Un système de pompe à chaleur hydronique à boucle unique peut être simple, efficace et rentable, mais seulement si les conditions hydrauliques restent dans les limites des exigences de fonctionnement de la pompe à chaleur.

Dans les projets réels de chauffage et de refroidissement, une pompe à chaleur air-eau peut être connectée à différents types d'unités terminales, notamment:

• 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

Ces terminaux ne fonctionnent pas toujours simultanément.

À mesure que les thermostats atteignent leurs paramètres, les soupapes de zone peuvent se fermer, les soupapes de commande des bobines de ventilateur peuvent être modulées, les filtres peuvent devenir sales, la résistance du système peut changer.

En conséquence,le débit d'eau réel à travers la pompe à chaleur peut être très différent du débit prévu.

Il s'agit d'un des défis d'ingénierie les plus importants dans un système de pompe à chaleur directement connecté ou à boucle unique.

1Pourquoi le débit d'eau est-il si important pour une pompe à chaleur?

Chaque pompe à chaleur hydronique est conçue et testée dans des conditions de fonctionnement spécifiques.

Il s'agit généralement:

• Température de l'air extérieur

• Entrée de température de l'eau

• Température d'eau de sortie

• Débit d'eau

• Différence de température d'alimentation et de retour, ou ΔT

Parmi ces paramètresle débit d'eau est particulièrement important pour l'échangeur de chaleur situé sur le côté de l'eau.

La relation de base de transfert de chaleur est la suivante:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Pour les systèmes HVAC à base d'eau, cela peut être simplifié en:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

Où:

• Q. Je vous en prie.= capacité de transfert de chaleur, kW

• V= débit d'eau, m3/h

• ΔT= différence de température de l'eau, K

Cette équation explique pourquoi le débit d'eau et ΔT ne peuvent pas être considérés indépendamment.

Pour un taux de transfert de chaleur donné:

Débit inférieur → ΔT supérieur

et

Débit plus élevé → ΔT inférieur

2Que se passe-t-il lorsque le débit d'eau est trop faible?

Supposons qu'une pompe à chaleur soit conçue pour fonctionner à:

Débit d'eau de conception = 4,0 m3/h

Si le débit réel du système diminue de 20%, le débit devient:

3.2 m3/h

Si la pompe à chaleur tente toujours de transférer à peu près la même quantité d'énergie, le ΔT du côté de l'eau doit augmenter.

Par exemple:

Condition de conception

20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K

Si le débit tombe à environ 2,75 m3/h, alors que le transfert de chaleur reste de 20 kW:

ΔT ≈ 6,25 K

Le système commence donc à s'éloigner de son état de conception initial.

Un écart modéré peut être gérable.

Une grande déviation peut ne pas être.

3Un faible débit d'eau peut réduire les performances de la pompe à chaleur

L'insuffisance du débit d'eau ne fait pas qu'augmenter ΔT.

Elle peut influencer:

• Performance de l'échangeur de chaleur

• Pression de condensation du réfrigérant

• Température d'évaporation du réfrigérant

• Conditions de fonctionnement du compresseur

• Laisser la température de l'eau stable

• Capacité de chauffage ou de refroidissement

• COP/EER

• Opération de dégel

• Fiabilité du système

Les conséquences sont différentes dans le fonctionnement du chauffage et du refroidissement.

4. Faible débit pendant le chauffage

Pendant le mode chauffage, le réfrigérant transfère la chaleur à l'eau en circulation à travers le condensateur.

Si le débit d'eau devient trop faible, l'eau ne peut pas éliminer la chaleur de l'échangeur de chaleur côté réfrigérant assez rapidement.

Cela peut entraîner une augmentation rapide de la température de l'eau.

Dans le même temps, la température et la pression de condensation du réfrigérant peuvent augmenter.

Dans les cas graves, la pompe à chaleur peut présenter:

• Protection contre la haute pression

• Température de décharge excessive

• Température de sortie de l'eau instable

• Cycles du compresseur

• Efficacité de fonctionnement réduite

• Alarmes de protection des échangeurs de chaleur

La réponse exacte dépend du circuit de réfrigération et de la logique de commande de la pompe à chaleur.

Mode de chauffage Relations simplifiées

Flux normal

Pompes à chaleur
↓
Un débit d'eau adéquat
↓
Transfert de chaleur stable
↓
Pression de condensation stable
↓
Fonctionnement normal

Flux insuffisant

Pompes à chaleur
↓
Flux d'eau réduit
↓
Réduction de l'élimination de la chaleur
↓
DT supérieur du côté de l'eau
↓
Température/pression de condensation plus élevée
↓
Protection contre les fortes pressions

C'est pourquoi il est essentiel de maintenir un débit minimal.

