sont nécessaires

L’avantage du ballon de préchauffage est facile à comprendre qualitativement. Ce qui est plus difficile, c'est un quantitatif analyse pour déterminer les avantages par rapport aux coûts. Par exemple, dans un système donné, quel est le volume optimal du réservoir de préchauffage et quelle doit être la taille de son échangeur de chaleur interne ? Plus c'est gros, mieux c'est, mais c'est aussi plus cher et les pertes en veille sont plus élevées.

La configuration optimale du réservoir de préchauffage dépend de la température de l'eau de retour des circuits de chauffage des locaux, de la température d'entrée de l'eau froide, du moment et de la quantité d'eau chaude sanitaire puisée, de la température de l'eau froide, de la perte de chaleur à travers l'enveloppe du réservoir, de la température de l'air ambiant, de l'augmentation du COP de la pompe à chaleur principale due à une température d'entrée d'eau plus basse et de l'efficacité de la source de chaleur qui effectue l'augmentation finale de la température de l'eau domestique.

La seule façon pratique de déterminer l’effet net de toutes ces variables serait de procéder à une simulation informatique minute par minute. Je suppose que je devrais mettre ça sur ma bucket list…