Le remplacement d'une chaudière traditionnelle à gaz, à fioul ou électrique par unepompe à chaleur air-eaudevient de plus en plus courant dans les projets de rénovation de bâtiments résidentiels, commerciaux et publics.
Cependant, une rénovation réussie ne consiste pas simplement à :
Retirer la chaudière → installer une pompe à chaleur → raccorder les tuyaux existants.
Une pompe à chaleur et une chaudière fonctionnent dans des conditions hydrauliques et de température très différentes.
Une chaudière peut normalement fournir des températures d'eau relativement élevées avec une différence de température comparativement importante entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour. Une pompe à chaleur, en revanche, atteint normalement sa meilleure efficacité lorsqu'elle fournit de l'eau à basse température avec un débit d'eau soigneusement contrôlé.
Cela signifie qu'avant de remplacer une chaudière, les ingénieurs doivent répondre à plusieurs questions importantes :
Quelle est la charge de chauffage et de refroidissement réelle du bâtiment ?
Quelle capacité la pompe à chaleur doit-elle fournir à la température extérieure de conception ?
Les ventilo-convecteurs, radiateurs ou systèmes de chauffage par le sol existants peuvent-ils fonctionner aux nouvelles températures d'eau ?
Les tuyaux existants peuvent-ils fournir un débit d'eau suffisant ?
La pompe de circulation existante est-elle adaptée ?
Une séparation hydraulique, un réservoir tampon ou un circuit secondaire sont-ils nécessaires ?
Comprendre ces questions est la clé d'une rénovation fiable d'une chaudière à une pompe à chaleur.
L'une des erreurs les plus courantes dans les rénovations de pompes à chaleur est de sélectionner une nouvelle pompe à chaleur en fonction de la capacité indiquée sur la plaque signalétique de la chaudière existante.
Par exemple :
Capacité de la chaudière existante = 100 kW
Par conséquent, installer une pompe à chaleur de 100 kW.
Cette approche peut être sérieusement trompeuse.
Les chaudières traditionnelles sont souvent surdimensionnées et leur capacité nominale ne représente pas nécessairement la demande de chauffage de pointe réelle du bâtiment.
Le point de départ correct est donc lacharge de chauffage de conception.
Dans les projets nécessitant un refroidissement, la charge de refroidissement de conception doit également être calculée.
Une estimation préliminaire simplifiée peut utiliser :
Où :
Q = charge estimée du bâtiment, W
A = surface de plancher conditionnée, m²
q = charge unitaire estimée, W/m²
Par exemple, si un bâtiment de 10 000 m² a une charge de chauffage estimée de 70 W/m² :
Par conséquent :
Cependant, les valeurs W/m² ne doivent être utilisées que pour uneestimation préliminaire.
La sélection finale de la pompe à chaleur doit de préférence être basée sur un calcul approprié de la déperdition/gain de chaleur du bâtiment, en tenant compte de l'isolation, de la vitrerie, de la ventilation/infiltration, de l'occupation, des gains internes, de la température extérieure de conception et de la température intérieure requise.
Ceci est particulièrement important pour les pompes à chaleur aérothermiques.
Une pompe à chaleur annoncée comme une « pompe à chaleur de 20 kW » ne délivre pas nécessairement 20 kW dans toutes les conditions extérieures.
À mesure que la température de l'air extérieur diminue, la capacité de chauffage disponible et le COP d'une pompe à chaleur aérothermique peuvent changer considérablement.
Par conséquent, les ingénieurs ne doivent pas sélectionner l'équipement en se basant uniquement sur des conditions nominales telles que :
A7/W35
Au lieu de cela, la capacité doit être vérifiée par rapport à la condition de conception réelle du projet, par exemple :
A7/W35
A2/W35
A−7/W35
A−15/W45
A−20/W55
selon le climat et l'application.
Le principe correct est :
sauf si le système a été délibérément conçu comme unsystème bivalent avec chauffage d'appoint.