5Un faible débit peut être encore plus critique pendant le refroidissement.

Pendant le fonctionnement de refroidissement, la pompe à chaleur élimine la chaleur de l'eau en circulation.

L'échangeur de chaleur situé sur le bord de l'eau fonctionne maintenant comme un évaporateur.

Si le débit d'eau devient trop faible, la température de l'eau à l'intérieur de l'échangeur de chaleur peut diminuer excessivement.

Cela peut entraîner:

Faible débit d'eau → Température d'évaporation plus basse → Risque de gel

Si l'état devient grave, l'eau à l'intérieur de l'échangeur de chaleur peut geler.

L'expansion de la glace peut endommager mécaniquement l'échangeur de chaleur.

Il s'agit d'une défaillance grave, car un échangeur de chaleur à plaque endommagé peut permettre à l'eau de pénétrer dans le circuit du réfrigérant.

Par conséquent, les systèmes de refroidissement nécessitent une attention particulière aux éléments suivants:

• Débit d'eau minimum

• Protection des interrupteurs de débit

• Protection contre la température de l'eau

• Protection contre le gel

• Qualité de l'eau

• Concentration de glycol si nécessaire

• Logique de fonctionnement de la pompe

6Le flux de conception n'est pas nécessairement le flux d'exploitation réel

C'est l'un des concepts les plus importants dans la conception de systèmes à boucle unique.

Pendant la mise en service, tous les circuits terminaux peuvent être ouverts.

L'installateur mesure le système et tout semble normal.

Par exemple:

Flux de conception de la pompe à chaleur: 4,0 m3/h

Flux mesuré de mise en service: 4,1 m3/h

Tout semble bien.

Mais que se passe-t-il après que le bâtiment ait commencé à fonctionner normalement?

Supposons que le système contient six unités de bobine de ventilation.

À pleine charge:

L'unité de mesure 1 + unité de mesure 2 + une unité de mesure 3 + une unité de mesure 4 + une unité de mesure 5 + une unité de mesure 6 = débit total adéquat

Plus tard, cinq chambres atteignent leurs réglages de thermostat.

Cinq soupapes motorisées se ferment.

Une seule bobine de ventilateur reste active.

La résistance hydraulique du système change radicalement.

La pompe à chaleur peut maintenant recevoir beaucoup moins d'eau que son débit minimum requis.

Cela signifie:

Un système qui fonctionne correctement pendant la mise en service peut ne pas fonctionner correctement dans des conditions de charge partielle.

Ceci est particulièrement important pour les pompes à chaleur à onduleur, car les bâtiments passent une partie importante de la saison de chauffage à fonctionner à charge partielle.

7Les unités terminales créent une résistance hydraulique variable.

Différentes bornes ont des caractéristiques hydrauliques différentes.

Par exemple:

Le chauffage par le sol

Le débit est influencé par:

• Nombre de boucles actives

• Équilibrage à plusieurs

• Longueur du tuyau

• Diamètre du tuyau

• Position de l'actionneur

• Ventilateurs de mélange

• Régulation thermostatique

Unités de bobine de ventilateur

Le débit peut changer lorsque:

• Fermeture des soupapes bidirectionnelles

• Les soupapes de commande modulent

• Les branches de la bobine du ventilateur sont isolées

• Les filtres deviennent sales.

Radiateurs

Le débit peut varier selon:

• Ventilateurs de radiateurs thermostatiques

• Valves d'équilibrage

• Ventilateurs de zone

• Pression différentielle

Par conséquent, le concepteur ne devrait pas calculer uniquement laCondition de conception à pleine charge.

Le système hydraulique doit également être évalué enconditions de charge minimale.

8Pourquoi la sélection de la pompe de circulation devient difficile

Dans un système directement connecté, une pompe de circulation peut avoir besoin de surmonter la résistance à la pression de:

Pompes à chaleur + tuyauterie + vannes + filtres + collecteurs + terminaux

Le point de fonctionnement requis de la pompe est donc:

Débit de conception + tête dynamique totale

Cependant, la résistance terminale n'est pas nécessairement constante.

Lorsque les vannes se ferment, la courbe de résistance du système change.

C'est pourquoi le simple choix d'une pompe plus grande n'est pas toujours une bonne solution.

Une pompe de circulation trop grande peut provoquer:

• Débit excessif

• Pression différentielle excessive

• Bruit du débit

• Problèmes avec l'autorité des vannes

• Augmentation de la consommation d'électricité des pompes

• Système réduit ΔT

• Faible stabilité du contrôle

L'objectif n'est pas de choisir la plus grande pompe.

