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Jul 23, 2023

Détails critiques pour les pompes à chaleur sans conduit

Synopsis : Jon Harrod, chef de projet HVAC, décrit la montée en popularité de

Synopsis:Le chef de projet CVC, Jon Harrod, décrit la montée en popularité depompes à chaleur sans conduit , parfois appelés minisplits. Il décrit les principales causes de défaillance de la pompe à chaleur ; y compris les fuites de réfrigérant et de condensat, les problèmes de dégivrage, les filtres obstrués et les problèmes de température, comment assurer une bonne installation et l'importance d'éduquer les clients sur les pièges courants.

Les pompes à chaleur sans conduit gagnent en popularité. Cette croissance est due en partie aux améliorations technologiques qui leur permettent de bien fonctionner dans les climats froids. Les récentes augmentations des prix des combustibles fossiles y ont également contribué, tout comme les programmes des États et des services publics visant à réduire les émissions de carbone en électrifiant les bâtiments. La loi récemment promulguéeLoi sur la réduction de l'inflationstimulera davantage l'adoption de la pompe à chaleur en augmentant les crédits d'impôt fédéraux et en finançant de nouveaux remboursements.

Le boom des pompes à chaleur sans conduit amène de nouveaux installateurs sur le terrain. Certains viennent d'horizons traditionnels en CVC et sont plus familiers avec les fours, les chaudières et les climatiseurs conventionnels. D'autres — électriciens, entrepreneurs de travaux à domicile, charpentiers — viennent de métiers connexes; certains sont nouveaux dans la passation de marchés.

Les obstacles pour devenir installateur de pompes à chaleur sans conduits sont relativement faibles en termes de compétences de base et d'outils requis. Mais malgré leur simplicité apparente, les pompes à chaleur sans conduit peuvent être impitoyables en matière de conception et de fabrication. Une mauvaise installation sans conduit peut devenir un cauchemar pour les propriétaires et les entrepreneurs. Et les mauvais résultats entraînent une mauvaise publicité, ralentissant l'adoption de la pompe à chaleur.

Quelques erreurs faciles à éviter sont responsables de la plupart des problèmes que j'ai rencontrés sur les systèmes sans conduit. Si vous êtes un entrepreneur, prêter attention à ces détails critiques peut éviter des rappels coûteux. Si vous êtes propriétaire, connaître ces pièges peut vous aider à vous assurer que votre nouveau système fonctionne sans problème.

Les pompes à chaleur fonctionnent en déplaçant la chaleur entre l'intérieur et l'extérieur. Le fluide qui transporte la chaleur est appelé fluide frigorigène. Au fur et à mesure que le réfrigérant se déplace dans le système, sa pression augmente et diminue, et il alterne entre les états gazeux et liquide. Lorsqu'il pénètre dans le côté chaud du système, le réfrigérant est comprimé, augmentant sa température. En mode chauffage, ce gaz chaud à haute pression se condense dans le serpentin intérieur, transférant la chaleur à l'air de la maison. Lorsque le réfrigérant, maintenant un liquide chaud, revient du serpentin intérieur, il passe à travers un dispositif de mesure et sa température et sa pression chutent. Le réfrigérant s'évapore à la pression inférieure, absorbant la chaleur de l'air extérieur froid. En été, le processus est inversé ; le serpentin intérieur devient l'évaporateur absorbant la chaleur et le réfrigérant chaud à haute pression se condense dans le serpentin extérieur, libérant de la chaleur.

Les pompes à chaleur sans conduit sont parfois appelées"minisplis." Les pompes à chaleur avec et sans conduits sont des systèmes "split" ; leurs serpentins intérieurs et extérieurs sont dans des équipements séparés. Plutôt que de distribuer l'air conditionné par des conduits, les pompes à chaleur sans conduit utilisent des têtes autoportantes montées sur les murs ou les plafonds qui soufflent directement dans les espaces qu'elles desservent. "Minisplits" fait référence aux plus petites sorties Btu disponibles dans les unités sans conduit (aussi petites que 6 000 Btu, contre 18 000 à 60 000 Btu pour la plupart des systèmes avec conduit). Ici, je me concentre sur les pompes à chaleur sans conduits, mais bon nombre des mêmes préoccupations s'appliquent également aux systèmes à conduits.

