Nouveau système de conduits d'air pour le CVC domestique

Comment la recherche stratégique de Building America a aidé à créer une solution CVC innovante et prête pour le marché pour les conduits de chauffage et de refroidissement à l'intérieur des espaces climatisés

Pendant près d'un siècle, les plombiers installaient les tuyaux de la même manière, coupant et soudant laborieusement les tuyaux métalliques sur le terrain. Puis, dans les années 1990, un matériau révolutionnaire appelé polyéthylène réticulé, mieux connu sous le nom de PEX, est apparu.

Comme nous le savons maintenant, le PEX est un tube flexible qui nécessite beaucoup moins de raccords et aucune colle ou soudure à installer... et il ne se corrode pas. Certains plombiers ont d'abord résisté au PEX, mais ont rapidement réalisé que la facilité et la rapidité du système étaient meilleures pour leurs résultats, sans sacrifier la qualité. Aujourd'hui, le PEX est le système de plomberie prédominant dans les nouvelles constructions résidentielles.

Aujourd'hui, un nouveau système de conduits est sur le point de transformer l'industrie du chauffage et de la climatisation domestique de la même manière, grâce aux premiers investissements du Building Technologies Office du Département américain de l'énergie (DOE).

Rheia, une nouvelle entreprise issue de la recherche financée en partie par le programme Building America du DOE, s'associe à certains des meilleurs constructeurs de maisons du pays pour faire la démonstration d'un système de conduits d'air "plug-and-play" en instance de brevet conçu pour être installé dans espace conditionné dans les maisons neuves éconergétiques d'aujourd'hui.

Le système se compose d'un collecteur, de conduits de diamètre uniforme, de connecteurs et de composants de diffuseur qui s'emboîtent pour former un système de distribution presque hermétique sans utiliser de ruban adhésif ou de mastic. Les conduits sont suffisamment petits pour s'adapter à l'intérieur des cavités murales, ce qui facilite le maintien des conduits dans un espace climatisé, ce qui améliore les performances et l'efficacité énergétique de l'ensemble du système.

Rheia est un exemple parfait d'innovations "du laboratoire à la salle de séjour" sur lesquelles le programme Building America travaille depuis 25 ans, un processus qui commence traditionnellement par des experts en science du bâtiment qui bricolent dans leurs laboratoires pour éventuellement utiliser cette innovation. par certains des plus grands constructeurs du pays.

Les systèmes de conduits d'air conventionnels sont en proie à des problèmes :

Pensez-y de cette façon : si vous avez une fournaise évaluée à 90 % d'efficacité, mais que 30 % de l'air fuit avant d'être livré, elle ne fonctionne essentiellement qu'à 60 % d'efficacité. L'efficacité ne concerne pas seulement l'équipement; il s'agit de tout le système."

Les constructeurs comprennent ces problèmes, mais la plupart ne veulent pas renoncer à un espace intérieur précieux pour des conduits qui contiendraient au moins les fuites à l'intérieur de l'enveloppe thermique conditionnée du bâtiment. Il est également difficile de donner une belle apparence aux plafonds suspendus et aux soffites.

En 2015, IBACOS, basé à Pittsburgh - un partenaire de longue date de Building America avec près de trois décennies de recherche sur les systèmes de distribution d'air - s'est associé à la Housing Innovation Alliance sur un projet Building America pour résoudre les problèmes.

Considérant plusieurs idées, l'équipe a finalement atterri sur un système de conduits "plug-and-play" simple et convivial pour les constructeurs situé dans un espace conditionné. Le système n'utilise que cinq composants, contre 18 pour un système de conduits HVAC classique à tronc et branche, et la plupart des composants qui relient les conduits sont fabriqués avec un tissu en fibre de verre sur un cadre en fil métallique enroulé.

En fait, IBACOS a utilisé le "modèle PEX" lors du développement du système. "Nous avons eu l'idée qu'avec les maisons à faible charge, nous pouvions utiliser des conduits plus petits", explique Andrew Poertschke, spécialiste de la performance des bâtiments pour IBACOS. "Si vous les branchez tous dans un collecteur central, cela vous donne un flux d'air meilleur et plus prévisible. De plus, vous pouvez les installer dans un espace climatisé." Le système utilise également beaucoup moins de composants qu'un système HVAC conventionnel.