L'objectif est de sélectionner une pompe capable de fonctionner correctement sur la plage hydraulique prévue.

9Pourquoi le débit minimum de la pompe à chaleur doit toujours être protégé

La plupart des pompes à chaleur air-eau spécifient un débit d'eau minimum admissible.

Par exemple:

Débit de conception: 4,0 m3/h

Débit admissible minimum: 2,5 m3/h

Le concepteur du système doit s'assurer que le débit réel de la pompe à chaleur ne tombe pas en dessous de 2,5 m3/h, même lorsque plusieurs zones terminales sont fermées.

Ceci est fondamentalement différent de la simple confirmation que le flux de conception est disponible à pleine charge.

Une bonne conception hydraulique devrait donc répondre à deux questions:

Question n° 1

Le système peut-il fournir le débit de conception requis à la charge maximale?

Question n° 2

Le système peut-il encore maintenir le débit minimum requis de la pompe à chaleur à charge minimale?

Les deux conditions comptent.

10Pourquoi un interrupteur de débit est nécessaire mais pas suffisant

Un interrupteur de débit est généralement installé pour protéger la pompe à chaleur.

Son but est simple:

Flux adéquat → Pompes à chaleur autorisées à fonctionner

Flux insuffisant → Pompes à chaleur arrêtées/protégées

C'est un dispositif de sécurité important.

Toutefois:

Un interrupteur de débit protège la pompe à chaleur d'un mauvais état hydraulique; il ne corrige pas l'état hydraulique.

Cette distinction est essentielle.

Si les vannes terminales réduisent continuellement le débit d'eau en dessous du minimum requis, l'interrupteur de débit peut arrêter à plusieurs reprises la pompe à chaleur.

L'équipement est protégé, mais le système de chauffage ne fonctionne toujours pas correctement.

Par conséquent, il ne faut jamais confondre la protection du débit et la conception hydraulique.

11Les soupapes bidirectionnelles et le problème de la charge partielle

Les vannes bidirectionnelles sont largement utilisées dans les systèmes HVAC modernes.

Quand une pièce a besoin de chauffage:

Le thermostat est allumé → la vanne s'ouvre → l'eau coule

Quand la pièce atteint le point de fixation:

Le thermostat est éteint → la vanne se ferme → le débit d'eau s'arrête

Cela fournit un excellent contrôle au niveau de la pièce.

Cependant, dans un système à boucle unique, la fermeture de plusieurs vannes bidirectionnelles réduit le débit total du système.

Par exemple:

Charge complète

6 zones ouvertes
→ 100% de flux de conception
→ La pompe à chaleur fonctionne normalement

Charge partielle

3 zones ouvertes
→ Flux réduit
→ La pompe à chaleur fonctionne peut-être toujours normalement

Charge minimale

1 zone ouverte
→ très faible débit système
→ Le débit minimum de la pompe à chaleur peut ne pas être satisfait

Il s'agit de l'un des problèmes hydrauliques les plus courants dans les systèmes à connexion directe multi-zones.

12La valve de dérivation à pression différentielle

Une solution possible estsoupape de dérivation à pression différentielle.

Le contournement est installé entre les tuyaux d'alimentation et de retour.

Lorsque les vannes terminales sont ouvertes:

Pression différentielle basse → dérivé fermé

L'eau coule à travers les bornes.

Lorsque les vannes terminales se ferment:

Résistance du système ↑

Pression différentielle ↑

La valve de dérivation s'ouvre progressivement.

Une partie de l'eau d'alimentation passe ensuite par le système terminal et retourne directement à la pompe à chaleur.

Cela aide à maintenir une circulation minimale.

Une logique simplifiée

Pompes à chaleur

↓

Circuit de borne

↓

Retour

Mais quand le débit terminal diminue:

Apport → contournement de la pression différentielle → retour

Cela peut aider à protéger le débit minimum de la pompe à chaleur.

Cependant, le débit de dérivation doit être correctement conçu, car un dérivation excessive peut augmenter la température de l'eau de retour pendant le chauffage et réduire la livraison de chaleur utile au bâtiment.

13Les vannes à trois voies peuvent maintenir un débit plus constant.

Une autre approche consiste à utiliser des vannes de commande à trois voies.

À la différence d'une vanne bidirectionnelle qui arrête simplement le débit d'eau, une vanne bidirectionnelle peut rediriger le débit à travers une voie de contournement.

