Lors de la conception d'un système de chauffage ou de refroidissement par pompe à chaleur air-eau, l'une des premières décisions hydrauliques est de décider si l'on doit utiliser un système de chauffage ou de refroidissement par pompe à chaleur air-eau.Système à liaison directe en boucle simpleou unsystème hydronique primaire-secondaire.

Bien que ces termes soient largement utilisés dans l'industrie de la climatisation et de la pompe à chaleur, le choix ne devrait pas être basé simplement sur l'hypothèse qu'une configuration est toujours plus efficace que l'autre.

La bonne disposition hydraulique dépend de plusieurs facteurs, notamment:

• Capacité de la pompe à chaleur
• Flux d'eau requis pour le système
• Charge de chauffage et de refroidissement
• Types d'unités terminales
• Nombre de zones de chauffage
• Température requise de l'eau d'alimentation
• Différentiel de température requis (ΔT)
• Caractéristiques de la pompe de circulation
• Exigences en matière de flux variables
• Exigences minimales en matière de volume et de débit de l'eau de la pompe à chaleur

Cet article explique lesprincipe de fonctionnement, caractéristiques hydrauliques, avantages, limites et applications typiques d'un système de pompe à chaleur hydronique à boucle unique.

1. Qu'est-ce qu'un système de pompe à chaleur hydronique à boucle unique?

Unesystème de pompe à chaleur hydronique à boucle unique, également appelésystème hydronique directement connecté, est un système CVC à base d'eau dans lequel la pompe à chaleur et l'équipement de chauffage ou de refroidissement terminal sont connectés dans le même circuit hydraulique.

Dans sa forme la plus simple:

Pompes à chaleur → pompes à circulation → bornes de chauffage/refroidissement → pompes à chaleur

La même eau circulante traverse à la fois la source de chaleur et le côté de charge.

À la différence d'un système primaire-secondaire, il existe normalementpas de séparateur hydraulique entre le circuit de la pompe à chaleur et le circuit de distribution.

Le système peut fournir des équipements terminaux tels que:

• Chauffage par le sol
• Radiateurs
• Unités à bobine de ventilateur
• Des bobines d'unité de traitement de l'air
• Autres terminaux hydroniques de chauffage ou de refroidissement

Diagramme hydraulique simplifié

Fournir de l' eau.
- Je ne sais pas.
Je ne sais pas si je peux le faire.
│ │ │ Circulation │ 
│ Pompes à chaleur │ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ │
│ ▼ 
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Côté du chargement │ │
│ │
│ │ Radiateur
│ │ Enroulement de ventilateur │ │
│ │ Le chauffage par le sol │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │
Je ne sais pas si je peux vous aider.
←
RETOURNEMENT de l'eau

La caractéristique fondamentale est simple:

La pompe à chaleur et les unités terminales partagent le même chemin de circulation de l'eau.

2Comment fonctionne un système de pompe à chaleur à boucle unique?

Le principe de fonctionnement peut être compris à travers deux paramètres hydrauliques fondamentaux:

1Différence de température de l'eau (ΔT)
2Température moyenne de l'eau en circulation

Ces deux paramètres sont étroitement liés à la quantité de chaleur transférée entre la pompe à chaleur et le bâtiment.

3. Comprendre la température de l'eau d'approvisionnement et de retour

Pendant le fonctionnement de chauffage, la pompe à chaleur augmente la température de l'eau en circulation.

Par exemple:

Pompes à chaleur → 40°C Apportez de l'eau → Terminals de chauffage → 35°C Retournez de l'eau → Pompes à chaleur

La différence de température est:

Les températures de l'air doivent être de 40 °C à 35 °C.

L'équipement terminal extrait l'énergie thermique de l'eau et la transfère dans le bâtiment.

L'eau de retour du refroidisseur retourne ensuite à la pompe à chaleur et est réchauffée.

Le cycle se poursuit tant que la demande de chauffage existe.

