Systèmes de contrôle de ventilateurs et HVAC dans les grands bâtiments

Introduction

Les systèmes de commande électrique CVC déterminent la quantité d'énergie qu'un bâtiment commercial utilise pour déplacer l'air. Un panneau de commande de ventilateur de bâtiment, un démarreur correctement choisi et une centrale de traitement d'air VFD bien mise en service peuvent aider les ventilateurs à répondre à la demande réelle au lieu de fonctionner à vitesse fixe. Le CVC peut représenter jusqu'à 40 % de la consommation énergétique d'un bâtiment commercial, l'architecture de commande mérite donc un examen approfondi.

Comment fonctionnent les panneaux de contrôle de ventilateurs et pourquoi ils comptent

Un panneau de contrôle de ventilateur de bâtiment contrôle le démarrage, l'arrêt, la vitesse, la protection et le mode de fonctionnement des ventilateurs de soufflage AHU, des ventilateurs de reprise, des ventilateurs d'extraction, des ventilateurs de désenfumage et des ventilateurs de ventilation de la salle des machines. Dans les grands bâtiments, ces panneaux se situent entre le système de distribution électrique, le moteur du ventilateur, l'interface d'alarme incendie et le BMS.

Un panneau type peut inclure un sectionneur, des contacteurs, des relais de surcharge, un démarreur progressif ou un VFD, des relais de contrôle, des temporisateurs, des commutateurs de sélection, des borniers, des voyants de défaut et des bornes d'entrée et de sortie BMS. Il peut également inclure des dispositifs de comptage ou de communication lorsque l'équipe du bâtiment souhaite un état en direct et des données énergétiques.

Le panneau doit faire plus que démarrer un moteur. Il doit protéger le circuit du ventilateur, signaler l'état de marche et de défaut, accepter les commandes BMS et répondre correctement lors des événements d'alarme incendie. Certains ventilateurs doivent s'arrêter pour réduire la propagation de la fumée. D'autres peuvent fonctionner en mode de purge de fumée pour évacuer l'air des zones affectées.

Cela fait de la conception électrique de la ventilation des bâtiments commerciaux à la fois un enjeu énergétique et un enjeu opérationnel. Les normes électriques et les exigences de sécurité incendie doivent toutes deux apparaître dans la spécification. Comme avec la solution de contrôle de ventilateur de CHINT, il existe une protection élevée pour les charges de bâtiment à haute énergie, y compris les armoires de distribution d'énergie, les démarreurs progressifs, les contacteurs, les relais, les ATS, les MCCB, les MCB et les SPD pour garantir un fonctionnement stable des ventilateurs.

VFD pour centrales de traitement d'air : le cas des économies d'énergie

Une centrale de traitement d'air à VFD contrôle la vitesse du moteur du ventilateur pour correspondre à la demande de débit d'air. Cela compte car la puissance du ventilateur suit une relation cubique avec la vitesse. À 80 % de vitesse, un ventilateur utilise environ 51 % de la puissance à pleine vitesse, et non 80 %.

Cette relation rend les VFD utiles dans les bâtiments à volume d'air variable. Dans un système VAV, les zones demandent plus ou moins d'air selon l'occupation, la température extérieure, le niveau de CO₂ et les changements de programme. Un VFD permet au ventilateur de l'AHU de suivre cette demande. Sans contrôle de vitesse variable, un ventilateur à vitesse constante peut gaspiller de l'énergie à travers les registres ou les cycles fréquents.

Selon les principes de l'industrie, les moteurs consomment près de 40 % de l'électricité dans les bâtiments commerciaux, et de nombreuses applications de moteurs sont des charges de ventilateurs, de pompes et de compresseurs à couple variable qui peuvent bénéficier d'un contrôle de vitesse variable.

Les VFD introduisent aussi des vérifications de conception. Ils peuvent créer des courants harmoniques, surtout lorsque de nombreux variateurs fonctionnent sur un même système de distribution de bâtiment. Un examen harmonique, des réactances, des filtres ou une sélection de variateurs peuvent être nécessaires pour réduire l'échauffement des transformateurs, les déclenchements intempestifs et les problèmes de communication BMS.

Pour un contexte plus approfondi, l'efficacité énergétique dans les systèmes HVAC de CHINT peut soutenir votre examen de la performance énergétique des ventilateurs et pompes.

Sélection du démarreur de moteur pour le HVAC : démarreurs progressifs vs VFD

Chaque moteur de ventilateur n'a pas besoin d'un VFD. Une bonne conception de démarreur de moteur HVAC pour grands bâtiments commence par le service réel : taille du moteur, fréquence de démarrage, modèle de demande de flux d'air, capacité d'alimentation et besoin de contrôle BMS.

