Les éléments d’un système CVC efficace

3 janvier 2023 Non Par Bricolage Plus

Les systèmes d’aujourd’hui sont conçus pour répondre à des exigences plus strictes en matière d’environnement, de qualité de l’air intérieur et des utilisateurs. Bon nombre des gains d’efficacité du système CVC sont le résultat d’améliorations de l’efficacité de fonctionnement des composants clés du système. D’autres gains sont le résultat de l’utilisation de technologies nouvelles ou nouvelles dans le domaine du CVC. Même l’utilisation d’outils de conception assistée par ordinateur a aidé les ingénieurs système à concevoir des systèmes CVC qui fonctionnent plus efficacement.

Bien que de nombreuses avancées individuelles aient contribué à améliorer l’efficacité de fonctionnement du système CVC, une grande partie de l’amélioration globale peut être attribuée à cinq facteurs clés :

– Le développement des refroidisseurs à faible kW/tonne ;

– L’utilisation de systèmes de contrôle de chaudière à haut rendement;

– L’application de systèmes de contrôle numérique direct (DDC) ;

– L’utilisation de moteurs économes en énergie ; et,

– L’adaptation des variateurs de fréquence aux moteurs de pompe, de ventilateur et de refroidisseur.

Pendant des années, les propriétaires de bâtiments ont été satisfaits des performances et de l’efficacité des refroidisseurs qui fonctionnaient dans la plage de 0,8 à 0,9 kW/tonne lorsqu’ils étaient neufs. À mesure qu’ils vieillissent, les efficacités de fonctionnement réelles chutent à plus de 1,0 kW/tonne à pleine charge.

Aujourd’hui, de nouveaux refroidisseurs sont installés avec des rendements à pleine charge de 0,50 kW/tonne, soit une augmentation de près de 50 %. Tout aussi impressionnants sont les rendements à charge partielle de la nouvelle génération de refroidisseurs. Bien que l’efficacité de fonctionnement de presque tous les refroidisseurs plus anciens diminue rapidement avec une charge réduite, l’efficacité de fonctionnement des nouveaux refroidisseurs ne diminue pas aussi rapidement.

Modifications de la conception du refroidisseur

Plusieurs modifications de conception et de fonctionnement ont contribué à améliorer les performances du refroidisseur. Pour améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur des refroidisseurs, les fabricants ont augmenté la taille des échangeurs de chaleur des unités. Les systèmes de commande électromécaniques ont été remplacés par des commandes électroniques à microprocesseur qui offrent une plus grande précision, fiabilité et flexibilité. Les variateurs de fréquence contrôlent la vitesse du compresseur, ce qui entraîne une augmentation des performances à charge partielle.

L’efficacité énergétique accrue n’est pas le seul avantage de la nouvelle génération de refroidisseurs de bâtiment ; ces refroidisseurs offrent un meilleur confinement du réfrigérant. Bien que les refroidisseurs plus anciens puissent régulièrement perdre 10 à 15 % de la charge de réfrigérant par an, les nouveaux refroidisseurs peuvent limiter les pertes à moins de 0,5 %. Des taux de fuite plus faibles et de meilleurs systèmes de purge réduisent la quantité de gaz non condensables trouvés dans le système de réfrigérant – un facteur clé pour maintenir les performances du refroidisseur dans le temps.

Un autre développement important concerne le fonctionnement des chaudières : le remplacement des commandes pneumatiques et manuelles par des systèmes à microprocesseur. En règle générale, on peut s’attendre à ce que les systèmes réalisent des économies d’énergie de 5 à 7 % par rapport aux systèmes pneumatiques conventionnels.

Les systèmes de contrôle à base de microprocesseur réalisent leurs économies principalement grâce à leur capacité à moduler le fonctionnement de la chaudière avec plus de précision que les systèmes à base pneumatique. En modulant le fonctionnement de la chaudière avec précision, les systèmes aident à maintenir le bon rapport carburant-air et à suivre la charge placée sur la chaudière par le système CVC.

Les systèmes à microprocesseur offrent plusieurs avantages supplémentaires, notamment des capacités de surveillance et d’exploitation à distance, des séquences de contrôle automatisées, la surveillance du débit de vapeur et des coûts de maintenance réduits. L’une des façons dont les systèmes peuvent aider à réduire les coûts de maintenance est leur capacité à maintenir un rapport carburant-air approprié. En maintenant le bon rapport, les systèmes réduisent la vitesse à laquelle la suie s’accumule sur les tubes de la chaudière, diminuant ainsi la fréquence de démontage et de nettoyage requis. Garder les tubes de la chaudière exempts de suie contribue également à améliorer l’efficacité thermique de la chaudière.

