Quelles sont les possibilités offertes par les systèmes VRV/VRF?

Dans cet article, nous examinons de plus près les systèmes de refroidissement et de chauffage VRV / VRF. En quoi consiste exactement cette technique et quelles sont les possibilités?

Qu'est-ce que le VRV / VRF?

VRV et VRF sont deux indications de la même solution climatique qui permet à la fois de chauffer et de refroidir. VRV est l'abréviation de Variable Refrigerant Volume (volume variable de réfrigérant) et est le nom donné par le développeur initial de la technique. Daikin a adopté cette terminologie et cette abréviation en 1982 et l'a fait breveter.

VRF est l'abréviation de Variable Refrigerant Flow (débit de réfrigérant variable). Tous les autres fabricants HVAC utilisent cette dernière appellation, mais il s'agit en fait d'un processus similaire pour la climatisation des bâtiments.

Il existe différentes formes de mise en œuvre, mais le principe de base de la technologie est toujours le même. Une section intérieure et une section extérieure sont interconnectées et remplies de réfrigérant. En fonction de la demande de chaleur ou de froid par corps d'émission, la quantité (débit) de réfrigérant varie dans chaque section intérieure.

Une unité extérieure et un certain nombre de composants intérieurs, un réfrigérant... On peut noter certaines similitudes avec une pompe à chaleur air-air multi-split. Toutefois, la différence entre les deux réside dans le fait qu'avec le système VRF, les vannes d'expansion (électroniques) sont situées dans les unités intérieures, alors qu'avec une pompe à chaleur multisplit, elles se trouvent dans l'unité extérieure.

Dans le cas du VRF, de surcroît, il n'y a également qu'un seul jeu de conduites relié aux différentes unités intérieures, alors que dans le cas des pompes à chaleur multisplit, chaque unité intérieure est reliée à l'unité extérieure par une conduite distincte.

Applications

Le VRV/VRF est utilisé dans les grands bâtiments et les bâtiments non résidentiels comportant de nombreuses pièces. Les hôtels, les bureaux, les écoles (de sport) ou les centres commerciaux ne sont que quelques exemples possibles.

Le système est né des limites des solutions de climatisation alimentées par eau. Avec le VRV/VRF, par exemple, la vitesse de réaction est beaucoup plus élevée et il n'est pas nécessaire d'utiliser un combustible fossile, comme c'est le cas avec de nombreux systèmes de climatisation à eau.

Les principaux avantages de la VRF/VRV sont qu'il s'agit d'une technologie relativement efficace sur le plan énergétique et que, dans certaines variantes, le refroidissement et le chauffage peuvent être assurés simultanément dans la même installation.

Le seul inconvénient est qu'en raison de la présence de réfrigérant, l'installation est soumise à la réglementation sur les gaz fluorés et doit de toute façon être réalisée par un installateur agréé.

Structure

Systèmes bitube

La solution la plus simple est le système bitube. Ce type de système est parfois également appelé "variante pompe à chaleur". Deux conduites de réfrigérant sont raccordées à la partie extérieure: une dans laquelle le réfrigérant est en phase liquide et une dans laquelle il est en phase gazeuse. Les tuyaux sont raccordés par des embranchements à chaque unité intérieure.

Systèmes à trois tuyaux

Les systèmes à trois tubes comportent deux conduites de gaz, en plus de la conduite de liquide. Dans l'un des conduites de gaz, la pression et la température sont plus faibles, tandis que dans l'autre, la pression et la température sont élevées. L'avantage de la conduite supplémentaire est qu'elle permet de refroidir et de chauffer simultanément, en utilisant des boîtes de distribution.

Cela n'est pas possible avec les systèmes bitube, dans lesquels toutes les unités intérieures sont soit chauffées, soit refroidies. Dans les grands bâtiments, par exemple, le refroidissement peut être nécessaire du côté sud, tandis qu'un supplément de chaleur est souhaitable du côté nord.

Le système à trois tubes est également appelé variante "recovery" (récupération de chaleur) du VRV/VRF. Lorsqu'il y a à la fois une demande de froid et de chaleur dans une partie de l'installation, la chaleur générée par les pièces à refroidir peut être utilisée pour les pièces à chauffer. C'est ce qui explique l'appellation "récupération de chaleur".