Profil de température

Sortie de la pompe à chaleur
40°C
│
│ La chaleur est délivrée │
▼ au bâtiment 
Je ne sais pas si je peux le faire.
ΔT = 5 K 
◄ ◄ ◄ ◄ ◄
▲
│
35°C
Entrée de la pompe à chaleur

En mode refroidissement, le principe est inversé: la pompe à chaleur fournit de l'eau refroidie et les terminaux absorbent la chaleur de l'environnement intérieur.

4. Pourquoi la ΔT est-elle importante?

Pour un système de chauffage hydronique, la capacité thermique transférée peut être approximée par:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Où:

• Q. Je vous en prie.= capacité de transfert de chaleur
• ṁ= débit massif de l'eau
• Cp= capacité thermique spécifique de l'eau
• ΔT= différence de température de l'eau d'approvisionnement/de retour

Pour les calculs pratiques de la climatisation utilisant de l'eau:

Q (kW) ≈ 1,163 × débit (m3/h) × ΔT (K)

Par conséquent:

Taux de débit (m3/h) ≈ Q / (1,163 × ΔT)

Exemple

Supposons qu'une pompe à chaleur fournisse:

Capacité de chauffage = 20 kW

avec:

ΔT = 5 K

Le débit d'eau requis est approximativement:

20 ÷ (1,163 × 5) ≈ 3,44 m3/h

Ceci démontre une caractéristique importante des systèmes directement connectés:

La capacité de la pompe à chaleur, la capacité du terminal, le débit d'eau et ΔT doivent être coordonnés hydrauliquement.

Si la pompe à chaleur nécessite un débit d'eau nettement supérieur ou inférieur à celui du système de distribution de bornes, la connexion directe peut devenir difficile à contrôler.

5. Balance énergétique dans un système à boucle unique

Dans des conditions de fonctionnement stables, l'énergie thermique générée par la pompe à chaleur doit correspondre approximativement à l'énergie thermique absorbée par le bâtiment:

Sortie de la pompe à chaleur ≈ transfert de chaleur terminal ≈ charge de chauffage du bâtiment

Cependant, ces valeurs sont rarement identiques à tout moment.

La charge du bâtiment change continuellement en raison de:

• Température extérieure
• Les rayonnements solaires
• Occupation
• Gains de chaleur internes
• Paramètres du thermostat
• Ventilateurs de zone d'ouverture ou de fermeture
• Fonctionnement de la bobine du ventilateur
• Conditions météo

Cela signifie qu'un système de pompe à chaleur hydronique essaie constamment de maintenir un équilibre entreproduction et consommation de chaleur.

6Que se passe-t-il lorsque la production de pompes à chaleur dépasse la demande des bâtiments?

Considérez un système pendant le démarrage.

Au début, l'eau du bâtiment et de la circulation peut être froide.

À ce stade:

• La demande de chauffage est élevée.
• La température de l'eau est basse.
• Le transfert de chaleur du côté terminal est élevé.
• La pompe à chaleur fonctionne à une puissance relativement élevée.

Au fur et à mesure que le bâtiment s'approche de la température cible, la demande de chaleur terminale diminue.

Si la pompe à chaleur continue de produire plus de chaleur que le bâtiment ne peut absorber,l'excès d'énergie thermique augmente temporairement la température de l'eau en circulation et la masse thermique du système.

Il en résulte:

La température moyenne de l'eau augmente.

Le régulateur de la pompe à chaleur réagit alors par:

• Réduction de la fréquence du compresseur dans un système d'onduleur, ou
• Arrêt du compresseur lorsque la température cible est atteinte.

C'est une des raisonsLes pompes à chaleur à onduleur à courant continu complet sont particulièrement adaptées aux systèmes hydroniques à basse température conçus correctement..

Au lieu de fonctionner à pleine capacité ou de s'arrêter complètement, le compresseur peut moduler sa puissance pour suivre les changements de la demande du bâtiment.