Commandes numériques directes

Un changement majeur dans le domaine du CVC est la mise en œuvre généralisée des commandes numériques directes (DDC). Introduits il y a plus de 15 ans, les systèmes DDC sont aujourd’hui devenus la norme de l’industrie pour la conception de systèmes de contrôle. Avec la capacité de fournir un contrôle précis et précis de la température et des débits d’air et d’eau, les systèmes ont largement remplacé les systèmes de contrôle pneumatiques et électriques.

Les systèmes DDC aident les propriétaires de bâtiments à économiser de l’énergie de plusieurs manières. Leur exactitude et leur précision éliminent presque les problèmes de contrôle de décalage, de dépassement et de pompage couramment rencontrés dans les systèmes pneumatiques, ce qui se traduit par une meilleure régulation du système. Leur capacité à répondre à une gamme presque illimitée de capteurs se traduit par des activités de contrôle mieux coordonnées. Cela permet également aux systèmes d’effectuer des stratégies de contrôle plus complexes que celles qui pourraient être réalisées avec des commandes pneumatiques. Enfin, leur étalonnage simple ou automatique garantit que les systèmes de contrôle fonctionneront comme prévu au fil du temps, avec peu ou pas de perte de précision.

Les systèmes DDC offrent également plusieurs autres avantages. Étant donné que les stratégies de contrôle sont basées sur des logiciels, les systèmes peuvent être facilement modifiés pour s’adapter aux changements des besoins des occupants sans modifications matérielles coûteuses. Les systèmes DDC sont également idéaux pour les applications qui bénéficient d’une surveillance et d’un fonctionnement à distance.

Moteurs économes en énergie

Les systèmes CVC d’aujourd’hui utilisent des moteurs économes en énergie. Les moteurs écoénergétiques offrent une augmentation modérée mais significative de l’efficacité de fonctionnement à pleine charge par rapport aux conceptions de moteurs standard. Par exemple, un moteur de 10 ch économe en énergie fonctionne à environ 93 % d’efficacité ; un moteur standard de la même taille est généralement évalué à 88 %. De même, un moteur écoénergétique de 50 ch a une efficacité nominale d’environ 94 %, contrairement à l’efficacité nominale de 90 % d’un moteur standard de 50 ch.

Cette augmentation du rendement de fonctionnement s’accompagne d’une première augmentation du coût des moteurs. La rapidité avec laquelle ce premier coût supplémentaire est récupéré dépend de deux facteurs : la charge du moteur et le nombre d’heures de fonctionnement du moteur par an.

Plus le moteur est utilisé près de sa pleine charge nominale et plus le nombre d’heures par an d’utilisation du moteur est élevé, plus le différentiel de premier coût est récupéré rapidement. Pour la plupart des applications où le moteur fonctionne en continu à pleine charge ou presque, la période de récupération du premier coût supplémentaire est généralement comprise entre trois et six mois.

La combinaison d’une charge constante et de longues heures de fonctionnement a rendu les applications HVAC bien adaptées à l’utilisation de moteurs économes en énergie. On trouve généralement des moteurs à haut rendement énergétique entraînant des pompes de circulation centrifuges et des ventilateurs de système. Avec ces charges, l’augmentation de 4 ou 5 % du rendement électrique du moteur d’entraînement se traduit par des économies d’énergie importantes, en particulier lorsque les systèmes fonctionnent 24 heures sur 24, toute l’année.

Un avantage secondaire de la conception d’un moteur économe en énergie est son facteur de puissance plus élevé. L’augmentation du facteur de puissance d’un moteur d’entraînement réduit la consommation de courant sur le système électrique, libère une capacité de distribution supplémentaire et réduit les pertes de distribution dans le système. Bien que l’augmentation du facteur de puissance ne soit pas un avantage suffisant pour justifier la différence de coût du moteur à haut rendement, c’est une considération importante, en particulier pour les gros utilisateurs d’électricité où la capacité du système est limitée.

Bien que les moteurs se soient révélés très rentables dans de nouvelles applications, leur utilisation dans des applications existantes est un peu plus difficile à justifier. Dans la plupart des cas, le coût de remplacement d’un moteur existant en fonctionnement par un moteur plus efficace ne sera pas récupéré avant cinq à dix ans ou plus.

Parmi les améliorations apportées aux systèmes CVC qui ont contribué à accroître l’efficacité de fonctionnement, les variateurs de fréquence ont eu les résultats les plus spectaculaires. Appliqués aux composants du système allant des ventilateurs aux refroidisseurs, les variateurs se sont avérés très efficaces pour réduire les besoins énergétiques du système pendant le fonctionnement à charge partielle. Et avec la plupart des systèmes fonctionnant à des capacités de charge partielle 90 % ou plus du temps, les économies d’énergie produites par les variateurs de fréquence récupèrent rapidement leur investissement, généralement en un à deux ans.