Une installation réussie de pompe à chaleur sans conduit nécessite une attention particulière au placement des unités intérieures et extérieures et aux interconnexions entre elles. Les considérations de placement incluent les impacts visuels et sonores, le flux d'air, la protection contre les dommages et les longueurs de ligne minimales et maximales autorisées. Les conduites de réfrigérant doivent être étanches et entièrement isolées. Les circuits de puissance et les câbles de communication doivent être dimensionnés et installés conformément auxCode national de l'électricité et les instructions du fabricant. La tuyauterie de condensat doit être correctement inclinée, sans pièges ni pentes ascendantes et ne doit pas se terminer dans le sol ou le paillis. Tous les composants du système doivent être correctement pris en charge.

Pour fonctionner correctement, le circuit frigorifique doit être étanche. Un système qui manque légèrement de réfrigérant fonctionnera de manière inefficace et aura du mal à atteindre sa puissance nominale. Un système qui est très bas s'arrêtera probablement complètement. Le fonctionnement avec un faible niveau de réfrigérant entraîne une usure supplémentaire des composants critiques tels que le compresseur. Et, comme les réfrigérants comme le R-410A utilisé dans les pompes à chaleur modernes sont de puissants gaz à effet de serre, les fuites sont une préoccupation environnementale majeure.

Les unités intérieures et extérieures d'une pompe à chaleur sont reliées par des tubes en cuivre appelés ensembles de lignes. Dans les systèmes sans conduits, les raccordements sont généralement réalisés avec des raccords évasés. Un évasement bien fait peut fournir une connexion durable et sans fuite. L'évasement reste la technique la plus courante pour connecter des ensembles de conduites sans conduit, mais d'autres approches sont disponibles. Le brasage (un processus similaire au soudage de la plomberie en cuivre) est largement utilisé pour les pompes à chaleur et les climatiseurs conventionnels et peut également être utilisé pour les systèmes sans conduits. Les raccords sertis et push-to-connect deviennent également populaires. Si ces raccords alternatifs sont utilisés, suivez attentivement les instructions du fabricant. Quel que soit le type de connexion, une vérification approfondie des fuites doit être effectuée avant d'ajouter du réfrigérant. Aucun test unique ne peut détecter toutes les fuites, mais une méthodologie en quatre étapes peut détecter toutes les fuites importantes et la plupart des plus petites.

En été, les pompes à chaleur refroidissent et déshumidifient l'air intérieur. Au fur et à mesure que l'air passant au-dessus du serpentin intérieur refroidit jusqu'à son point de rosée, l'humidité se condense et s'égoutte dans le bac de récupération en dessous. Dans une installation sans conduit typique, un tuyau flexible transportant le condensat sort par l'arrière de l'unité intérieure et traverse le mur extérieur. Le tuyau se raccorde à un tuyau d'évacuation. Le tuyau d'évacuation transporte le condensat jusqu'au bas du mur, où il s'égoutte sur le sol.

Si le bac, le tuyau ou le tuyau d'évacuation sont bloqués ou mal inclinés, le condensat remontera, courant généralement le long du mur derrière l'unité intérieure. Il y a quelques points clés à retenir lorsqu'il s'agit de prévenir les fuites de condensat lors de l'installation. La première consiste à monter l'unité intérieure de niveau ou légèrement inclinée vers l'ouverture du bac de récupération. Lorsque vous percez le trou à travers le mur pour l'évacuation des condensats, percez de manière à ce qu'il penche vers l'extérieur et assurez-vous que le tuyau d'évacuation flexible est incliné vers le bas lorsqu'il sort du mur. Pour maintenir le tuyau dans la bonne position, collez-le sous les embouts du tube de réfrigérant avant de faire passer l'ensemble du faisceau à travers le mur. Les drains de condensat extérieurs doivent être faits de matériaux rigides ou semi-rigides commePER ou PVC. Vérifiez que tous les raccords de tuyaux et de tuyaux sont correctement serrés et assurez-vous que le drain extérieur descend continuellement avec une pente minimale de 1 ⁄ 4 po par pied. Fixez-le à intervalles réguliers pour éviter tout mouvement ou affaissement. Terminez l'extrémité inférieure du tuyau d'évacuation au-dessus du niveau du sol - ne l'immergez pas dans une flaque d'eau et ne l'enterrez pas dans de la terre ou du paillis.

