Système chiller-fan coil : principe de fonctionnement et aménagement du système de thermorégulation

Le système climatique multizone chiller-fan coil est conçu pour créer des conditions confortables à l'intérieur d'un bâtiment de grande surface. Il fonctionne en permanence — en été, il fournit du froid, et en hiver, de la chaleur, en réchauffant l'air jusqu'à la température souhaitée. Il vaut la peine de se familiariser avec son fonctionnement, n'est-ce pas ?

Dans l'article que nous vous proposons, la construction et les composants du système climatique sont décrits en détail. Les méthodes de raccordement des équipements sont présentées et analysées en détail. Nous vous expliquerons comment ce système de thermorégulation est conçu et fonctionne.

Composants du schéma chiller-fan coil

Le rôle du dispositif de refroidissement est dévolu au chiller — une unité extérieure qui produit et distribue le froid via des canalisations dans lesquelles circule de l'eau ou de l'éthylène glycol. C'est en cela qu'elle se distingue des autres systèmes split, où l'on utilise du fréon comme caloporteur.

Pour le déplacement et le transfert du fréon, un réfrigérant, des tuyaux en cuivre coûteux sont nécessaires. Ici, en revanche, des tuyaux d'eau avec isolation thermique remplissent parfaitement cette tâche. Son fonctionnement n'est pas affecté par la température extérieure, alors que les systèmes split au fréon perdent leur efficacité dès -10⁰. L'unité d'échange thermique intérieure est le fan coil.

Il reçoit le liquide à basse température, puis transmet le froid à l'air ambiant de la pièce, et le liquide réchauffé retourne vers le chiller. Les fan coils sont installés dans toutes les pièces. Chacun d'eux fonctionne selon un programme individuel.

Les éléments principaux du système sont la station de pompage, le chiller et le fan coil. Le fan coil peut être installé à grande distance du chiller. Tout dépend de la puissance de la pompe. Le nombre de fan coils est proportionnel à la puissance du chiller.

De tels systèmes sont généralement utilisés dans les hypermarchés, les centres commerciaux, les constructions souterraines, les hôtels. Parfois, ils sont utilisés comme chauffage. Dans ce cas, par le deuxième circuit, de l'eau chauffée est envoyée aux fan coils ou le système est commuté sur une chaudière de chauffage.

Conception structurelle du système

Selon la conception structurelle, les systèmes chiller-fan coil peuvent être à 2 tubes ou à 4 tubes. Selon le type d'installation, on distingue des appareils muraux, au sol, et encastrés.

Le système est évalué selon les paramètres principaux suivants :

• puissance ou capacité de refroidissement du chiller ;
• capacité des fan coils ;
• de l'efficacité du déplacement de la masse d'air;
• à la longueur des canalisations.

Le dernier paramètre dépend de la puissance de l'installation de pompage et de la qualité de l'isolation thermique des tuyaux.

Raccordement du chiller et du fan coil

Le fonctionnement harmonieux du système est obtenu en connectant le chiller à un ou plusieurs fan coils via des canalisations isolées thermiquement. En l'absence de cette isolation, le rendement du système diminue considérablement.

Chaque fan coil dispose d'un nœud de raccordement individuel, qui permet de réguler sa performance, que ce soit pour la production de chaleur ou de froid. Le débit de réfrigérant dans chaque unité est régulé à l'aide de vannes spéciales — d'arrêt et de régulation.

Pour diriger l'eau refroidie vers l'échangeur de chaleur, un tuyau est connecté au fan coil, et l'autre — pour l'évacuation du liquide — au chiller. La configuration du système permet le mélange du réfrigérant avec le caloporteur.

S'il est interdit de mélanger le caloporteur avec l'agent frigorifique, l'eau est chauffée dans un échangeur de chaleur séparé et on ajoute un circulateur au schéma. Pour assurer une régulation progressive du débit du fluide de travail à travers l'échangeur de chaleur, lors du montage du circuit de raccordement, on utilise une vanne à 3 voies.

