Comment la technologie Inverter a révolutionné les systèmes CVC

La technologie Inverter est le héros méconnu du monde HVAC. Initialement utilisé principalement dans les équipements CVC haut de gamme et sans conduit, il est maintenant intégré à une plus large gamme de systèmes. Les pompes à chaleur à air (ASHP), en particulier, ont bénéficié de l'utilisation de compresseurs à onduleur, qui ajustent la puissance de chauffage ou de refroidissement de l'équipement pour correspondre à la demande exacte de l'espace occupé. De plus, les onduleurs permettent aux pompes à chaleur de fonctionner à des vitesses inférieures et de consommer moins d'énergie, ce qui se traduit par des économies d'énergie importantes et une réduction des émissions de carbone.

Le développement des pompes à chaleur pour climat froid (CCHP) a également été rendu possible grâce à l'intégration de la technologie Inverter, permettant au compresseur d'ajuster sa vitesse et de fonctionner efficacement à des températures extérieures inférieures à zéro. On pourrait facilement affirmer que la technologie des onduleurs a permis aux pompes à chaleur de devenir l'une des solutions de chauffage et de refroidissement les plus durables et les plus économes en énergie actuellement disponibles.

La technologie Inverter, également connue sous le nom d'entraînement à fréquence variable (VFD) ou d'entraînement à vitesse variable (VSD), module le compresseur, contrôlant ainsi la sortie du système HVAC.

« En termes simples, la technologie Inverter ajuste la vitesse du moteur du compresseur pour répondre spécifiquement aux demandes de charge sur une large gamme de paramètres de fonctionnement par rapport à un système conventionnel qui fait tourner le moteur à une vitesse de 100 % ou 0 %, sans aucune option intermédiaire », a déclaré Katie Davis, vice-présidente de l'ingénierie et de la technologie chez Trane Technologies Residential HVAC and Supply.

CONFORT OPTIMAL : Les systèmes à vitesse variable sont conçus pour fonctionner et offrir aux clients le meilleur confort thermique. (Avec l'aimable autorisation de Trane)

Par exemple, si le thermostat est réglé à 75 °F dans un système conventionnel à une seule vitesse et que la température dans l'espace augmente au-delà de ce point de consigne, le compresseur fonctionnera à 100 % de sa capacité jusqu'à ce que la température atteigne le point de consigne sur le thermostat, a déclaré Davis.

"Dans un système à vitesse variable, la technologie de l'onduleur ajuste la vitesse du moteur du compresseur à un point de consigne qui permet d'atteindre la température souhaitée", a-t-elle déclaré. "Avec ces types de systèmes, le compresseur ne peut fonctionner qu'à une vitesse de 25 %, allumée et éteinte, tout au long de la journée, au lieu d'une vitesse de 100 %, allumée et éteinte, tout au long de la journée, pour répondre aux mêmes exigences de température."

L'onduleur est un composant électronique qui fait varier la fréquence d'alimentation du moteur, modulant le régime du compresseur pour gérer sa capacité ou sa sortie. L'onduleur ordonne essentiellement au compresseur de fonctionner à une vitesse spécifique pour atteindre la température ambiante souhaitée dans un délai déterminé, a déclaré Scott Salvage, vice-président du marketing des produits résidentiels chez Daikin. Dans le cas où le système HVAC modifie la température trop rapidement ou trop lentement, l'onduleur ajuste la vitesse du compresseur en conséquence, en l'augmentant ou en la diminuant si nécessaire.

Salvage compare l'onduleur à la fonction de régulateur de vitesse d'une voiture, en notant : « Un système CVC typique à un étage s'allume et s'éteint à 100 % de sa capacité uniquement, ce qui revient à mettre la pédale sur le métal dans la voiture. Comparez cela à l'utilisation du régulateur de vitesse de la voiture pour maintenir une vitesse souhaitable. Il y a moins d'usure sur votre voiture, c'est moins bruyant, c'est plus confortable et cela offre sûrement un meilleur rendement énergétique.

COUVERTURE COMPLÈTE: En Amérique du Nord, 100 % des solutions sans conduit et VRV utilisent des compresseurs à onduleur. (Avec l'aimable autorisation de Daikin)

La technologie Inverter peut être utilisée avec à peu près n'importe quel type de compresseur, y compris les compresseurs à spirale, rotatifs, alternatifs, centrifuges et à vis et dans la plupart des types de systèmes CVC résidentiels et commerciaux. Salvage a noté qu'en dehors de l'Amérique du Nord, les onduleurs sont la technologie requise dans de nombreux pays depuis un certain nombre d'années. En Amérique du Nord, 100 % des solutions sans conduit et VRV/VRF utilisent la technologie des onduleurs, a-t-il déclaré, mais le secteur des conduits résidentiels représente moins de 5 % du marché total, et c'est encore moins que celui des systèmes de toit commerciaux.

