La technologie VRF («Variable Flow Technology»), bien que de plus en plus populaire, est encore aujourd’hui un mystère pour plusieurs. On voit de nos jours des tours à condo avec des systèmes refroidis à l’eau, des écoles tirant profit de l’aérothermie et même des édifices à bureau profitant de l’idée de diversité pour optimiser le confort des occupants tout en réduisant la consommation énergétique totale du bâtiment. Ce n’est pas sans raison que le VRF prend, année après année, une plus grande part du marché des projets de CVAC. La technologie reste toutefois complexe et requiert l’implication de personnes compétentes et connaissantes dans toutes les phases d’un projet, notamment la conception, l’installation, la mise en service et l’opération. C’est donc pourquoi il est intéressant de parler aujourd’hui des principes de base de ce genre de système.
Les principes de base
Un système VRF est à la base composé d’une ou de plusieurs unités de condensation reliées à des évaporateurs à l’aide de tuyaux de réfrigérant. Les unités de condensation comportent principalement un échangeur de chaleur réfrigérant/eau, un compresseur de type «scroll» opérant à vitesse variable et des ventilateurs. Plusieurs valves et sondes sont également installées afin d’assurer un fonctionnement adéquat du système. Les évaporateurs, quant à eux, ont une valve d’expansion électronique, un échangeur réfrigérant/eau et un ventilateur.
Figure 1 - Diagramme du cycle de réfrigération et les composantes standards d'un système VRF
Ces équipements sont reliés entre eux non seulement par de la tuyauterie de réfrigérant, mais aussi par du filage de contrôle. Lorsqu’on y ajoute des contrôleurs, centralisés ou locaux, on obtient un système indépendant, pouvant opérer de façon autonome.
Figure 2 - Composantes de base d'un système VRF
Les unités de condensation sont normalement de deux types :
- Refroidies à l’air, pour installation extérieure, et
- Refroidies à l’eau, pour installation intérieure et reliées à une boucle d’eau standard ou de géothermie.
Les évaporateurs eux, viennent dans une dizaine de configurations, allant de l’unité murale au ventilo-convecteur, en passant par le plafonnier de type cassette.
Ces systèmes sont disponibles pour des configurations Thermopompe («Heat Pump») et à récupération de chaleur («Heat Recovery»). Pour bien comprendre la différence entre ces deux types de systèmes, il faut en premier lieu comprendre le principe de diversité, principe qui permet l’optimisation des systèmes VRF d’un projet. Ce principe se base sur deux notions, celles de «Peak Load» et de «Block Load».
- «Peak Load» : chaque évaporateur doit être dimensionné afin de répondre aux besoins de climatisation de la zone qu’il déssert. Le «Peak Load» est donc la somme des charges maximum de tous les évaporateurs d’un même système. Par exemple, si un système est composé de six (6) zones ayant chacune une charge maximale de deux (2) tonnes de refroidissement, le «Peak Load» serait de 12 tonnes.
- «Block Load» : l’unité de condensation doit être dimensionnée selon la plus grosse charge simultanée possible pour le système. Dans notre exemple, bien que chaque zone ait une charge maximale de deux (2) tonnes à combler, il est peu probable, voir même impossible, que toutes les zones aient besoin de leur deux (2) tonnes en même temps. On pourrait donc, dans ce cas, mettre un condenseur d’une capacité de 10 tonnes. On aurait ainsi 83% (10 tonnes sur 12 tonnes) de diversité.
Il est en général avantageux d’optimiser la diversité de nos systèmes, mais il faut faire attention à certaines attrapes. Ces attrapes seront souvent dictées par la configuration du système (thermopompe ou système à récupération de chaleur).
