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Apr 16, 2023

Nouveau système de conduits d'air pour le CVC domestique

Comment la recherche stratégique de Building America a aidé à créer un

Comment la recherche stratégique de Building America a contribué à créer une solution CVC innovante et prête à être commercialisée pour les conduits de chauffage et de refroidissement à l’intérieur d’espaces conditionnés

Pendant près d’un siècle, les plombiers ont installé des tuyaux à l’ancienne, coupant et soudant laborieusement des 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, PEX est un tube flexible qui nécessite beaucoup moins de raccords et pas de colle ou de 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 vitesse du système étaient meilleures pour leurs résultats, sans sacrifier la qualité. Aujourd’hui, le PEX est le système de plomberie prédominant dans la construction résidentielle neuve.

Aujourd’hui, un nouveau système de conduits devrait transformer l’industrie du chauffage et de la climatisation domestiques de la même manière, grâce aux premiers investissements du Bureau des technologies du bâtiment du département américain de l’Énergie (DOE).

Rheia, une nouvelle entreprise issue de recherches financées 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 un espace conditionné dans les nouvelles maisons éconergétiques d’aujourd’hui.

Le système se compose d’un collecteur de conduits de diamètre uniforme, de connecteurs et de composants diffuseurs qui s’emboîtent pour former un système de distribution presque étanche à l’air sans l’utilisation 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 conditionné, ce qui améliore les performances et l’efficacité énergétique de l’ensemble du système.

Rheia est un parfait exemple d’innovations « du laboratoire au salon » sur lesquelles le programme Building America travaille depuis 25 ans, un processus qui commence traditionnellement par des experts en science du bâtiment bricolant dans leurs laboratoires pour finalement faire 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 l’ensemble du 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 dans l’enveloppe thermique conditionnée du bâtiment. Il est également difficile de faire bien paraître les plafonds suspendus et les 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 livraison d’air, s’est associé à la Housing Innovation Alliance sur un projet Building America pour résoudre les problèmes.

En considérant plusieurs idées, l’équipe a finalement atterri sur un système de conduits « plug-and-play » simple et convivial situé dans un espace conditionné. Le système n’utilise que cinq composants, contre 18 pour un système de conduits CVC conventionnel, et la plupart des composants qui relient les conduits sont fabriqués avec un tissu en fibre de verre sur un cadre métallique enroulé.

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

Une partie du projet consistait à élaborer une méthodologie de conception pour déterminer la longueur et le nombre de passages de conduits. Parce que les conduits sont tous de la même taille, certaines pièces nécessitent plus d’un cycle de conduits; Malgré tout, la facilité d’installation permet de gagner du temps.

De 2015 à 2017, IBACOS a effectué des tests en laboratoire et une modélisation pour valider la technologie. Elle a construit une maquette d’une maison de ville de deux étages au Centre d’innovation IBACOS et l’a utilisée pour comparer les coûts des matériaux et de la main-d’œuvre pour un système CVC à tronc et à succursale 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 main-d’œuvre très forte et pourrait potentiellement révolutionner l’industrie », explique Poertschke.

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

Pour valider la modélisation, les chercheurs d’IBACOS ont installé le système dans une maison d’essai inoccupée à Pittsburgh, en le surveillant pour 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: ils l’étaient).

À ce moment-là, l’équipe IBACOS a commencé à réfléchir à la façon de mettre la solution sur le marché et à en discuter avec leurs conseillers de confiance, y compris 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, était amoureux du potentiel du projet, suffisamment pour qu’il se joigne à lui pour aider à former 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 amener les constructeurs à être des investisseurs parce qu’ils sont aussi les clients », explique Poertschke. « Nous savions que nous pouvions stimuler 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 se résume aux pièces et aux pièces », explique 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 étanche à l’air, nous avons fait beaucoup d’ingénierie », ajoute-t-il.

Malgré les progrès remarquables du système à ce jour, « vous ne pouvez pas aller chez Home Depot et acheter un système Rheia sur étagère », explique M. Poertschke. Au lieu de cela, l’entreprise vend directement aux entrepreneurs et aux constructeurs. Les fabricants sous contrat 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 veille à ce que les pièces soient livrées sur les chantiers.

Après avoir validé sa performance, l’étape suivante consistait à piloter Rheia dans de nouvelles maisons à travers le pays. Nous savions que le système fonctionnerait », explique Poertschke. « Nous avons donc commencé à aller sur chaque marché et à voir comment les métiers y réagissent. »

Tout au long de 2020, Rheia a travaillé avec plusieurs constructeurs de maisons pour installer le système dans 13 maisons dans différentes zones climatiques, notamment Baltimore, Indianapolis, Orlando, Floride, Pittsburgh et San Diego. La société a également utilisé ce temps pour obtenir les certifications requises des Underwriters Laboratories (UL) et la production de moulage par injection et 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 a été 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 a accepté de simuler le système pour l’un de ses plans d’étage. Le fait de pouvoir visualiser le système a eu un impact très important », explique Jeff Townsend, directeur national des achats chez Pulte Homes.

Peu de temps après, Pulte a décidé de tester 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 est un peu différent. L’air sort des registres selon un schéma circulaire plutôt que droit. Cependant, il dit que satisfaire les clients nécessite de déconstruire la façon dont le CVC est fait: c’est-à-dire d’arrêter de forcer l’air à travers les greniers chauds et d’éliminer la « conception imparfaite » de la boîte de mélange. « Avec les systèmes de conduits conventionnels, vous finissez souvent par surchauffer ou surrefroidir 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 conditionné, Pulte a pu réduire la différence de température de plusieurs degrés et réduire la taille de l’équipement du système d’une demi-tonne, ce qui représente des économies d’énergie et de coûts considérables. Une analyse de notation de RESNET a également révélé que le fait d’avoir les conduits dans un espace conditionné a entraîné une amélioration de quatre à cinq points d’évaluation.

La maison d’essai de Pulte à Orlando a été vendue à la fin de 2020. L’entreprise prévoit faire un suivi auprès des nouveaux propriétaires tout au long de la prochaine année. « Nous voulons comprendre ce que ce système fait pour nos propriétaires », dit Townsend. La société a également lancé un projet pilote à Indianapolis pour un système qui fournit à la fois du refroidissement et du chauffage et examine d’autres régions pour déterminer où le système sera le mieux utilisé.

Les commentaires des maisons pilotes sont utilisés pour modifier certains 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 levée de fonds, la prochaine étape de Rheia consiste à 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 que leurs clients aimeront.

Le programme Building America du département de l’Énergie des États-Unis (DOE) stimule les innovations en matière d’efficacité, de durabilité et d’abordabilité des bâtiments depuis plus de 25 ans. Favorisant une économie axée sur l’énergie propre et une main-d’œuvre qualifiée, ce programme de recherche de calibre mondial s’associe à l’industrie pour tirer parti des possibilités de science et de déploiement de pointe afin de réduire la consommation d’énergie domestique et d’aider à atténuer les changements climatiques.

Le plan de recherche au marché de Building America 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 généralisée de maisons éconergétiques et saines à haut rendement.

Eric Werling est directeur national du programme Building America pour le département de l’Énergie des États-Unis. 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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