Malgré ces statistiques impressionnantes, les fabricants de pompes à chaleur géothermiques continuent de repousser les limites en s’efforçant d’atteindre une efficacité encore plus grande. En fait, une pompe à chaleur géothermique résidentielle à système divisé — la WaterFurnace 7 Series™ — a atteint 53,2 EER et 6,0 COP (ISO/AHRI 13256-1 GWHP), réduisant respectivement de 75 % et 66 % les coûts de refroidissement et de chauffage. Cela représente un énorme pas en avant par rapport à n'importe quelle pompe à chaleur – conventionnelle ou géothermique – et établit un record mondial d'efficacité dans cette catégorie par WaterFurnace, un fabricant de pompes à chaleur géothermiques basé dans l'Indiana, grâce à un compresseur à vitesse variable Danfoss.
Des performances extrêmes proviennent d’années de préparation
Atteindre ce niveau d'efficacité olympien était le résultat de quatre années de recherche et de développement. Au début du processus, Bob Brown, vice-président de l'ingénierie chez WaterFurnace, a appris que Danfoss disposait d'une solution à haut rendement qui méritait d'être envisagée.
"Aussi efficaces que soient les pompes à chaleur géothermiques, nous voulions repousser les limites, sachant que des composants plus économes en énergie sont devenus disponibles", explique Brown. "Nous avons commencé à nous intéresser aux compresseurs, qui constituent le cœur d'une pompe à chaleur. Ils compriment le gaz réfrigérant afin qu'il puisse se dilater et absorber la chaleur."
Les pompes à chaleur conventionnelles utilisent un compresseur à vitesse fixe qui fonctionne à pleine vitesse en permanence. Les jours plus frais, lorsque le système n'a pas besoin d'un débit de réfrigérant complet (ce qui représente environ 90 % du temps), un compresseur à vitesse fixe s'allume et s'éteint ou utilise une autre technique de gaspillage d'énergie pour réduire la capacité de refroidissement. Permettre à un compresseur de fonctionner à une capacité beaucoup plus faible signifie que les échangeurs de chaleur sont relativement beaucoup plus grands et offrent ainsi une efficacité beaucoup plus élevée. En d'autres termes, un compresseur à vitesse fixe fonctionne moins efficacement lorsqu'il ne fonctionne qu'à une capacité fixe.
"Une meilleure approche consiste à utiliser un compresseur à deux vitesses", explique Brown. "C'est le type de compresseur que nous utilisons sur nos systèmes WaterFurnace Envision™. Avec un compresseur à deux vitesses, vous pouvez passer à une vitesse inférieure pour économiser de l'énergie lorsque seul un peu de refroidissement est requis."
"Mais un compresseur à vitesse variable est encore mieux. Il peut réduire considérablement la consommation d'énergie, car il fait varier la capacité du compresseur pour qu'elle corresponde exactement aux besoins de refroidissement ou de chauffage, fonctionnant à un rendement beaucoup plus élevé la plupart du temps à basse vitesse du compresseur."
Pour faire varier la capacité, les compresseurs scroll utilisent l'une des nombreuses techniques suivantes. Un compresseur à spirale fonctionne en pressant le réfrigérant entre une spirale métallique en orbite et une spirale stationnaire identique. Une technique déplace légèrement le point d'insertion du gaz dans la volute rotative pour limiter la compression du réfrigérant. Cette méthode fait varier le débit de réfrigérant en modifiant le temps moyen de compression, mais pas le régime réel de la spirale rotative.
Danfoss, quant à lui, a développé un compresseur à spirale qui utilise un entraînement à fréquence variable (VFD) externe, également connu sous le nom d'onduleur, pour ralentir ou accélérer le moteur à courant alternatif qui fait tourner la spirale. Cette méthode fait varier le débit de réfrigérant en modifiant réellement le régime de la volute. Cette technique et ces capacités ont aidé Brown à sélectionner le compresseur : le compresseur à vitesse variable Danfoss Performer® VRJ.
"Mais un compresseur à vitesse variable est encore mieux. Il peut réduire considérablement la consommation d'énergie, car
il fait varier la capacité du compresseur pour qu'elle corresponde exactement aux besoins de refroidissement ou de chauffage, fonctionnant la plupart du temps à un rendement beaucoup plus élevé à basse vitesse du compresseur.
– Bob Brown, vice-président de l'ingénierie pour WaterFurnace
Le compresseur à vitesse variable Danfoss Performer® VRJ, un compresseur à spirale qui utilise un variateur de fréquence externe (VFD) — également connu sous le nom d'onduleur — pour ralentir ou accélérer le moteur à courant alternatif qui fait tourner la spirale. Cette méthode fait varier le débit de réfrigérant en modifiant réellement le régime de la volute.