La technologie des onduleurs est susceptible de devenir encore plus populaire, car elle contribue à réduire l'empreinte carbone en réduisant les demandes énergétiques du système CVC.

"Les onduleurs permettent une variation contrôlée de la sortie en fonction de la demande et de la charge", a déclaré Dennis Stinson, vice-président des ventes chez Fujitsu. "Parce que les calculs de charge exigent qu'un concepteur de système prenne en compte les extrêmes maximaux, l'équipement est souvent surdimensionné pour la majorité de la demande opérationnelle. En alignant la production sur la demande, la consommation d'énergie peut être réduite."

Étant donné que les systèmes d'onduleurs fonctionnent uniquement aux vitesses nécessaires pour maintenir la température souhaitée, ils fonctionnent souvent à une vitesse plus lente, ce qui consomme moins d'énergie et augmente l'efficacité, en particulier dans des conditions de charge partielle. Cela a finalement un impact significatif sur la réduction des émissions de carbone pendant le fonctionnement, a déclaré Salvage.

AVANTAGES CANALISÉS : Fujitsu propose une gamme complète de pompes à chaleur unitaires - y compris celles dotées de la technologie Inverter - avec des modèles allant de 1,5 à 5 tonnes de capacité et avec des efficacités allant jusqu'à 18 SEER. (Avec l'aimable autorisation de Fujitsu)

VITESSES LENTES : Les systèmes à onduleur fonctionnent uniquement aux vitesses nécessaires pour maintenir la température souhaitée, et la vitesse plus lente consomme moins d'énergie et augmente l'efficacité. (Avec l'aimable autorisation de Daikin)

"De plus, la plupart des États-Unis et du Canada continuent de compter sur les combustibles fossiles pour chauffer les maisons et les bâtiments", a-t-il déclaré. "Les systèmes de pompe à chaleur à onduleur offrent une alternative au chauffage par combustible fossile en fournissant un chauffage entièrement électrique et économe en énergie dans des applications bien en dessous de 0 ° F. Il convient de noter que 100% des produits qui répondent à la spécification NEEP Cold Climate ASHP sont des solutions à onduleur, reflétant l'excellente capacité de la technologie à fonctionner comme une source de chaleur efficace dans les climats froids. "

La technologie Inverter se traduit également par un meilleur confort, car elle aide à prévenir les variations de température inconfortables souvent rencontrées avec les systèmes CVC à un ou deux étages sans onduleur, a déclaré Salvage.

"Un système d'onduleur peut atteindre plus rapidement le réglage de confort souhaité et peut aider à minimiser les fluctuations de température, offrant un plus grand confort dans l'espace. Et comme les systèmes d'onduleur fonctionnent généralement pendant des cycles de fonctionnement plus longs, l'air de la maison est filtré pendant de plus longues périodes, ce qui contribue à améliorer la QAI."

Les systèmes utilisant la technologie des onduleurs permettent également de mieux contrôler l'humidité, a déclaré Davis. En effet, les systèmes conventionnels peuvent obliger les propriétaires ou les propriétaires d'entreprise à refroidir excessivement un espace afin d'éliminer l'humidité pendant les mois d'été, ce qui entraîne souvent un environnement inconfortable.

"Les systèmes à vitesse variable (technologie d'onduleur) fonctionnent pour contrôler les températures 24 heures sur 24 sans qu'il soit nécessaire de modifier les points de consigne du thermostat pour éliminer l'humidité", a-t-elle déclaré. "La grande variabilité des performances du compresseur dans un système à vitesse variable permet un excellent contrôle de l'humidité tout au long de la journée."

Les systèmes pilotés par onduleur sont également parmi les plus silencieux de tous les choix d'équipement lorsqu'ils sont installés conformément aux instructions du fabricant et aux codes en vigueur locaux, a déclaré Stinson. "Il s'agit souvent de l'équipement de choix dans les lotissements sans lot et d'autres arrangements à proximité qui sont sensibles au bruit."