Conceptuellement:

La pièce a besoin de chauffage

Fourniture → Terminal → Retour

La chambre n'a pas besoin de chauffage

Fourniture → contournement → retour

Cela permet de maintenir un flux de circulation primaire plus stable.

Cependant, les vannes à trois voies créent également un débit de pontage continu et peuvent augmenter l'énergie de pompage.

Par conséquent, le choix entre les vannes bidirectionnelles et les vannes bidirectionnelles devrait être basé sur la conception hydraulique complète plutôt que sur la préférence des composants.

14Les pompes à vitesse variable ont besoin d' une logique de contrôle appropriée.

Les pompes à circulation à vitesse variable peuvent améliorer considérablement l'efficacité du système hydronique.

Les modes de commande courants comprennent:

• Vitesse constante

• Pression différentielle constante

• Différentielle de pression proportionnelle

• Commande externe de 0 ̊10 V

• Contrôle du PWM

• Régulation de la vitesse variable intégrée à la pompe à chaleur

À mesure que les vannes terminales se ferment, une pompe à vitesse variable peut réduire sa vitesse.

Cela peut réduire:

• Énergie de pompage

• Pression différentielle

• Bruit du débit

• Tension de la soupape

Toutefois, la pompe ne doit pas réduire la vitesse au point que le débit de la pompe à chaleur tombe en dessous du minimum requis.

Par conséquent:

Contrôle variable de la pompe ≠ réduction illimitée du débit

L'exigence de débit minimum de la pompe à chaleur reste la contrainte régissant.

15Les filtres et filtres affectent également le débit de la pompe à chaleur.

Les problèmes de débit ne sont pas toujours causés par des vannes de commande.

Un tamisage Y ou un séparateur magnétique de saleté sale peut augmenter progressivement la chute de pression du système.

La progression peut ressembler à:

Filtre propre

↓

Baisse normale de la pression

↓

Flux normal

Alors:

Accumulation de saleté

↓

Une baisse de pression plus élevée

↓

Flux d'eau inférieur

↓

ΔT plus élevé

↓

Problèmes de performance de la pompe à chaleur

C'est pourquoi la mise en service et l'entretien devraient inclure:

• Mesure du débit

• Mesure de la pression d'alimentation et de retour

• Inspection des filtres

• Nettoyage par filtre

• Élimination de l'air

• Contrôle de la qualité de l'eau

Un système qui fonctionnait correctement quand il était neuf peut avoir des problèmes hydrauliques plus tard à cause de la contamination ou de l'air emprisonné.

16L' air dans le circuit hydronique peut également réduire le débit.

L' accumulation d' air peut provoquer:

• Flux effectif réduit

• Cavitation de la pompe

• Le bruit

• Chauffage inégal

• Problèmes de circulation localisés

• Alarmes de commutateur de débit

Les conduits d'aération automatiques, les séparateurs d'air, la pression correcte du système et les procédures de mise en service appropriées sont donc des éléments importants de la conception hydraulique de la pompe à chaleur.

17Le chauffage et le refroidissement doivent être évalués séparément.

Une pompe à chaleur air-eau réversible ne doit pas être évaluée hydrauliquement uniquement en mode chauffage.

Le chauffage et le refroidissement présentent des risques différents.

Mode de chauffage

La principale préoccupation avec un débit insuffisant:

Faible rejet de chaleur → température/pression de condensation élevée

Mode de refroidissement

La principale préoccupation avec un débit insuffisant:

Refroidissement excessif par l'eau → Basse température d'évaporation → Risque de gel

Par conséquent, un système acceptable pour le chauffage n'est pas automatiquement sûr pour le refroidissement.

Ceci est particulièrement important pour les systèmes utilisant:

• autres appareils de ventilation

• AHU à eau refroidie

• Refroidissement par rayonnement

• Refroidissement par procédé à basse température

18Liste de contrôle technique pratique

Avant de mettre en service un système de pompe à chaleur à boucle unique, vérifier ce qui suit:

Pompes à chaleur

✓ Concevoir le débit d'eau
✓ Débit admissible minimum
✓ Débit maximal autorisé
✓ Volume d'eau minimum du système
✓ Température de sortie de l'eau
✓ Température de refroidissement de l'eau de sortie

Pompes de circulation

✓ Flux de conception
✓ tête disponible
✓ Mode de commande
✓ Vitesse minimale
✓ courbe de la pompe

Réseau hydraulique

✓ Diamètre du tuyau
✓ chute totale de la pression
✓ Résistance de la valve
✓ Résistance au filtre
✓ chute de pression terminale
✓ Équilibrage hydraulique

Contrôle du terminal

✓ Nombre de zones
✓ Valves bidirectionnelles ou tri-directionnelles
✓ Nombre minimum de circuits ouverts
✓ Flux de charge partielle
✓ Exigence de pontage

Protéger

✓ Commutateur de débit
✓ Protection contre le gel
✓ Protection contre la haute pression
✓ Ventilation automatique
✓ Vaisseau de dilatation
✓ Valve de sécurité

Le plus important:

Vérifier le système hydraulique à la fois à charge maximale et à charge minimale.