7L'importance du volume d'eau du système

Le volume d'eau fournit une inertie thermique.

Une façon simplifiée de comprendre ceci est:

La pompe à chaleur produit de la chaleur.
↓
Je ne peux pas le faire.
│ Système eau │ │
│ Volume │ 
Je ne sais pas.
↓
Les terminaux de chauffage
↓
Bâtiment

Si la production et la consommation de chaleur sont temporairement différentes, le volume d'eau peut absorber une partie de ce déséquilibre.

Un volume d'eau suffisant peut aider:

• Stabiliser la température de l'eau
• Réduire le cycle rapide du compresseur
• Améliorer la stabilité de fonctionnement de la pompe à chaleur
• Fournir de l'énergie thermique dans des conditions transitoires
• Prise en charge de l'opération de dégel dans certaines configurations de système

Cependant,plus de volume d'eau n'est pas automatiquement mieux.

Un volume de tampon excessif peut augmenter:

• Coût de l'installation
• Exigences en matière d'espace
• Perte de chaleur en position debout
• Temps de réchauffement du système

Le volume correct doit donc être déterminé en fonction des exigences minimales du fabricant de la pompe à chaleur en matière de volume d'eau et des caractéristiques hydrauliques du projet.

8Relation entre la capacité de la pompe à chaleur et la température de l'eau

Une pompe à chaleur à onduleur moderne ajuste continuellement sa puissance en fonction des conditions de fonctionnement.

Lorsque la demande de chauffage augmente:

Une charge plus élevée → un rendement thermique plus élevé

En fonction de la stratégie de contrôle, le système peut répondre par:

• Fréquence supérieure du compresseur
• Température plus élevée de l'eau d'alimentation
• Augmentation du débit de circulation
• Ou une combinaison de ces facteurs

Lorsque la demande de chauffage diminue:

Faible charge → Faible puissance de la pompe à chaleur

C' est pour çacompensation météorologique / contrôle de réinitialisation extérieurest important pour l'efficacité de la pompe à chaleur.

Au lieu de maintenir des températures d'eau inutilement élevées pendant toute la saison de chauffage, le régulateur peut réduire la température cible de l'eau d'alimentation dans des conditions extérieures plus douces.

Une température de l'eau d'alimentation plus basse réduit généralement la portance du compresseur et peut améliorer l'efficacité de la pompe à chaleur saisonnière.

9. Configuration typique de la pompe à chaleur à boucle unique

Un système pratique peut contenir:

Pompes à chaleur air-eau
│
▼
Pompes de circulation
│
▼
En-tête d' approvisionnement.
│
Je ne sais pas.
Je suis désolée.
Radiateur au sol.
Le chauffage
│ │
Je ne sais pas.
▼
Retourne l' en-tête.
│
▼
Pompes à chaleur

En fonction de la conception du système, les composants supplémentaires peuvent comprendre:

• Vaisseau d'expansion
• Ventilation automatique
• Ventilateur de sécurité
• Séparateur de saleté magnétique
• Ventilateur à Y
• Valve de freinage
• Indicateur de pression
• Capteurs de température
• Débitmètre ou interrupteur de débit
• Valves d'équilibrage
• Ventilateurs de zone
• Valve de dérivation à pression différentielle

Ces composants ne convertissent pas nécessairement le système en un système primaire-secondaire.

La question déterminante est de savoir si le circuit de la pompe à chaleur et le circuit de distribution des bornes restentd'une puissance de sortie supérieure à 50 W.

10La sélection de la pompe de circulation est essentielle

La pompe de circulation doit fournir un débit suffisant tout en surmontant la chute de pression totale du circuit hydraulique.

Le concepteur doit prendre en considération:

Débit requis + résistance totale du système = Point de fonctionnement de la pompe de circulation

La résistance totale peut inclure:

• Échangeur de chaleur à pompe à chaleur
• tuyauterie d'approvisionnement et de retour
• Les accessoires
• Filtres
• Ventilateurs
• Les variétés
• Radiateurs
• autres appareils de ventilation
• Circuits de chauffage par le sol

Une pompe sélectionnée uniquement selon le débit nominal, sans vérifier la tête disponible, peut entraîner une circulation insuffisante.