L'installation de systèmes utilisant la technologie des onduleurs est similaire à celle des équipements conventionnels, bien que Davis ait noté qu'il existe une légère différence dans le démarrage des équipements à vitesse variable en raison de la large gamme de paramètres de fonctionnement que ces systèmes permettent.

"Ils sont configurés spécifiquement pour chaque maison et/ou entreprise et prennent en compte tous les accessoires supplémentaires tels que les systèmes de zonage qui peuvent devoir être ajustés aux besoins de l'espace", a-t-elle déclaré. "Les systèmes à vitesse variable sont conçus pour fonctionner et offrir aux clients le meilleur confort thermique. Les ventilateurs, moteurs et autres composants sont conçus pour les systèmes et les applications associées."

En tant que telle, la technologie des onduleurs fonctionne dans le cadre d'un système complet, de sorte qu'elle ne peut pas être facilement adaptée à l'équipement existant.

"Dans un système basé sur un onduleur, il existe des capteurs et des composants supplémentaires qui forment le cycle de réfrigération pour les moyens de contrôle de la capacité et d'optimisation de l'énergie", a déclaré Salvage. "Il existe également un module PCB de commande d'onduleur, qui est très différent du PCB traditionnel dans les unités sans onduleur. Dans ces conditions, il n'est pas vraiment possible de moderniser les systèmes traditionnels sur site avec la technologie de l'onduleur."

Même si elle ne peut pas être intégrée aux équipements existants, la technologie des onduleurs est susceptible de devenir plus répandue dans les nouveaux systèmes à mesure que les États-Unis adoptent l'électrification stratégique et s'attaquent aux émissions de carbone, a déclaré Stinson.

"Les incitations fédérales, étatiques et des services publics, ainsi que l'augmentation des coûts des équipements traditionnels pour répondre aux réglementations en matière d'efficacité, ont fait de la technologie des onduleurs une solution solide pour toutes les applications CVC", a-t-il déclaré.

Davis est d'accord, notant que l'avenir des systèmes à vitesse variable est solide.

« L'efficacité énergétique améliorée de ces systèmes permet à l'industrie de faire progresser la réduction des émissions de carbone. De plus, la capacité de fournir au consommateur un profil de confort thermique amélioré en fait un choix de premier ordre pour le chauffage et/ou la climatisation des maisons et des entreprises.

Au début de 2023, le ministère de l'Énergie (DOE) a imposé des changements à la façon dont l'efficacité énergétique des systèmes CVC est mesurée et a augmenté les efficacités minimales autorisées. Selon les nouvelles normes, l'efficacité minimale des équipements résidentiels a augmenté d'environ 7 %, soit l'équivalent de 1 point SEER. De plus, la procédure de test révisée a entraîné l'utilisation de nouvelles mesures de SEER2, HSPF2 et EER2 au lieu de SEER, HSPF, EER. Cependant, certains ne croient pas que ces mesures reflètent les véritables économies d'énergie que la technologie des onduleurs peut fournir.

"Malheureusement, les avantages en termes d'efficacité des systèmes à technologie d'onduleur ne sont toujours pas mesurés de manière adéquate par les mesures de test obsolètes des mesures d'efficacité SEER2 et HSPF2 nouvellement adoptées", a déclaré Scott Salvage, vice-président du marketing des produits résidentiels chez Daikin. "L'efficacité de refroidissement (SEER2) et l'efficacité de chauffage (HSPF2) sont basées sur des technologies sans onduleur mesurées à 100 % de capacité. Les systèmes à onduleur fonctionnent et consomment généralement de l'électricité à des niveaux de capacité considérablement inférieurs ; par conséquent, les avantages en matière d'efficacité ne sont pas reconnus par ces nouvelles mesures d'efficacité SEER2 et HSPF2."

Salvage a ajouté que si les nouvelles normes énergétiques établies par le DOE amélioreront probablement l'efficacité, la décarbonisation et l'optimisation du réseau, des progrès encore plus importants pourraient être réalisés en encourageant l'adoption plus large de la technologie des onduleurs dans les systèmes CVC grâce à des remises fiscales et à d'autres incitations.

Joanna Turpin est rédactrice en chef. Elle peut être contactée au 248-786-1707 ou [email protected]. Joanna travaille chez BNP Média depuis 1991, où elle a d'abord dirigé la division des livres techniques de l'entreprise. Elle a obtenu son baccalauréat en anglais de l'Université de Washington et a travaillé sur sa maîtrise en communication technique à l'Eastern Michigan University.