Pour les projets en climat froid, la capacité de chauffage à basse température est donc souvent plus importante que le kW nominal imprimé sur un catalogue.
Pour les systèmes réversibles de pompes à chaleur air-eau, une autre question se pose :
Faut-il dimensionner la pompe à chaleur en fonction de la charge de chauffage ou de la charge de refroidissement ?
La réponse dépend du climat.
Dans un climat froid, la charge de chauffage est généralement dominante.
La pompe à chaleur est donc normalement sélectionnée en fonction de lacharge de chauffage de conception hivernale, après vérification de sa capacité de chauffage à basse température ambiante.
La capacité de refroidissement estivale peut alors être suffisante automatiquement.
La situation peut être différente dans les climats avec une demande de chauffage et de refroidissement substantielles.
Supposons qu'un bâtiment commercial ait :
mais :
Dimensionner l'ensemble de l'installation de pompes à chaleur pour 1 500 kW simplement à cause du pic de refroidissement peut produire un système de chauffage surdimensionné.
Une solution d'ingénierie possible est une installation hybride :
Pompes à chaleur air-eau → chauffage de base + refroidissement partiel
plus
Refroidisseur → refroidissement de pointe supplémentaire
Cela peut permettre une meilleure utilisation de l'équipement et un fonctionnement plus flexible de l'installation.
La configuration exacte doit être déterminée par les profils de charge, le climat, les heures de fonctionnement, les tarifs d'électricité, les exigences de redondance et le coût du cycle de vie, et non par la capacité de pointe seule.
Dans de nombreux projets de remplacement de chaudières, le bâtiment contient déjà des ventilo-convecteurs hydroniques.
La bonne nouvelle est :
Les ventilo-convecteurs existants n'ont pas automatiquement besoin d'être remplacés.
Mais leurs performances doivent être vérifiées aux nouvelles températures de fonctionnement.
La capacité des ventilo-convecteurs dépend fortement de la différence de température entre l'eau entrant dans le serpentin et l'air ambiant. Par conséquent, l'abaissement de la température de l'eau réduit généralement la puissance de chauffage. Les tableaux de performance des fabricants doivent être utilisés chaque fois qu'ils sont disponibles. (Caleffi S.p.a.)
Par exemple, un ventilo-convecteur initialement conçu autour de :
Système chaudière
70°C alimentation / 60°C retour
peut fournir considérablement moins de chaleur lorsqu'il est utilisé à :
Système pompe à chaleur
45°C alimentation / 40°C retour.
La question correcte n'est donc pas :
« Un ventilo-convecteur peut-il fonctionner avec de l'eau à 45°C ? »
C'est :
« Ce ventilo-convecteur peut-il fournir la capacité de chauffage de pièce requise à 45°C d'eau dans les conditions de débit d'air et de débit d'eau réelles ? »
Cette distinction est extrêmement importante.
Les systèmes à ventilo-convecteurs ont un avantage majeur dans les projets de rénovation de pompes à chaleur :
Le même terminal peut généralement fournir à la fois le chauffage et le refroidissement.
En hiver :
Pompe à chaleur aérothermique → eau chaude → ventilo-convecteur → chauffage d'ambiance
En été :
Pompe à chaleur aérothermique → eau glacée → ventilo-convecteur → refroidissement d'ambiance
Cela rend les ventilo-convecteurs particulièrement attrayants pour les hôtels, bureaux, écoles, appartements et bâtiments commerciaux nécessitant un CVC toute l'année.
Cependant, lorsque de l'eau glacée est utilisée, le système de ventilo-convecteur et de tuyauterie doit également être conçu pour le contrôle de la condensation, y compris une isolation appropriée et un drainage de la condensation.
Les guides de conception hydronique modernes reconnaissent également les ventilo-convecteurs comme des émetteurs de chaleur utiles pour les pompes à chaleur air-eau, en particulier lorsqu'ils sont conçus avec des surfaces d'échangeur de chaleur suffisamment grandes pour des températures d'eau plus basses. (Caleffi S.p.a.)
Pas nécessairement.