Si un système à deux tubes est installé dans le bâtiment, le refroidissement et le chauffage sont assurés par le refroidisseur — le chiller. Pour améliorer l'efficacité du chauffage à l'aide de fan coils pendant la période froide, en plus du chiller, une chaudière est intégrée au système.

Contrairement au système bitube doté d'un seul échangeur de chaleur, le système quadritube comporte 2 de ces éléments. Dans ce cas, le ventilo-convecteur peut fonctionner aussi bien en chauffage qu'en refroidissement, en utilisant dans le premier cas le liquide qui circule dans le système de chauffage.

L'un des échangeurs de chaleur est raccordé à la canalisation de fluide frigorigène, et l'autre à la canalisation de fluide caloporteur. Chaque échangeur de chaleur est muni d'une vanne individuelle, commandée par une télécommande spéciale. Si ce schéma est appliqué, le fluide frigorigène n'est jamais mélangé au fluide caloporteur.

Comme la température du caloporteur dans le système pendant la saison de chauffage varie entre 70 et 95 °C et qu'elle dépasse la limite admissible pour la plupart des fan coils, elle est réduite au préalable. Par conséquent, l'eau chaude provenant du réseau de chauffage central vers les fan coils passe par un poste de transformation thermique spécial.

Principales classes de chillers

La division conventionnelle des chillers en classes se fait en fonction du type de cycle frigorifique. Selon ce critère, tous les chillers peuvent être classés en deux catégories : les chillers à absorption et les chillers à compression de vapeur.

Dispositif de l'unité d'absorption

Un chiller à absorption ou ABXM utilise une solution binaire contenant de l'eau et du bromure de lithium — un absorbeur. Son principe de fonctionnement est l'absorption de la chaleur par le fluide frigorigène lors de la transformation de la vapeur en état liquide.

Ces appareils utilisent la chaleur dégagée par le fonctionnement des équipements industriels. L'absorbant, dont la température d'ébullition est nettement supérieure au paramètre correspondant du fluide frigorigène, dissout bien ce dernier.

Le schéma de fonctionnement du chiller de cette classe est le suivant :

1. La chaleur provenant d'une source externe est acheminée vers le générateur, où elle chauffe le mélange de bromure de lithium et d'eau. Lors de l'ébullition du mélange de travail, le fluide frigorigène (l'eau) s'évapore complètement.
2. La vapeur est transportée vers le condenseur et se transforme en liquide.
3. Le fluide frigorigène sous forme liquide pénètre dans le détendeur. Il y est refroidi et la pression chute.
4. Le liquide arrive dans l'évaporateur, où l'eau s'évapore et ses vapeurs sont absorbées par la solution de bromure de lithium — l'absorbeur. L'air ambiant est refroidi.
5. L'absorbant dilué est à nouveau chauffé dans le générateur, et le cycle reprend.

Ce système de climatisation n'est pas encore très répandu, mais il est parfaitement en phase avec les tendances modernes en matière d'économie d'énergie et offre donc de bonnes perspectives.

Conception des installations à compression de vapeur

La plupart des installations frigorifiques fonctionnent sur la base du refroidissement par compression. Le refroidissement se produit grâce à une circulation continue, à l'ébullition à basse température et basse pression, et à la condensation du fluide caloporteur dans un système de type fermé.

La construction d'un chiller de cette classe comprend :

• compresseur ;
• évaporateur ;
• condenseur ;
• canalisations ;
• régulateur de débit.

Le réfrigérant circule dans un système fermé. Ce processus est contrôlé par le compresseur, dans lequel la substance gazeuse à basse température (-5⁰) et à une pression de 7 atm est comprimée jusqu'à ce que la température atteigne 80⁰.

La vapeur saturée sèche à l'état comprimé se dirige vers le condenseur, où elle est refroidie à 45⁰ à pression constante et transformée en liquide.