Testez les drains de condensat à chaque installation. Avec le système éteint, versez lentement quelques litres d'eau sur le serpentin. De la condensation peut également se former sur des ensembles de lignes mal isolés traversant des espaces conditionnés et non conditionnés. Une isolation complète des ensembles de conduites est utile en tant que mesure d'efficacité, mais son plus grand avantage est d'empêcher les gouttes de condensat.

Les problèmes de condensat ont tendance à apparaître tous en même temps pendant la première semaine chaude et humide de l'été. Une fois le système installé, un entretien régulier, y compris le nettoyage des bacs de récupération et de la tuyauterie, est essentiel pour prévenir les fuites de condensat.

Pour absorber la chaleur en hiver, une pompe à chaleur doit rendre son serpentin extérieur plus froid que l'air qui le traverse. Lorsque la température extérieure est inférieure à 40 °F, la température du serpentin chute sous le point de congélation et le givre s'accumule. Trop de givre bloque le flux d'air à travers le serpentin et empêche la pompe à chaleur de fonctionner efficacement. Pour éliminer ce givre, les pompes à chaleur doivent passer périodiquement par un cycle de dégivrage. Le système arrête de chauffer et inverse temporairement le flux de réfrigérant, prélevant la chaleur de la maison et l'utilisant pour réchauffer le serpentin extérieur. Le ventilateur extérieur s'arrête pour accélérer le processus de fonte. Pour minimiser les problèmes de confort, les unités sans conduits tournent généralement leur ventilateur intérieur à basse vitesse et ajustent leurs persiennes pour diriger l'air frais vers le haut et loin des occupants.

Quelques étapes simples peuvent éviter de nombreux rappels liés au dégivrage. Tout d'abord, informez les propriétaires sur le cycle de dégivrage, qui est une partie normale et nécessaire du fonctionnement par temps froid. Faire savoir aux propriétaires que le système s'arrêtera périodiquement de chauffer et soufflera doucement de l'air frais peut éviter des plaintes comme "Cette chose a un esprit qui lui est propre!"

Il est également important de protéger les unités extérieures de l'eau en vrac. La fonte des neiges concentrée ou les fortes pluies tombant sur l'unité extérieure peuvent entraîner une accumulation excessive de glace sur le serpentin extérieur. Dans la mesure du possible, placez les unités extérieures à l'écart des conduites d'égouttement et des noues de toit. En cas de neige abondante ou de ruissellement, envisagez un toit ou un auvent de protection. L'élévation des unités extérieures au-dessus de l'épaisseur de la neige est importante pour leur fonctionnement dans les climats nordiques. L'élévation de l'unité permet également à l'eau de fonte du cycle de dégivrage de s'écouler librement. Veillez à placer les unités extérieures près des allées, où l'eau de fonte peut recongeler et créer un risque de glissade.

Dans les climats plus froids, utilisez un réchauffeur de bac de récupération, qui est une petite bobine à résistance électrique qui empêche l'eau fondue pendant le dégivrage de recongeler à l'intérieur de l'unité extérieure. Sans cet appareil de chauffage, la glace peut s'accumuler, bloquant et endommageant éventuellement le serpentin. De nombreuses pompes à chaleur conçues pour une utilisation en climat froid sont livrées avec des réchauffeurs de bac de récupération déjà installés.

Dans les systèmes de pompe à chaleur sans conduit, les unités intérieures et extérieures sont connectées avec des ensembles de conduites en cuivre et des raccords évasés. Un évasement bien fait est essentiel pour une connexion durable et sans fuite.