Un démarreur DOL peut convenir à un petit ventilateur d'extraction qui démarre rarement et fonctionne à une seule vitesse. Il a un coût d'équipement plus faible et une logique de contrôle simple, mais il crée un courant de démarrage élevé. Vous devriez vérifier si l'alimentation en amont peut tolérer cet appel sans chutes de tension.

Un démarreur progressif convient aux ventilateurs à vitesse constante où l'objectif principal est de réduire l'appel et le stress mécanique au démarrage. Les CTA à volume constant, les ventilateurs d'extraction de fumée à démarrages limités et les ventilateurs d'extraction qui fonctionnent à une vitesse de conception peuvent entrer dans cette catégorie.

Un VFD convient aux ventilateurs à demande variable. Utilisez-le là où le flux d'air doit suivre la pression, le CO₂, la température, l'occupation ou le calendrier. Les moteurs de CTA plus grands qui fonctionnent pendant de longues heures méritent généralement un examen VFD car même des réductions de vitesse modestes peuvent réduire l'utilisation d'énergie.

Pour vous aider à décider : 

Si vous employez la solution OEM HVAC de CHINT, attendez-vous à des panneaux de contrôle intégrés, une technologie de surveillance, des VFD avec selfs CC et filtres CEM, une surveillance à distance, des alarmes de défaut et des analyses en temps réel pour les applications HVAC et de réfrigération.

Intégration BMS : ce qui est possible et ce qui importe

Le contrôle électrique d'intégration BMS décide si les VFD et panneaux installés répondent à la demande réelle du bâtiment. Un BMS devrait envoyer des commandes de vitesse, pression, flux d'air ou température au VFD. Le panneau devrait renvoyer les états de marche, arrêt, défaut, mode local ou distant et alarme au BMS.

La surveillance de l'énergie est aussi précieuse. Si le BMS reçoit les kWh, le courant, la demande et les heures de fonctionnement du VFD ou d'un compteur de puissance, les équipes du site peuvent comparer l'énergie des ventilateurs à l'occupation, aux conditions météo et aux plaintes de confort. Cela transforme le panneau électrique HVAC en une partie mesurable de la performance du bâtiment.

La communication devrait être spécifiée. Les interfaces courantes incluent BACnet, Modbus et LonWorks. Les documents du projet devraient indiquer le protocole, la liste des points, la dénomination des alarmes, la séquence de contrôle, les intervalles de tendance et les tests de mise en service.

La lacune courante est le fonctionnement manuel. Certains bâtiments installent des VFD, puis les laissent à vitesse manuelle fixe ou les connectent à un BMS sans régler les points de consigne. Les installations peuvent sacrifier 20% à 40% des économies potentielles lorsque les VFD sont laissés en mode manuel ou non connectés à l'automatisation du bâtiment.

Consultez la vue d'ensemble des solutions pour bâtiments de CHINT, qui couvre l'alimentation, la distribution principale, la distribution secondaire et les systèmes de distribution finale pour les bâtiments résidentiels, commerciaux, industriels et publics. Pour les systèmes de contrôle électrique HVAC, ce contexte plus large de distribution de bâtiment importe car les panneaux de ventilateurs, VFD, comptage et dispositifs de protection doivent fonctionner avec les tableaux en amont.

Signes que votre système de contrôle de ventilateurs et HVAC est dû pour une mise à niveau

Les problèmes de contrôle électrique d'intégration BMS apparaissent souvent comme des factures d'énergie élevées, des plaintes de confort ou des tâches de maintenance répétées. Ces cinq signes peuvent aider les gestionnaires d'installations à décider quand enquêter.

1. Les VFD fonctionnent en mode manuel. Si un variateur reste à vitesse fixe, il ne peut pas répondre à la demande d'occupation, de pression, de CO₂ ou de température. Le bâtiment perd une partie des économies que le contrôle de vitesse variable était censé capturer.

2. Les contacteurs nécessitent un remplacement fréquent. Un contacteur remplacé tous les un ou deux ans peut subir plus de démarrages que son indice de service ne le supporte. Examinez la fréquence de démarrage, l'indice AC-3, le courant du moteur et la séquence de contrôle.

3. Les disjoncteurs se déclenchent sans défaut de moteur clair. Dans les bâtiments avec de nombreux VFD, les déclenchements intempestifs peuvent pointer vers une distorsion harmonique, des réglages de protection incorrects, la chaleur ou une mauvaise coordination. Une évaluation de la qualité de l'énergie devrait suivre les déclenchements inexpliqués répétés.

4. Le BMS ne montre aucune donnée énergétique HVAC. Si votre BMS ne peut pas montrer les kWh des ventilateurs, la demande ou les heures de fonctionnement, l'examen énergétique devient de la conjecture. Le comptage devrait soutenir vos décisions d'exploitation, pas rester hors de la conversation de contrôle.