L'étape suivante sur le trajet est le détendeur (vanne de réduction). À ce stade, la pression diminue de la valeur correspondant à la condensation jusqu'à la limite à laquelle l'évaporation se produit. Simultanément, la température baisse également jusqu'à environ 0⁰. Le liquide s'évapore partiellement et forme de la vapeur humide.

Le schéma montre un cycle fermé dans lequel fonctionne l'installation à compression de vapeur. Dans le compresseur (1), la vapeur saturée humide est comprimée jusqu'à atteindre la pression p1. Dans le compresseur (2), la vapeur cède de la chaleur et se transforme en liquide. Dans le détendeur (3), la pression (p3 – p4) et la température (T1-T2) diminuent. Dans l'échangeur de chaleur (4), la pression (p2) et la température (T2) restent constantes.

Après être entré dans l'échangeur de chaleur – évaporateur, le fluide de travail, un mélange de vapeur et de liquide, cède du froid au caloporteur et absorbe la chaleur du réfrigérant, tout en se séchant simultanément. Le processus se produit à des valeurs constantes de pression et de température. Les pompes envoient le liquide à basse température vers les ventilo-convecteurs. Après ce parcours, le réfrigérant retourne dans le compresseur pour répéter à nouveau tout le cycle à compression de vapeur.

Spécificité du chiller à compression de vapeur

Pendant la saison froide, le refroidisseur peut fonctionner en mode de refroidissement naturel — cela s'appelle le « freecooling ». Dans ce cas, le caloporteur refroidit l'air extérieur. Théoriquement, le refroidissement gratuit peut être utilisé lorsque la température extérieure est inférieure à 7⁰C. En pratique, la température optimale pour cela est de 0⁰.

Lorsqu'il est réglé en mode « pompe à chaleur », le refroidisseur fonctionne pour le chauffage. Le cycle subit des modifications, en particulier, le condenseur et l'évaporateur échangent leurs fonctions. Dans ce cas, le caloporteur doit être soumis non pas à un refroidissement, mais à un chauffage.

Les refroidisseurs monoblocs sont les plus simples. Ils intègrent de manière compacte tous les éléments en un seul ensemble. Ils sont vendus 100% équipés, y compris la charge de réfrigérant.

Ce mode est le plus souvent utilisé dans les grands bureaux, les bâtiments publics et les entrepôts. Le refroidisseur est un groupe frigorifique qui produit trois fois plus de froid qu'il n'en consomme. Son efficacité en tant que chauffage est encore plus élevée — il consomme quatre fois moins d'électricité qu'il ne fournit de chaleur.

Quelle est la différence entre le réfrigérant et le caloporteur ?

Le réfrigérant est une substance active qui, au cours du cycle frigorifique, peut se trouver dans différents états physiques à différentes valeurs de pression. Le fluide caloporteur ne change pas d'état physique. Sa fonction est de transporter le froid ou la chaleur sur une certaine distance.

Le transport du réfrigérant est géré par un compresseur, tandis que celui du caloporteur est assuré par une pompe. La température du réfrigérant peut descendre en dessous de son point d'ébullition ou dépasser cette limite. Le caloporteur, contrairement au réfrigérant, fonctionne toujours dans des conditions de température n'excédant pas le point d'ébullition à la pression actuelle.

Rôle du fan coil dans le système de climatisation

Le ventilo-convecteur est un élément important d'une installation climatique centralisée. Il est également appelé ventilo-convecteur terminal. Si l'on traduit littéralement le terme fan-coil de l'anglais, il signifie « ventilateur-échangeur de chaleur », ce qui décrit le plus précisément son principe de fonctionnement.

La structure du ventilo-convecteur comprend un module réseau permettant la connexion à l'unité de commande centrale. Un boîtier robuste dissimule les éléments structurels et les protège des dommages. Un panneau extérieur est installé, répartissant uniformément les flux d'air dans différentes directions.

Le but de l'appareil est de recevoir un fluide à basse température. Sa fonction inclut à la fois la recirculation et le refroidissement de l'air dans la pièce où il est installé, sans apport d'air extérieur. Les éléments principaux du ventilo-convecteur sont situés dans son boîtier.