Un système à trois tubes offre le plus haut rendement possible au moment où les besoins en chaleur et en froid d'un bâtiment sont à peu près égaux. La valeur COP est plus élevée parce qu'à ce moment-là, presque toute la chaleur provenant des pièces à refroidir peut être utilisée pour chauffer les pièces caractérisées par une demande de chaleur. Ceci est plus favorable dans le calcul du rendement que si cette chaleur devait être extraite de l'air extérieur beaucoup plus froid.

Boîtier de distribution

Dans les installations où le refroidissement et le chauffage peuvent être fournis simultanément, un boîtier de distribution est présent. Ce composant a pour fonction de transporter simultanément la chaleur entre les différentes zones du bâtiment avant que la chaleur ne soit évacuée vers l'extérieur. Selon le type et le fabricant, jusqu'à 16 composants d'émission peuvent généralement être connectés à un boîtier de distribution.

HVRF

Le système HVRF ou VRF hybride est une variante du principe de fonctionnement évoqué précédemment. L'unité extérieure est toujours alimentée en réfrigérant, mais les unités intérieures sont en contact avec un réseau de conduites d'eau pour permettre l'émission de froid et de chaleur. De cette manière, il n'est pas nécessaire de poser le réseau de réfrigérant jusqu'à chaque appareil de distribution dans le bâtiment. Un échangeur de chaleur à plaques sépare le réseau de conduites  rempli de réfrigérant du réseau de conduites rempli d'eau.

Avec cette solution, il est en outre possible d'étendre les corps d'émission avec des ventilo-convecteurs ou, par exemple, des circuits de chauffage par le sol. La production d'eau chaude sanitaire est également possible de cette manière avec une installation VRV/VRF. Il est toutefois important de noter que la température maximale de l'eau peut être limitée et qu'une température élevée de l'eau a un impact négatif sur la valeur COP.

Unité extérieure

Dans l'unité extérieure, les principaux composants sont le condenseur et l'échangeur de chaleur à quatre côtés. Dans l'idéal, le compresseur est commandé par un onduleur ou un variateur de fréquence. Cela signifie que lorsque la demande de refroidissement diminue, la vitesse du compresseur diminue et la puissance de l'unité extérieure devient donc égale à la puissance totale demandée par les unités intérieures. En règle générale, la demande de refroidissement n'implique que rarement la pleine capacité du système et le moteur du compresseur fonctionne donc à une vitesse réduite, ce qui améliore l'efficacité de l'installation.

Les unités extérieures peuvent être des unités géothermiques aussi bien refroidies par air que  refroidies par eau. Dans ce dernier cas, l'unité "extérieure" ne doit pas nécessairement être installée dans l'environnement extérieur et l'installation est généralement plus compacte. La durée de vie est légèrement plus longue, de 20 à 25 ans, et le rendement est plus élevé.

Cependant, les systèmes refroidis par air sont plus flexibles. Il n'est pas nécessaire de forer un puits, ce qui signifie que le prix de revient est également moins élevé. Les unités extérieures refroidies par air sont donc souvent choisies, à condition qu'elles puissent être dissimulées à l'abri des regards.

Unité intérieure

Tous les fabricants proposent différents types d'unités intérieures. On trouve souvent des modèles encastrés dans le plafond, appelés unités à cassette. Dans un faux-plafond, ce type d'unité peut être partiellement ou totalement encastré. Les dimensions standard sont de 60 x 60 cm, 90 x 90 cm ou 60 x 120 cm.

On distingue les cassettes à une face, dans lesquelles l'air est aspiré d'un côté et expulsé de l'autre. Les cassettes à quatre faces constituent une autre possibilité. Dans ce cas, l'air est aspiré au centre et expulsé sur les quatre côtés, ce qui assure une meilleure répartition de l'air.

Les modèles muraux, qui sont montés contre le mur à quelques centimètres du plafond, sont également courants. La direction de soufflage peut être réglée à l'aide d'une commande ou réglée sur une position variable. Un troisième type est celui des unités encastrées, que l'on trouve principalement dans les hôtels. Dans une moindre mesure, ce type est également utilisé dans les immeubles de bureaux. Les modèles sur pied, posés sur le sol, sont moins courants, mais également possibles.

Toutes les unités intérieures doivent être équipées d'un dispositif d'évacuation du condensat. C'est nécessaire parce que le bloc d'évaporation se couvre de condensation lorsque la température de l'unité est basse et que celle-ci doit être évacuée. Selon le type d'unité intérieure, une pompe à condensat est nécessaire, mais dans tous les cas, la conduite doit être inclinée vers une conduite d'évacuation. L'eau peut être raccordée à un autre circuit ETS (eaux grises). En ce qui concerne les conduites, on choisit généralement du PVC d'un diamètre de 32 mm ou plus.