En général, plus le moteur est gros, plus les économies sont importantes. En règle générale, presque tous les moteurs de système CVC de 20 ch et plus peuvent bénéficier de l’installation d’un variateur de fréquence.

Applications d’entraînement à fréquence variable

Les variateurs de fréquence réalisent leurs économies en faisant varier la fréquence et la tension de l’alimentation électrique du moteur. Cette variation est utilisée pour réduire la vitesse de fonctionnement de l’équipement qu’elle contrôle pour correspondre aux exigences de charge. À vitesse de fonctionnement réduite, la consommation électrique du moteur d’entraînement diminue rapidement.

Par exemple, un ventilateur centrifuge, lorsqu’il fonctionne à un débit de 75 %, ne consomme qu’environ 40 % de la puissance à pleine charge. À un débit de 50 %, la puissance requise pour le ventilateur diminue à moins de 15 % de la puissance à pleine charge. Alors que les systèmes de contrôle conventionnels, tels que le contrôle des registres ou des palettes, réduisent également les besoins énergétiques à débit partiel, les économies sont nettement moindres.

Un autre domaine où les variateurs de fréquence ont amélioré l’efficacité de fonctionnement d’un système HVAC est celui des pompes centrifuges présentes dans les systèmes de circulation d’eau chaude et réfrigérée. Généralement, ces pompes fournissent un débit d’eau constant aux unités terminales. Au fur et à mesure que la demande d’eau de chauffage ou de refroidissement diminue, les vannes de régulation des unités terminales ralentissent. Pour maintenir constante la pression dans le système, une vanne de dérivation entre les systèmes d’alimentation et de retour s’ouvre. Le débit restant presque constant, la charge sur l’entraînement électrique de la pompe reste également presque constante.

Les variateurs de fréquence régulent la pression dans le système en réponse à des demandes variables en ralentissant la pompe. Comme pour les ventilateurs centrifuges, la puissance requise par les pompes diminue à mesure que la charge et la vitesse diminuent. Là encore, étant donné que la plupart des systèmes fonctionnent bien en dessous de leur capacité nominale 90 % du temps, les économies réalisées grâce à un fonctionnement à vitesse réduite sont importantes, récupérant généralement le coût de l’unité en un à deux ans.

Charges de refroidisseur

Une troisième application pour les variateurs de fréquence est les refroidisseurs centrifuges. Les refroidisseurs sont dimensionnés pour les charges de refroidissement de pointe, bien que ces charges ne se produisent que quelques heures par an.

Avec les systèmes de contrôle conventionnels qui ferment les aubes à l’entrée du refroidisseur, l’efficacité du refroidisseur diminue considérablement pendant le fonctionnement à charge partielle. Lorsque des variateurs de fréquence sont appliqués à ces refroidisseurs, ils régulent le fonctionnement du refroidisseur en réduisant la vitesse du compresseur. Le résultat est une efficacité de fonctionnement proche de la pleine charge sur une très large gamme de charges de refroidissement. Cette augmentation de l’efficacité à charge partielle se traduit par une augmentation de 15 à 20 % de l’efficacité saisonnière du refroidisseur.

La conservation de l’énergie n’est pas le seul avantage des variateurs de fréquence. Une contrainte est exercée sur un moteur électrique et le système mécanique qu’il entraîne chaque fois qu’une pompe, un ventilateur ou un refroidisseur est démarré à pleine tension : l’enroulement du moteur s’échauffe, les courroies patinent, les chaînes d’entraînement s’étirent et une haute pression se développe dans les systèmes de circulation . Les variateurs de fréquence réduisent ces contraintes en démarrant les systèmes à des tensions et des fréquences réduites lors d’un démarrage progressif, ce qui prolonge la durée de vie du moteur et de l’équipement.

Enfin, l’élément le plus important d’un système CVC écoénergétique est la façon dont le système est exploité. Quelle que soit la sophistication du système ou l’étendue de ses fonctions d’économie d’énergie, la performance du système dépend de la manière dont il est utilisé et entretenu. Le personnel d’exploitation doit être correctement formé sur la meilleure façon d’utiliser le système et ses fonctionnalités. Le personnel de maintenance doit être formé et équipé des outils appropriés pour maintenir le système en bon état de fonctionnement. La maintenance ne peut pas être différée.

Les systèmes CVC écoénergétiques offrent au gestionnaire de l’installation la possibilité d’améliorer les performances du système tout en réduisant les besoins en énergie. Mais ils ne profitent aux propriétaires d’immeubles que dans la mesure où ils sont pris en charge. Si les gestionnaires d’installations choisissent d’ignorer les exigences de maintenance, ils pourraient bientôt trouver des systèmes défectueux au point où ils ont en fait augmenté les besoins en énergie.