Parmi ceux-ci :

• ventilateur centrifuge ou diamétral ;
• échangeur de chaleur en forme de serpentin composé d'un tube en cuivre et d'ailettes en aluminium fixées sur celui-ci ;
• filtre à poussière ;
• unité de commande.

Outre les principaux composants, la structure du ventilo-convecteur comprend un bac de récupération des condensats, une pompe d'évacuation de ces derniers, et un moteur électrique qui actionne les volets d'air.

Sur la photo, un ventilo-convecteur à gaine de la marque Trane. La performance des échangeurs à double rangée est de 1,5 à 4,9 kW. L'appareil est équipé d'un ventilateur silencieux et d'un boîtier compact. Il se place parfaitement derrière des panneaux factices ou une structure de plafond suspendu.

Selon le mode d'installation, il existe des ventilo-convecteurs plafonniers, gainables, montés dans les conduits d'arrivée d'air, sans boîtier (tous les éléments montés sur un châssis), muraux ou consoles.

Les appareils plafonniers sont les plus populaires et se déclinent en deux versions : à cassette et à gaine. Les premiers sont installés dans les grands espaces dotés de plafonds suspendus. Le boîtier est situé derrière la structure suspendue, seul le panneau inférieur reste visible. Ils peuvent distribuer les flux d'air sur deux ou les quatre côtés.

Si vous prévoyez d'utiliser le système exclusivement pour le refroidissement, le meilleur emplacement pour celui-ci est le plafond. Si la structure est destinée au chauffage, l'appareil est placé sur le mur, dans sa partie inférieure.

Le besoin de refroidissement n'est pas toujours présent, c'est pourquoi, comme le montre le schéma illustrant le principe de fonctionnement du système chiller-fan coil, un réservoir jouant le rôle d'accumulateur pour le fluide frigorigène est intégré dans le module hydraulique. La dilatation thermique de l'eau est compensée par un vase d'expansion raccordé à la canalisation d'alimentation.

Les fan coils sont contrôlés à la fois en mode manuel et en mode automatique. Si le ventilo-convecteur fonctionne en chauffage, en mode manuel, l'alimentation en eau froide est coupée. En mode refroidissement, on coupe l'eau chaude et on ouvre le passage au fluide de refroidissement.

Télécommande pour commander aussi bien un fan coil à 2 tubes qu'à 4 tubes. Le module est connecté directement à l'appareil et placé à proximité de celui-ci. Le panneau de commande et les câbles d'alimentation y sont raccordés.

Pour fonctionner en mode automatique, la température souhaitée pour la pièce est réglée sur le panneau. Le maintien du paramètre défini est assuré par des thermostats qui ajustent la circulation des fluides caloporteurs — froid et chaud.

L'avantage du fan coil ne réside pas seulement dans l'utilisation d'un fluide caloporteur sûr et bon marché, mais aussi dans la réparation rapide des fuites d'eau. Cela réduit le coût de leur maintenance. L'utilisation de ces appareils est le moyen le plus économe en énergie de créer un microclimat favorable dans un bâtiment.

Étant donné que tout grand bâtiment comporte des zones avec des exigences de température différentes, chacune d'elles doit être desservie par un fan coil individuel ou un groupe de fan coils avec des réglages identiques.

Le nombre d'unités est déterminé par calcul lors de la phase de conception du système. Le coût des composants individuels du système chiller-fan coil est assez élevé, c'est pourquoi le calcul et la conception du système doivent être effectués avec la plus grande précision.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo #1. Tout sur la structure, le fonctionnement et le principe d'action du système de thermorégulation :

Vidéo #2. Comment installer et mettre en service un chiller :

L'installation d'un système chiller-fan coil est judicieuse dans les bâtiments moyens et grands d'une superficie supérieure à 300 m². Pour une maison privée, même immense, la mise en place d'un tel système de thermorégulation est un plaisir coûteux. D'un autre côté, de tels investissements financiers garantiront confort et bien-être, ce qui n'est pas négligeable.

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