De même, une pompe trop grande peut provoquer:

• Vitesse de l'eau excessive
• Consommation d'énergie de la pompe plus élevée
• Le bruit
• Problèmes de commande des vannes
• Réduction de ΔT

Par conséquent, la sélection de la pompe de circulation doit toujours être basée sur le calcul hydraulique réel du système.

11. Flux constant par rapport au flux variable

L'une des considérations les plus importantes dans un système de pompe à chaleur à boucle unique est de savoir si le système de distribution fonctionne à un débit approximativement constant ou variable.

Flux constant ou relativement stable

La connexion directe est relativement simple lorsque:

Flux requis par la pompe à chaleur ≈ Flux du système de distribution

Par exemple, une simple installation de chauffage par le sol avec la plupart des circuits ouverts en continu peut fournir des conditions hydrauliques relativement stables.

Flux variable

La situation devient plus compliquée lorsque plusieurs thermostats et soupapes de zone contrôlent indépendamment différentes zones.

Par exemple:

Zone 1 ouverte
La pompe à chaleur est fermée.
Zone 3 fermée.
Zone 4 fermée

Lorsque plusieurs zones sont fermées, le débit total du système peut diminuer de manière significative.

Cela peut entraîner une chute de la pompe à chaleur en dessous du débit d'eau minimum requis.

Les conséquences possibles sont les suivantes:

• Alertes de protection contre le faible débit
• ΔT plus élevé
• Température de sortie de l'eau instable
• Performance réduite des échangeurs de chaleur
• Cycles fréquents du compresseur
• Faibles performances de dégel

C'est l'une des principales limites des systèmes directement connectés.

12Les avantages d'une pompe à chaleur hydronique à boucle unique

Conception hydraulique simple

Un système à boucle simple nécessite généralement moins de composants hydrauliques.

Cela peut réduire:

• Complicité de l'installation
• Nombre de pompes
• Pièces de tuyauterie
• Exigences en matière de contrôle

Moins de coûts initiaux

Comme la séparation hydraulique et les pompes de distribution supplémentaires peuvent ne pas être nécessaires, les coûts d'équipement et d'installation peuvent être inférieurs.

Énergie de pompage réduite

Si une pompe de circulation de haute efficacité bien sélectionnée peut servir l'ensemble du système, la consommation électrique auxiliaire peut être réduite.

Réduction du mélange hydraulique

Les séparateurs hydrauliques et les réservoirs tampons peuvent introduire le mélange dans certaines conditions de fonctionnement.

Un système direct correctement conçu peut envoyer l'eau qui sort de la pompe à chaleur directement aux bornes de chauffage sans cet effet de mélange.

Cela peut être avantageux pour les applications de pompes à chaleur à basse température.

Bonne compatibilité avec les pompes à chaleur à onduleur

Lorsque le débit d'eau reste dans la plage de fonctionnement requise, une pompe à chaleur à onduleur peut moduler la capacité pour suivre efficacement la charge du bâtiment.

13. Limites d'un système à boucle unique

Un système directement connecté ne convient pas à tous les projets.

Ses principales limites sont les suivantes:

La pompe à chaleur et le débit de charge doivent être compatibles

Comme les deux côtés partagent le même circuit hydraulique, des différences significatives entre le débit de la pompe à chaleur requis et le débit terminal peuvent créer des problèmes de contrôle.

Plusieurs zones peuvent causer l'instabilité du flux

La fermeture des vannes thermostatiques ou motorisées modifie le débit et la pression du système.