Une partie du projet consistait à développer une méthodologie de conception pour déterminer la longueur et le nombre de conduits. Étant donné que les conduits sont tous de la même taille, certaines pièces nécessitent plus d'un parcours de conduits ; même ainsi, la facilité d'installation permet de gagner du temps.

De 2015 à 2017, IBACOS a effectué des tests en laboratoire et de la modélisation pour valider la technologie. Il a construit une maquette d'une maison en rangée à deux étages au centre d'innovation IBACOS et l'a utilisé pour comparer les coûts des matériaux et de la main-d'œuvre pour un système CVC à tronc et branche et deux systèmes plug-and-play. Les résultats de cette étude de temps et de mouvement ont montré une baisse significative des coûts de main-d'œuvre pour le système plug-and-play.

"Au fur et à mesure que nous travaillions davantage avec le système, nous avons commencé à réaliser que cette idée pouvait avoir une proposition de valeur de travail très forte et pourrait potentiellement révolutionner l'industrie", a déclaré Poertschke.

Il était essentiel que les conduits soient suffisamment petits pour s'insérer dans les cavités murales. Les tests et la modélisation en laboratoire ont confirmé que la plupart des maisons jusqu'à 4 200 pieds carrés dans les zones climatiques 3 à 5 pouvaient être correctement climatisées avec des conduits lisses de 3 pouces de diamètre. Les petites maisons peuvent être climatisées à l'aide de conduits de 2,5 pouces ou 2 pouces.

Pour valider la modélisation, les chercheurs d'IBACOS ont installé le système dans une maison d'essai inoccupée à Pittsburgh, en surveillant les données de débit d'air et de confort. Ils ont également utilisé cette installation de conduits de CVC pour étudier si les contre-dépouilles de porte étaient adéquates comme principal moyen de transfert d'air de retour (indice : elles l'étaient).

À ce stade, l'équipe d'IBACOS a commencé à réfléchir à la manière de commercialiser la solution et à en discuter avec ses conseillers de confiance, dont Alan Laing.

Laing, qui a dirigé plusieurs grandes entreprises de construction, y compris un passage en tant que vice-président des opérations chez Pulte Homes, a été séduit par le potentiel du projet, suffisamment pour qu'il se joigne à la création d'une nouvelle société appelée Rheia. (Le nom est dérivé du grec "mère des dieux", que Laing appelle la "déesse du confort".)

Rheia a été officiellement lancé début 2019, dans le but de commercialiser le système de conduits plug-and-play à la mi-2020.

"Il y avait un intérêt stratégique à faire en sorte que les constructeurs deviennent des investisseurs, car ils sont aussi les clients", a déclaré Poertschke. "Nous savions que nous pouvions augmenter les ventes plus rapidement de cette façon." À ce jour, Rheia a levé des capitaux auprès de huit des plus grands constructeurs de maisons du pays, ainsi que de plus de 30 investisseurs individuels.

"Une grande partie du caractère unique de la technologie réside dans les pièces et les pièces", déclare Nigel Watts, vice-président des produits de Rheia, qui possède plus de trois décennies d'expertise en développement de produits, y compris un passage chez IBACOS. "Pour réaliser des économies de main-d'œuvre avec un système hermétique, nous avons fait beaucoup d'ingénierie", ajoute-t-il.

Malgré les progrès remarquables du système à ce jour, "vous ne pouvez pas entrer chez Home Depot et acheter un système Rheia standard", déclare Poertschke. Au lieu de cela, l'entreprise vend directement aux entrepreneurs et aux constructeurs. Les sous-traitants fabriquent les composants et la société de logiciels de chaîne d'approvisionnement IndustryStar Solutions, qui possède une vaste expérience dans l'industrie automobile, aide à gérer la chaîne d'approvisionnement et s'assure que les pièces sont livrées sur les chantiers.

Après avoir validé ses performances, l'étape suivante consistait à piloter Rheia dans de nouvelles maisons à travers le pays. "Nous savions que le système fonctionnerait", déclare Poertschke. "Nous avons donc commencé à entrer dans chaque marché et à voir comment les métiers y répondaient."

Tout au long de 2020, Rheia a travaillé avec plusieurs constructeurs de maisons pour installer le système dans 13 maisons dans différentes zones climatiques, dont Baltimore, Indianapolis, Orlando, Floride, Pittsburgh et San Diego. L'entreprise a également utilisé ce temps pour obtenir les certifications requises des Underwriters Laboratories (UL) et s'approvisionner en moulage par injection et en capacité de production.