Tuyauterie

La tuyauterie du système est constituée de tubes en cuivre isolés, qui doivent être brasés dans les règles de l'art. Après l'installation, les conduites sont d'abord mises sous pression à 30-40 bar pour vérifier qu'il n'y a pas de fuites. Ensuite, la tuyauterie est mise sous vide et peut être remplie de réfrigérant. À ce jour, le R410A est le réfrigérant standard pour les systèmes VRF. Le R22 a également été utilisé dans le passé, les deux ayant une valeur PRG relativement élevée. Aujourd'hui, le réfrigérant R32, légèrement plus durable, est utilisé pour les petits systèmes.

Régulation

La régulation la plus simple consiste en un thermostat d'ambiance réglable pour chaque pièce comportant un corps d'émission. À l'autre extrémité du spectre, il existe également des systèmes de régulation qui peuvent contrôler à distance l'ensemble de l'installation.

L'installation

Avant l'installation, il est important de dimensionner l'ensemble du système et de sélectionner les composants appropriés. La règle empirique stipule que la puissance frigorifique totale connectée des unités intérieures doit être égale à 130 % de la puissance frigorifique de l'unité extérieure, afin de tenir compte de la simultanéité du refroidissement et du chauffage dans les grands bâtiments. Dans certains cas, on postule même 150 %.

Lors de l'installation d'une unité extérieure refroidie par air, il est important qu'elle soit placée de manière autonome afin d'assurer un flux d'air régulier. Un socle est également nécessaire pour éviter que l'eau de condensation ne s'accumule et que, en cas de gel, la formation de glace n'endommage l'unité. Sur le plan électrique, ce composant est généralement raccordé en triphasé, mais dans les petites installations, un raccordement en monophasé est également possible.

La mise sous pression et la mise sous vide des conduites ont été abordées plus haut dans cet article. La dilatation dans la tuyauterie est un problème secondaire. En raison des différences de température lorsque l'installation est en service, il faut prévoir une marge de manœuvre pour la contraction et la dilatation. Par exemple, des chemins de câbles ou des brides sont des options appropriées pour permettre cela.

En ce qui concerne les longueurs maximales des conduites, les restrictions sont généralement larges. Elles varient en fonction du fabricant et les valeurs limites sont spécifiées dans la documentation technique. Outre la longueur maximale extrême des conduites entre l'unité extérieure et l'unité intérieure la plus éloignée, il faut souvent tenir compte de la différence de hauteur maximale et de la plus grande différence de hauteur admissible entre les différentes unités intérieures.

Tendances

La technique VRF n'est pas nouvelle; elle existe depuis des années. Néanmoins, les fabricants continuent à travailler sur des solutions visant à améliorer l'efficacité ou le confort, ou à étendre leurs systèmes grâce à de nouveaux développements.

Cycle de dégivrage avec PCM

Comme pour les pompes à chaleur, une installation située dans un climat froid et fonctionnant en mode chauffage doit être protégée contre le gel de l'unité extérieure. Un cycle de dégivrage périodique est souvent utilisé. Il s'agit d'inverser temporairement le fonctionnement du système pendant une dizaine de minutes. L'inconvénient de ce fonctionnement est que, périodiquement, l'élément extérieur est chauffé, tandis que du froid est diffusé dans l'environnement intérieur, ce qui entraîne un abaissement indésirable de la température intérieure. Certains fabricants résolvent ce problème technique en incorporant un tampon d'énergie avec un MCP, un matériau à changement de phase. Régulièrement, le MCP libère son énergie pour chauffer l'unité extérieure, sans affecter le climat intérieur du bâtiment.

Rénovation des installations VRF

Enfin, les réglementations relatives aux gaz fluorés ne sont pas figées. Dans les nouveaux systèmes, on passe à des réfrigérants ayant des valeurs PRP plus faibles. Toutefois, dans les installations existantes qui sont rénovées, il est actuellement également possible de conserver le réseau de conduites contenant le réfrigérant, parfois précédé d'une technique de nettoyage, et d'insérer ensuite un réfrigérant ayant une PRG plus faible. Cela implique généralement le remplacement des unités intérieures et extérieure. Dans de nombreux cas, le câblage data et les alimentations électriques peuvent également être récupérés.

Avec nos remerciements à: Mitsubishi Electric, Thercon / General