Parmi les problèmes courants des installations sans conduits, ceux impliquant le contrôle de la température sont parmi les plus difficiles à résoudre. Je vais aborder ici quelques problèmes courants. Les conseils suivants supposent que vous avez corrigé tous les défauts flagrants impliquant des fuites d'isolation et d'air et effectué des calculs précis de charge de chauffage et de refroidissement ; ces étapes sont essentielles pour obtenir de bons résultats avec n'importe quel type de système.

Un problème concerne un décalage entre le point de consigne sur le contrôleur sans conduit et la température mesurée dans l'espace de vie. Ce problème est inhérent à la conception des systèmes sans conduit. Le capteur de température intérieure est monté sur la tête sans conduit elle-même. Pour les têtes sans conduit à mur haut, cela signifie que le capteur est généralement à 6 pieds ou 7 pieds du sol. La tendance de l'air chaud à monter et la proximité du capteur avec le serpentin intérieur chaud signifient que la température qu'il détecte est souvent supérieure de quelques degrés à celle ressentie par les occupants plus bas dans la pièce. Une façon d'atténuer ce problème consiste à installer des têtes sans conduit à au moins 6 po à 8 po sous le plafond pour réduire les effets de la stratification de la température. Cela permet également à la tête d'aspirer de l'air légèrement plus frais, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur. L'utilisation de vitesses de ventilateur moyennes à élevées peut également réduire la stratification de la température et fournir un meilleur mélange dans la pièce. Une autre solution est un thermostat à distance, qui permet à la tête sans conduit de détecter la température plus près du niveau de l'occupant.

Quelles que soient les solutions utilisées, il est important d'éduquer les propriétaires sur la détection de température sans conduit. J'encourage les propriétaires à choisir un point de consigne auquel ils se sentent à l'aise, même s'il est supérieur de quelques degrés à celui qu'ils ont réglé leurs thermostats dans le passé.

Un autre problème lié à la température est spécifique aux systèmes sans conduit multizones. Dans ces systèmes, plusieurs têtes intérieures se connectent à une seule unité extérieure. Un exemple typique pourrait impliquer une unité extérieure connectée à une tête plus grande dans le salon et à des têtes plus petites dans trois chambres. Des problèmes surviennent lorsqu'une seule des plus petites zones demande de la chaleur. L'unité extérieure peut ralentir sa sortie, mais seulement jusqu'à présent ; la plupart des unités extérieures multizones peuvent moduler jusqu'à environ un tiers de leur capacité maximale. Si la tête qui demande de la chaleur ne peut pas gérer la sortie minimale de l'unité extérieure, le système peut purger le réfrigérant à travers les autres têtes, provoquant un chauffage ou un refroidissement indésirable dans ces zones. Il peut également s'allumer et s'éteindre, entraînant un bruit supplémentaire, une perte d'efficacité et une usure du système.

Une façon d'éviter ce problème consiste à utiliser plusieurs pompes à chaleur à zone unique ("one-to-ones") plutôt qu'un système multizone. Les pompes à chaleur à zone unique peuvent généralement moduler beaucoup plus bas que les systèmes multizones. Le problème peut également être résolu en utilisant un appareil de traitement d'air canalisé pour desservir un groupe de pièces. Par exemple, si une maison de trois chambres a toutes les chambres dans la même zone générale, elles pourraient partager un appareil de traitement de l'air compact plutôt que d'avoir chacune sa propre tête. La centrale de traitement d'air, assurant le chauffage et le refroidissement de toutes les chambres, peut mieux gérer la puissance minimale de l'unité extérieure.

D'autres problèmes avec les systèmes multizones mal conçus incluent les pertes d'efficacité et le bruit. Bien qu'il soit tentant de concevoir des solutions pour toute la maison autour d'unités extérieures multizones, je me fais toujours un devoir d'envisager d'autres options.