Différentes températures terminales sont plus difficiles

Considérez un bâtiment contenant:

• Chauffage par sol: 30°C à 40°C
• Ventilateur en spirale: 40°45°C
• Radiateurs: 45°C à 55°C

Ces bornes peuvent nécessiter des températures d'alimentation et des caractéristiques de débit différentes.

Une simple boucle de raccordement direct peut donc être insuffisante.

La taille de la pompe devient plus critique

Une seule pompe peut être nécessaire pour compenser la perte de pression de la pompe à chaleur et du réseau de distribution.

Le débit minimum de la pompe à chaleur doit toujours être protégé

Les pompes à chaleur modernes spécifient normalement un débit d'eau de fonctionnement minimum.

Si le débit du système tombe en dessous de cette valeur, un fonctionnement fiable ne peut être garanti.

14. Quand est-il recommandé d'utiliser une pompe à chaleur à boucle unique?

Une configuration à boucle unique est particulièrement intéressante lorsque:

• Le système est relativement petit
• Le réseau hydraulique est simple.
• Les exigences de la pompe à chaleur et du débit terminal sont similaires
• La plupart des terminaux fonctionnent à des températures d'eau similaires
• Il y a peu de zones indépendantes.
• Les flux restent relativement stables
• La pompe de circulation de la pompe à chaleur a une tête disponible suffisante
• Le débit minimum de la pompe à chaleur peut toujours être maintenu
• Le volume d'eau du système satisfait aux exigences du fabricant

Les applications typiques peuvent inclure:

Pompes à chaleur + chauffage au sol

ou

Pompes à chaleur + un circuit principal de la bobine du ventilateur

ou

Pompes à chaleur + système de radiateur à basse température

15. Quand faut-il envisager un système primaire-secondaire?

Un système hydronique primaire-secondaire devient plus attrayant lorsque:

• Le bâtiment a de nombreuses zones indépendantes.
• Le débit terminal varie considérablement
• Différents circuits terminaux nécessitent des débits différents
• Des températures différentes sont nécessaires.
• Le réseau de distribution présente une résistance hydraulique élevée
• La pompe de circulation de la pompe à chaleur ne peut pas desservir le réseau complet
• Plusieurs pompes de circulation sont nécessaires
• Plusieurs pompes à chaleur fonctionnent en cascade
• Un débit minimal stable à travers la pompe à chaleur doit être garanti.

Dans ces cas, un séparateur hydraulique ou un dispositif tampon conçu de manière appropriée peut déconnecter hydrauliquement le côté de la pompe à chaleur du côté de la distribution du bâtiment.

Conceptuellement:

La source de chaleur est du côté de la charge.

Radiateurs à pompe à chaleur.
│ ▲ 
Pompes primaires
│ Pompes secondaires 
▼ │ 
Je ne sais pas si je peux vous aider.
│ Hydraulique │ ◄ │ │ │ │
│ Séparateur │  │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 
│ │ │
▲ ▼ 
│ Coils de ventilateur │
│
Le circuit principal

Les deux côtés peuvent alors fonctionner à des débits différents sans interaction hydraulique forte.

16. Single-Loop contre primaire-secondaire: lequel est le plus efficace?

Il n'existe pas de réponse universelle.

Une idée fausse courante est la suivante:

"Un système à boucle unique est toujours plus efficace parce qu'il utilise moins de pompes".

Une autre idée fausse est la suivante:

"Un système primaire-secondaire est toujours meilleur parce qu'il est plus professionnel".

Aucune des deux affirmations n'est techniquement correcte.

L'efficacité du système dépend de la conception hydraulique complète.

Un système direct bien conçu peut être extrêmement simple et efficace.

Cependant, le fait de forcer une installation multi-zones compliquée dans une seule boucle hydraulique peut entraîner un débit instable, un cycle excessif et un mauvais contrôle de la température.

À l'inverse, l'ajout de réservoirs tampons, de pompes et d'appareils de mélange inutiles à un système résidentiel simple peut augmenter le coût d'installation et la consommation d'électricité parasitaire.