Se donner à 100 % pendant toute la période d'entraînement
Au cours de la période de développement, Brown a beaucoup travaillé avec Danfoss et le responsable de compte Brian Kelley.
"Vous pouvez acheter un compresseur Scroll et un onduleur dans le commerce, mais ils ne fonctionneront pas aussi bien ensemble", explique Kelley. "Vous avez besoin d'une logique de contrôle et d'algorithmes développés spécifiquement pour le système. Danfoss sait tout cela, car nous avons passé des années dans notre propre processus de développement approfondi pour arriver là où nous en sommes aujourd'hui."
Kelley explique que Danfoss a pris l'initiative d'introduire le premier VFD pour le CVC en 1968. "Un VFD est essentiel au fonctionnement d'un compresseur à vitesse variable", explique-t-il. "Il remodèle la fréquence du courant fourni au moteur à courant alternatif pour modifier la vitesse, le couple et les performances globales. C'est pourquoi beaucoup d'intelligence est intégrée à l'onduleur utilisé dans nos compresseurs Performer VRJ."
Le variateur de fréquence Danfoss utilise des algorithmes développés spécifiquement pour le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC). Les algorithmes, qui sont des programmes qui prennent des décisions en fonction des entrées et des sorties, effectuent un certain nombre de tâches : ajuster les pressions et maintenir la stabilité du système à mesure que la vitesse diminue et augmente.
Pour la série WaterFurnace 7, un VFD Danfoss est associé à l'intérieur de l'armoire avec le compresseur Performer VRJ.
"Le compresseur Performer VRJ est construit dans notre usine d'Arkadelphia, Arkansas", explique Kelley. « En tant que compresseur scroll à vitesse variable, il fonctionne sur une plage de vitesses élevées et basses, contrairement à un régime par minute pour un scroll à vitesse fixe. Par conséquent, il peut s'adapter étroitement aux exigences du système pour produire des niveaux d'efficacité énergétique plus élevés. »
Kelley explique toutefois que l'un des défis réside dans la gestion du pétrole. « À mesure que la vitesse de rotation de la volute change, la quantité de réfrigérant — et d'huile — circulant à travers le compresseur diminue. Le compresseur VRJ utilise un système d'injection d'huile breveté pour garantir que les volutes et les roulements sont lubrifiés de manière optimale à toutes les vitesses du compresseur.
« Le compresseur VRJ est également unique car il peut fonctionner à la fois plus lentement et plus rapidement que ce qui est standard. Par exemple, il peut réduire la vitesse jusqu'à 15 % de sa capacité nominale et surrégime jusqu'à 117 % par rapport aux 3 600 tr/min nominaux. sa capacité de survitesse signifie qu'il peut fournir plus de chaleur les jours les plus froids. »
"Le compresseur VRJ nous permet de faire des choses uniques en matière de dimensionnement des équipements", déclare Brown de WaterFurnace. "Nous pouvons produire plus de capacité de chauffage pour une maison donnée sans augmenter la longueur de la boucle enterrée. En langage technique, cela nous permet de transférer la chaleur de la boucle terrestre - de la charger entre le chauffage et la climatisation - de manière plus uniforme. Le résultat est un chauffage plus élevé. capacité, ce qui signifie des coûts d'exploitation inférieurs et des coûts d'installation inférieurs pour le propriétaire. Il s'agit d'un gros avantage pour les zones au nord de la ligne Mason Dixon et juste au sud des Grands Lacs où nous pouvons profiter de la technique d'équilibrage en boucle.
La possibilité de faire fonctionner le compresseur, les ventilateurs et les pompes à des vitesses plus lentes que la normale apporte un autre avantage : la déshumidification. "La Série 7 dispose d'un mode de déshumidification actif spécial", explique Brown. "Il transforme le système en un déshumidificateur pour toute la maison, car l'unité peut déshumidifier la maison indépendamment du fait qu'elle soit chauffée ou climatisée. La plupart des pompes à chaleur essaieront d'éliminer l'humidité de l'air. Mais avec notre mode de déshumidification actif, le système peut éliminez l'humidité sans refroidir ni chauffer la maison. Encore une fois, cela signifie plus de confort à moindre coût."
"Notre système géothermique de la série 7 est si propre et soigné que c'est incroyable", souligne Brown. « Les gens pensent que c’est trop beau pour être vrai. La réalité est que c’est si bon ; c'est aussi efficace que ça ; c'est si simple; et nous livrons cette performance aujourd’hui.
– Bob Brown, vice-président de l'ingénierie pour WaterFurnace