5. Le panneau de ventilateurs n'a pas d'interface de mode incendie. Un panneau de contrôle de ventilateurs de bâtiment devrait correspondre à la stratégie d'incendie du bâtiment. Là où un arrêt ou une purge de fumée est requis, le panneau devrait accepter le signal, outrepasser le contrôle BMS normal et prouver l'état voulu.

Ces signes pointent vers le même problème : la performance électrique de la ventilation des bâtiments commerciaux dépend de toute la chaîne, du démarreur de moteur à la séquence BMS.

Conclusion

Les systèmes de contrôle électrique HVAC déterminent si les ventilateurs des grands bâtiments fonctionnent selon la demande ou gaspillent l'énergie. Le bon démarreur, une unité de traitement d'air avec VFD correctement appliqué, une logique de mode incendie claire et des connexions BMS vérifiées peuvent réduire l'utilisation d'énergie et rendre les défauts plus faciles à tracer.

Pour atteindre l'efficacité énergétique dans les systèmes HVAC et un soutien spécifique à l'application, explorez la solution de contrôle de ventilateurs et la solution OEM HVAC de CHINT. Contactez-nous pour discuter du panneau de contrôle de ventilateurs et des exigences d'architecture électrique HVAC.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que le système électrique HVAC ?

Le système électrique HVAC englobe tous les composants électriques qui alimentent, contrôlent et protègent les équipements de chauffage, ventilation et climatisation dans un bâtiment. Il inclut les circuits de distribution qui alimentent les CTA et ventilateurs, les démarreurs de moteurs ou VFD qui contrôlent le fonctionnement des moteurs, les dispositifs de protection contre les surcharges et défauts, les panneaux de contrôle de ventilateurs qui intègrent les signaux d'alarme incendie et BMS, et les équipements de surveillance et de comptage qui mesurent la consommation d'énergie.

Quels sont les quatre types de contrôles automatiques dans le HVAC ?

Les quatre principaux types de contrôles automatiques utilisés dans les systèmes HVAC sont : le contrôle marche/arrêt (le plus simple, activant ou désactivant complètement l'équipement selon un point de consigne), le contrôle proportionnel (module la sortie proportionnellement à l'écart par rapport au point de consigne), le contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID) (ajoute des termes intégraux et dérivés pour éliminer l'erreur en régime permanent et réduire le dépassement) et le contrôle par variateur de fréquence (ajuste la vitesse du moteur plutôt que de faire fonctionner un registre ou une vanne, fournissant à la fois un contrôle précis et des économies d'énergie).

Qu'est-ce que la règle des 5,000 $ pour le HVAC ?

La “règle des 5 000 $” est une directive de décision informelle parfois utilisée dans l'industrie HVAC américaine : multipliez l'âge du système (en années) par son coût de réparation (en dollars) ; si le résultat dépasse 5 000 $, le remplacement peut être plus rentable que la réparation. Par exemple, une unité de 12 ans nécessitant une réparation de 500 $ donne 6,000 $ (suggérant d'envisager un remplacement). Notez qu'il s'agit d'une heuristique approximative, pas d'une norme d'ingénierie, et qu'elle devrait être appliquée en parallèle d'une évaluation professionnelle.

Quel circuit est le plus couramment utilisé dans les équipements et systèmes de contrôle HVAC ?

Les équipements HVAC utilisent principalement des circuits AC triphasés pour l'alimentation principale des moteurs (ventilateurs, compresseurs, pompes) et du AC monophasé pour les circuits de contrôle et les équipements auxiliaires plus petits. Le câblage de contrôle fonctionne en 230V ou 24V AC, le niveau de tension plus bas étant de plus en plus utilisé pour l'intégration BMS, les circuits de sécurité et les contrôles électroniques modernes. Les VFD convertissent l'alimentation triphasée en une sortie de fréquence et tension variables pour contrôler la vitesse du moteur.

Quels sont les signes qu'un système de contrôle HVAC doit être mis à niveau ?

Les principaux indicateurs sont : des VFD fonctionnant en mode manuel plutôt que de répondre aux signaux de demande BMS ; des pannes fréquentes de démarreurs de moteurs ou contacteurs suggérant un mauvais cycle de service ; des déclenchements de disjoncteurs inexpliqués pouvant indiquer des problèmes harmoniques ; le BMS ne peut pas accéder aux données énergétiques en temps réel des circuits HVAC ; et des panneaux de contrôle de ventilateurs sans intégration de mode incendie dans les bâtiments où le contrôle de fumée est requis. Chacun de ces problèmes représente une combinaison de gaspillage d'énergie et, dans le dernier cas, une préoccupation potentielle de sécurité des vies.