Le principe est le suivant:

Utiliser l'architecture hydraulique la plus simple qui peut maintenir le débit, la température, la pression et la stabilité de contrôle requis dans toutes les conditions de fonctionnement attendues.

17Questions fréquemment posées

Qu'est-ce qu'un système de pompe à chaleur à boucle unique?

A single-loop heat pump system is a hydronic configuration in which the heat pump and heating/cooling terminals share the same water circulation circuit without hydraulic separation between the heat source and load sides.

Un système à boucle unique nécessite-t-il un réservoir tampon?

Pas toujours.

Un réservoir tampon doit être envisagé en fonction du volume d'eau minimum du système, de la durée minimale de fonctionnement du compresseur, des exigences de dégel,stratégie de zonage et recommandations du fabricant plutôt que d'être installé automatiquement dans chaque projet.

Une pompe de circulation peut-elle servir l'ensemble du système?

Oui, à condition que la pompe puisse fournir le débit de conception requis à la tête totale du système calculée tout en maintenant la plage de débit de fonctionnement requise de la pompe à chaleur.

Un système à boucle unique peut-il utiliser les radiateurs et le chauffage par le sol ensemble?

C'est possible, mais une conception minutieuse est nécessaire, car les radiateurs et le chauffage au sol fonctionnent souvent à des températures et à des débits d'eau différents.Un circuit de mélange ou un système de distribution séparé hydrauliquement peut être plus approprié..

Un système à boucle unique convient-il aux pompes à chaleur à onduleur?

Oui, les pompes à chaleur à onduleur peuvent fonctionner particulièrement bien dans les systèmes directement connectés correctement conçus, car la capacité du compresseur peut être modulée en fonction de la demande thermique.Les exigences relatives au débit d'eau minimum et au volume minimum du système doivent toujours être respectées..

Qu'est-ce qui détermine la production de chaleur dans un système hydronique?

Le transfert de chaleur est principalement déterminé par le débit d'eau et la différence de température d'approvisionnement et de retour:

Q ≈ 1,163 × débit × ΔT

Par conséquent, la capacité de la pompe à chaleur, la capacité du terminal, le débit et ΔT doivent être considérés ensemble.

Conclusion

Unesystème de pompe à chaleur hydronique à boucle uniqueest l'un des moyens les plus simples de connecter une pompe à chaleur air-eau aux bornes de chauffage ou de refroidissement d'un bâtiment.

Sa principale caractéristique est que lela source de chaleur et le côté de la charge partagent le même circuit hydraulique et le même débit d'eau en circulation.

Lorsque la pompe à chaleur, la pompe à circulation et le système de bornes sont correctement assortis, cette disposition présente plusieurs avantages:

• Conception hydraulique simple
• Moins de coûts d'installation
• Moins de pompes à circulation
• Consommation d'énergie auxiliaire réduite
• Livraison directe d'eau d'approvisionnement aux terminaux
• Excellente compatibilité avec le chauffage à basse température

Cependant, la simplicité ne supprime pas la nécessité de l'hydraulique.

Le concepteur doit encore vérifier:

Charge de chauffage/refroidissement → Capacité de la pompe à chaleur → Conception ΔT → Débit d'eau requis → Baisse de pression du système → Sélection de la pompe → Débit minimal → Volume d'eau → Stratégie de contrôle

Ce n'est que lorsque ces paramètres sont correctement coordonnés qu'un système de pompe à chaleur directement connecté peut fonctionner efficacement et de manière fiable.

Pour les bâtiments complexes à zones multiples, les systèmes à débit variable ou les installations utilisant des températures terminales différentes, unsystème hydronique primaire-secondairepeuvent fournir une meilleure stabilité hydraulique et un meilleur contrôle.

L'objectif n'est donc pas de décider si un système à boucle unique ou un système primaire-secondaire est universellement meilleur.

L'objectif est de sélectionner l'architecture hydraulique qui correspond le mieux aux besoins opérationnels réels du projet.