Les fuites de réfrigérant sont l'une des causes les plus courantes de rappels pour les systèmes de pompe à chaleur sans conduit. Ils peuvent se présenter de différentes manières : sous forme de plaintes de chauffage ou de refroidissement inadéquats, sous forme de codes d'erreur et de verrouillages intermittents, de serpentins intérieurs ou extérieurs givrés et de factures d'énergie élevées. Si elles ne sont pas traitées, les fuites de réfrigérant peuvent réduire considérablement la durée de vie de l'équipement. Ils constituent également un grave problème environnemental; les réfrigérants courants ont des potentiels de réchauffement planétaire des milliers de fois supérieurs à ceux du CO2. Il existe quatre tests que les installateurs peuvent utiliser pour s'assurer que la tuyauterie de réfrigérant est étanche avant d'ajouter du réfrigérant à un système potentiellement fuyant. Chacun de ces tests a ses forces et ses limites ; les quatre, pris ensemble, capteront presque toutes les grandes fuites et de nombreuses petites.

Le temps supplémentaire que les tests approfondis ajoutent à une installation sera plus que compensé par les rappels évités. Les entrepreneurs généraux, les chefs de projet et les consommateurs impliqués dans des projets de pompes à chaleur doivent insister sur ces tests - et sur la documentation des résultats satisfaisants - pour s'assurer que le travail répond à leurs normes de confort, de durabilité et de gérance de l'environnement.

1. Le test de pression permanente consiste à remplir les ensembles de lignes avec de l'azote à haute pression. Ce test est bon pour détecter les fuites importantes, mais sa sensibilité est limitée par la durée du test (généralement de 45 minutes à 24 heures), les fluctuations de pression causées par les changements de température extérieure et la résolution des jauges. Montré ici est un manomètre analogique, qui peut être lu à environ 1 psi.

2. Le test des bulles est effectué alors que le système est sous pression et est plus sensible aux petites fuites que le test de pression permanente. Pour le test de bulle, une solution de test de fuite approuvée est pulvérisée ou tamponnée sur les fusées éclairantes. Si après environ 10 minutes des bulles se forment, cela signifie qu'il y a une fuite et que l'évasement doit être refait.

3. Le test de dégradation sous vide se fait juste avant de remplir les ensembles de lignes avec du réfrigérant. À ce stade, les ensembles de lignes ont été pompés dans un vide profond pour éliminer l'air et l'humidité. Le niveau de vide est mesuré avec une jauge sensible au micron. Pour réussir ce test, le système doit maintenir le vide poussé après l'arrêt de la pompe.

4.Le test final se fait avec unDétecteur de fuite de réfrigérant électronique . Une fois que le réfrigérant est libéré dans le système, le détecteur de fuites est passé sur les fusées éclairantes et autres raccords. Cela offre une dernière chance d'attraper les fuites tout en restant sur place. Il vérifie également les composants tels que les vannes de service et les ports d'accès qui ne peuvent pas être testés par d'autres méthodes.

Les pompes à chaleur modernes pour climat froid sont équipées d'électronique sophistiquée. Leurs cartes contiennent des circuits de contrôle de puissance qui transforment le courant alternatif en signaux de courant continu à fréquence variable, permettant aux compresseurs d'accélérer ou de ralentir en réponse à la demande de chauffage ou de refroidissement. Des capteurs et des microprocesseurs coordonnent également le fonctionnement du compresseur, des ventilateurs intérieurs et extérieurs et des vannes de dosage de réfrigérant, optimisant le système dans une large gamme de conditions intérieures et extérieures.

Ces microprocesseurs et circuits imprimés, si essentiels au fonctionnement des pompes à chaleur pour climat froid, sont aussi leur talon d'Achille. L'électronique peut être endommagée ou détruite par des surtensions, soit lors d'un seul événement catastrophique, soit progressivement à travers une série de surtensions de niveau inférieur. Les dommages peuvent rendre un système inutilisable. Un circuit imprimé frit ne peut pas être réparé ; il doit être remplacé.

Heureusement, il est facile et peu coûteux d'ajouter une protection contre les surtensions à un système de pompe à chaleur. Les parasurtenseurs fonctionnent en détournant le courant de l'appareil vers le sol. Les protecteurs de surtension CVC sont généralement installés sur le sectionneur extérieur. Lorsque l'alimentation du circuit est coupée au niveau du panneau, le sectionneur est ouvert et une entrée défonçable est retirée du bas ou du côté. Les fils du parasurtenseur et un mamelon fileté sont alimentés à travers la découpe, et l'appareil est fixé avec un contre-écrou. Les deux fils noirs sont connectés aux fils de ligne entrants et le fil vert est connecté au fil de terre. Le sectionneur est fermé et le circuit est remis sous tension. L'ensemble du processus prend moins de 15 minutes.