Un système thermopompe est composé de deux tuyaux de réfrigérant, la ligne de liquide et la ligne de succion / gaz chauds. Le système opère dans un seul mode à la fois, soit en chauffage ou soit en refroidissement. Ce mode de fonctionnement, qui est en fait le mode d’opération de l’unité de condensation, force tous les évaporateurs à fonctionner de la même manière. Lorsque nous sommes en mode refroidissement, le réfrigérant passe soit par les lignes de liquide ou de succion. Lorsque nous sommes en chauffage, la ligne de succion devient la ligne de gaz chauds.
Puisque tout le réseau opère dans un seul mode de fonctionnement, il faut porter une attention particulière au regroupement des différentes zones. Bien que regrouper plusieurs zones peut sembler intéressant au niveau de la diversité, ça peut devenir problématique si les zones regroupées fonctionnent fréquemment dans des modes différents (Par exemple, une zone a besoin de climatisation, tandis qu’une autre zone sur le même système a besoin de chauffage).
Figure 3 - Lignes de réfrigérant d'un VRF Thermopompe
Vient ensuite le système À récupération de chaleur («Heat Recovery»). Ce genre de système peut venir avec une configuration à deux ou trois tuyaux, dépendamment du manufacturier. Chaque configuration a ses avantages et inconvénients par rapport à l’autre. Nous n’aborderons toutefois que la configuration à trois tuyaux dans ce texte. Un système à récupération de chaleur, tout comme un système thermopompe, nécessite l’utilisation d’évaporateurs et d’unités de condensation. L’unité de condensation est toutefois différente de celle décrite précédemment, puisqu’elle doit être en mesure de gérer trois lignes de réfrigérant distinctes, les lignes de liquide, de succion et de gaz chauds. Les évaporateurs sont quant à eux les mêmes, c’est-à-dire qu’ils sont reliés uniquement à deux tuyaux de réfrigérant. C’est là qu’entrent en jeu les boîtes de distribution de réfrigérant. Ces boîtes, installées entre l’unité de condensation et les évaporateurs, permet en fait la conversion de trois tuyaux à deux tuyaux. Dans tous les cas, la ligne de liquide se rend jusqu’à l’évaporateur. La deuxième ligne dépend toutefois du mode de fonctionnement désiré de l’évaporateur. S’il y a une demande de refroidissement dans une zone, c’est la ligne de succion qui est envoyée à l’évaporateur. Lorsqu’il y a demande de chauffage, la ligne de succion est remplacée par la ligne de gaz chauds.
Figure 4 - Lignes de réfrigérant d'un VRF à récupération de chaleur
Dans tous les cas, le réfrigérant, peu importe l’état dans lequel il est, va passer par l’unité de condensation. C’est à cet endroit que la récupération d’énergie se fait. Ne vous faites donc pas méprendre! La récupération d’énergie d’un système de récupération à trois tuyaux se fait pour le système en entier, et non au niveau des boîtes de distribution.
Limitations et applications
Bien que le principe de base d’un système VRF semble assez simple, la réalité est quelque peu différente. Même s’il s’agit d’une solution «plug and play», il est primordiale de travailler avec des gens compétents et connaissants de la technologie. Ce sont ces gens qui sauront vous guider vers la meilleure solution, qu’elle soit thermopompe ou à récupération de chaleur. C’est notamment leur devoir de connaître les limites d’opération et de longueur de tuyauterie de leurs systèmes.
Figure 5 - Exemple de limites de longueurs d'un système VRF
C’est également avec leur aide que vous serez en mesure d’intégrer adéquatement votre système VRF à la centralisation de votre bâtiment.
Normes et standards
Finalement, ce sera le devoir de votre représentant de vous guider dans le respect des normes et standards, notamment le CSA B52, qui régit la quantité de réfrigérant acceptable selon l’application. Gardez toujours en tête que la charge de réfrigérant totale d’un système dépend non seulement des unités de condensation qui sont utilisées, mais également des longueurs de ligne de réfrigérant totales que votre projet nécessite.
Auteur:
François Guillemette, ing. jr
Représentant des ventes internes, ITC Technologies Montréal inc.