19Le principe de conception le plus important

Pour un système de pompe à chaleur à boucle unique, la pompe à chaleur et le réseau de distribution du bâtiment sont reliés hydrauliquement.

Cela signifie que chaque changement sur le côté terminal peut influencer la pompe à chaleur.

Un thermostat ferme une vanne.

↓

La résistance du système change.

↓

Le débit d'eau change.

↓

Pompes à chaleur ΔT changements.

↓

Les conditions de fonctionnement des réfrigérateurs changent.

↓

La capacité, l'efficacité et la fiabilité peuvent changer.

C'est pourquoi la conception hydronique ne peut être séparée de la sélection de la pompe à chaleur.

Conclusion

Un système de pompe à chaleur hydronique à boucle unique peut fournir une solution simple et très efficace pour le chauffage et le refroidissement résidentiels et commerciaux.

Mais le succès de l'opération dépend fortement destabilité du débit d'eau.

Le concepteur doit tenir compte non seulement de la capacité nominale de la pompe à chaleur, mais aussi:

Débit de conception → Débit minimum → ΔT → Chute de pression → Sélection de la pompe → Résistance terminale → Contrôle de zone → Stratégie de contournement → Protection du système

Une pompe à chaleur peut fonctionner parfaitement lorsque tous les terminaux sont ouverts pendant la mise en service, mais devenir instable lorsque le bâtiment entre en fonctionnement à charge partielle.

Par conséquent, l'un des principes les plus importants dans la conception des systèmes de pompes à chaleur est:

Ne concevez pas uniquement pour une charge complète, mais concevez le système hydraulique pour toute la plage de fonctionnement.

Le maintien d'un débit d'eau adéquat à travers la pompe à chaleur dans toutes les conditions de fonctionnement prévues est essentiell'efficacité, le confort, la fiabilité du compresseur, la protection contre le gel et les performances à long terme du système;.

FAQ: Conception d'un système de pompe à chaleur à boucle unique

Que se passe-t-il si le débit d'eau de la pompe à chaleur est trop faible?

Un faible débit d'eau augmente la différence de température du côté de l'eau et peut réduire les performances de l'échangeur de chaleur.les conditions de faible débit sévères peuvent contribuer à des alarmes de haute pression de condensation et de protectionEn mode refroidissement, un débit insuffisant peut augmenter le risque d'eau trop basse et d'évaporation.

Pourquoi une pompe à chaleur a-t-elle besoin d'un débit d'eau minimum?

Le débit minimum garantit que l'échangeur de chaleur situé sur le côté de l'eau peut transférer en continu l'énergie thermique requise sans changements de température excessifs ni conditions de fonctionnement instables du réfrigérant.

Une pompe de circulation plus grande peut-elle résoudre les problèmes de faible débit?

Il est nécessaire de prendre en considération le débit requis et la tête du système.bruit et pression différentielle sans corriger le problème de conception hydraulique sous-jacent.

Pourquoi le débit de la pompe à chaleur diminue-t-il lorsque les soupapes de zone se ferment?

La fermeture des soupapes à zone bidirectionnelle augmente la résistance hydraulique du système de distribution et élimine les trajectoires de débit parallèles.

Un interrupteur de débit résout-il un débit d'eau insuffisant?

Non, un interrupteur de débit est avant tout un dispositif de protection qui peut arrêter la pompe à chaleur lorsque la circulation devient insuffisante, mais il ne corrige pas la cause hydraulique du faible débit.

Quand une vanne de dérivation à pression différentielle doit-elle être envisagée?

Il peut s'avérer utile dans les systèmes à débit variable directement connectés où les vannes terminales peuvent se fermer et où une circulation minimale à travers la pompe à chaleur doit être maintenue.Son réglage et le débit de contournement devraient être conçus plutôt que sélectionnés arbitrairement.

Un système à boucle unique convient-il à plusieurs zones de chauffage?

Oui, mais le concepteur doit s'assurer que le débit minimum et le volume d'eau requis par la pompe à chaleur demeurent satisfaits lorsque seul un petit nombre de zones nécessitent du chauffage ou du refroidissement.