Les commentaires des installateurs de CVC ont été très positifs, dit Watts. "C'est plus facile pour eux. C'est moins salissant, plus sûr et plus rapide."

Les programmes pilotes ont donné aux constructeurs la possibilité de tester le système avant de l'utiliser à plus grande échelle. "C'est la première étape du processus de vente", explique Anthony Grisolia, directeur général de l'innovation chez IBACOS. "Les constructeurs veulent l'essayer pour valider les revendications."

L'un des constructeurs investisseurs participants était Pulte Homes, le troisième plus grand constructeur de maisons du pays, qui était motivé à investir dans le système plug-and-play en raison de son engagement envers l'innovation, mais aussi en raison de ses liens étroits avec IBACOS et sa plate-forme PERFORM. .

Après avoir visité le site d'essai de Pittsburgh, le constructeur de maisons a accepté de modéliser le système pour l'un de ses plans d'étage. « Pouvoir visualiser le système a été très percutant », explique Jeff Townsend, directeur national des achats pour Pulte Homes.

Peu de temps après, Pulte a décidé de piloter le système dans l'une de ses maisons à Orlando, en Floride. L'installation a été achevée en mai 2020. Après la construction, Pulte a surveillé la maison pour s'assurer qu'elle offrait le niveau de confort attendu, simulant différentes conditions. comme si la maison était occupée.

Il y avait des questions, admet Townsend. Le système semble un peu différent. L'air sort des registres selon un schéma circulaire plutôt que droit devant. Cependant, il dit que pour satisfaire les clients, il faut déconstruire la façon dont le CVC est fait : c'est-à-dire arrêter de forcer l'air à travers les greniers chauds et éliminer la « conception imparfaite » de la boîte de mélange. "Avec les systèmes de conduits conventionnels, vous finissez souvent par surchauffer ou trop refroidir un côté de la maison", explique Townsend.

En moyenne, les systèmes conventionnels entraînent une différence de température de sept degrés d'une partie de la maison à l'autre. En plaçant les conduits Rheia dans un espace climatisé, Pulte a pu réduire le différentiel de température de plusieurs degrés et réduire la taille de l'équipement du système d'une demi-tonne, ce qui représente des économies importantes en termes de coûts et d'énergie. Une analyse d'évaluation RESNET HERS a également révélé que le fait d'avoir les conduits dans un espace conditionné a donné une amélioration de quatre à cinq points d'évaluation.

La maison test de Pulte à Orlando a été vendue fin 2020. La société prévoit de suivre les nouveaux propriétaires tout au long de l'année à venir. "Nous voulons comprendre ce que ce système fait pour nos propriétaires", déclare Townsend. La société a également lancé un projet pilote à Indianapolis pour un système qui fournit à la fois le refroidissement et le chauffage et étudie d'autres régions pour déterminer où le système sera le mieux utilisé.

Les commentaires des maisons pilotes sont utilisés pour peaufiner certains des composants physiques afin de les rendre plus faciles à installer et de reconsidérer une partie de l'esthétique du système.

Pendant ce temps, après une deuxième ronde de collecte de fonds, la prochaine étape de Rheia est de passer de la phase pilote à un modèle de production pour voir beaucoup plus de nouvelles maisons utilisant le système CVC plug-and-play qui donne enfin au marché une solution que les constructeurs utiliseront et leurs clients aimera.

Le programme Building America du Département américain de l'énergie (DOE) a stimulé les innovations en matière d'efficacité, de durabilité et d'abordabilité des bâtiments depuis plus de 25 ans. Élevant une économie de l'énergie propre et une main-d'œuvre qualifiée, ce programme de recherche de classe mondiale s'associe à l'industrie pour tirer parti de la science de pointe et des opportunités de déploiement pour réduire la consommation d'énergie domestique et aider à atténuer le changement climatique.

Le plan Building America Research-to-Market a identifié trois feuilles de route intégrées :

Chacune de ces feuilles de route est conçue pour relever stratégiquement les défis intégrés liés à l'adoption à grande échelle de maisons à haute performance éconergétiques et saines.

Eric Werling est directeur national du programme Building America pour le Département américain de l'énergie. Il est un expert en efficacité énergétique résidentielle, en qualité de l'air intérieur et en sciences du bâtiment et se concentre sur l'atteinte de zéro émission de carbone au cours de la prochaine décennie.

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