Bien que l'ajout d'une protection contre les surtensions dans le cadre d'une nouvelle installation ajoute un coût initial modeste, cela peut éviter des maux de tête beaucoup plus importants sur la route. Et une fois installés, les parasurtenseurs ne nécessitent pratiquement aucun entretien. Les propriétaires doivent être informés de surveiller l'indicateur LED pour s'assurer que l'appareil est toujours actif et d'appeler pour le remplacer si la LED s'éteint. Les techniciens de maintenance doivent également vérifier les protecteurs de surtension dans le cadre de la maintenance préventive. Pour éviter d'endommager l'équipement, les protecteurs de surtension usés doivent être remplacés rapidement.

Un rappel sans conduit courant mais facilement résolu est causé par des filtres obstrués. Cela se manifeste généralement par une plainte de chauffage ou de refroidissement insuffisant. L'un des moyens par lesquels les systèmes sans conduit atteignent leurs cotes d'efficacité élevées consiste à minimiser l'énergie du ventilateur. L'inconvénient des ventilateurs de faible puissance est qu'ils ne peuvent pas surmonter beaucoup de résistance au flux d'air. Les filtres sans conduit sont constitués d'un maillage grossier en plastique. Lorsqu'ils sont propres, ils permettent à l'air de circuler librement. Mais ils peuvent facilement se boucher avec des poils d'animaux, des toiles d'araignées et d'autres poussières domestiques. Et sans un bon débit à travers le serpentin intérieur, la tête sans conduit perd sa capacité à chauffer et à refroidir.

Le nettoyage d'un filtre sans conduit prend environ 10 minutes. Je préfère un aspirateur à main avec une petite brosse. La fréquence à laquelle un filtre doit être nettoyé dépend de la charge de poussière et en particulier du nombre et de la taille des animaux qui se débarrassent. Dans certaines maisons, les filtres doivent être nettoyés toutes les deux ou trois semaines ; dans d'autres, tous les deux mois suffisent.

Pour nous assurer que les clients gardent leurs filtres propres entre nos visites de service annuelles, nous avons besoin d'une meilleure éducation des clients. Il est important de réserver du temps pour guider les clients étape par étape dans l'exploitation et la maintenance. Ne leur dites pas qu'ils doivent nettoyer leurs filtres ; faites-leur une démonstration pratique.

Alors que nous cherchons à développer les installations de pompes à chaleur sans conduit, la prévention des rappels est essentielle. Les rappels sont coûteux et décourageants pour les entrepreneurs et bouleversants pour les propriétaires. Il y a beaucoup d'informations à assimiler, j'aime donc laisser aux clients un guide d'une page qui couvre les points clés, y compris les meilleures pratiques de fonctionnement, le nettoyage du filtre, l'entretien annuel et la couverture de la garantie. Avec l'éducation des clients, ainsi qu'une attention particulière aux détails clés de la conception et de l'installation du système, certains des rappels les plus courants peuvent être évités.

—Jon Harrod est écrivain, chef de projet CVC et consultant en science du bâtiment basé à Ithaca, NY

Photos de Rodney Diaz.

De Fine Homebuilding # 314

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J'ai installé 14 unités mini split simples. Même si j'ai testé la pression avec de l'azote sec à 400 à 500 PSI (selon les instructions de fabrication), deux unités ont fui plus tard au niveau des raccords évasés, j'ai donc commencé à utiliser des joints Rectorseal Flaring. (Peut-être que si j'utilisais la clé dynamométrique au niveau du raccord flare je n'aurais pas son problème)

Mitsubishi (et d'autres) précisent, une triple évacuation lors de l'installation. C'est là que vous pressurisez le système avec de l'azote sec, relâchez l'azote, fixez la pompe à vide pendant environ une heure, puis répétez le processus deux fois de plus. Les pressions exactes sont dans les instructions d'installation. (vérification des fuites lorsqu'il est sous pression avec de l'azote)