La relation fondamentale régissant le transfert de chaleur dans un circuit hydronique est :
Où :
Q = taux de transfert de chaleur
ṁ = débit massique d'eau
Cp = capacité thermique massique
ΔT = différence de température d'alimentation-retour
Cette équation explique l'une des différences les plus importantes entre les systèmes hydroniques de chaudière et de pompe à chaleur.
Pour le même taux de transfert de chaleur :
Par conséquent, à mesure que le ΔT de conception diminue, le débit d'eau requis augmente. (Caleffi S.p.a.)
Considérons un exemple simple.
Un système doit transférer :
Pour l'eau, une approximation métrique pratique est :
Par conséquent :
Ainsi, réduire le ΔT de 10°C à 5°C environdouble le débit d'eau requis.
C'est pourquoi le remplacement d'une chaudière par une pompe à chaleur peut créer des problèmes hydrauliques même lorsque la capacité de chauffage a été calculée correctement.
Le tuyau existant est peut-être tout simplement trop petit pour le débit requis par la pompe à chaleur.
Une réaction courante est :
« Si le débit est trop faible, il suffit d'installer une pompe de circulation plus grande. »
Parfois, cela fonctionne.
Parfois, cela crée un autre problème.
L'augmentation de la hauteur manométrique de la pompe ne peut pas compenser indéfiniment une tuyauterie sous-dimensionnée. Une vitesse excessive peut entraîner :
une augmentation de la perte de charge ;
une consommation électrique plus élevée de la pompe ;
du bruit de débit ;
du bruit de vanne ;
un risque d'érosion ;
un mauvais équilibrage hydraulique ;
un débit insuffisant dans les branches éloignées.
La procédure correcte est donc :
Capacité thermique requise → débit d'eau requis → perte de charge des tuyaux → hauteur manométrique disponible de la pompe → sélection de la pompe de circulation
plutôt que de sélectionner la pompe indépendamment.
Le remplacement de tous les tuyaux hydroniques existants peut rendre une rénovation extrêmement coûteuse et perturbatrice.
Par conséquent, les ingénieurs doivent d'abord vérifier si le réseau existant peut encore être utilisé.
Vérifier :
diamètre du tuyau principal ;
diamètre du tuyau de branche ;
longueur du tuyau ;
perte de charge des raccords et des vannes ;
courbe de la pompe existante ;
pression différentielle disponible ;
débit requis par la pompe à chaleur ;
vitesse d'eau admissible ;
équilibrage hydraulique.
Si la tuyauterie existante peut supporter le débit requis avec une perte de charge et une vitesse acceptables, il n'y a peut-être aucune raison de la remplacer.
C'est l'une des plus grandes opportunités de réduction des coûts de rénovation.
Le chauffage par le sol hydronique existant peut souvent être encore plus adapté aux pompes à chaleur que les radiateurs conventionnels.
Pourquoi ?
Parce que le chauffage par le sol utilise une très grande surface d'émission de chaleur.
Une plus grande surface de transfert de chaleur permet de chauffer le bâtiment en utilisant des températures d'eau relativement basses.
C'est exactement ce que préfère une pompe à chaleur.
Les guides de conception modernes des pompes à chaleur identifient le chauffage par le sol bien conçu comme particulièrement adapté aux pompes à chaleur air-eau car il peut fournir la puissance thermique de pièce requise à des températures d'eau d'alimentation relativement basses, améliorant l'efficacité de la pompe à chaleur. (Caleffi S.p.a.)
Le fonctionnement typique du chauffage à basse température peut être d'environ :
30–35°C d'eau d'alimentation
ou
35–40°C d'eau d'alimentation
selon la charge du bâtiment, la construction du sol, l'espacement des tuyaux, le revêtement de sol et les conditions extérieures.
La température de conception réelle doit toujours être calculée plutôt que supposée.
Le circuit de chauffage par le sol existant peut avoir été conçu pour une différence de température d'alimentation-retour plus importante que celle requise par la pompe à chaleur.
Supposons que l'ancien circuit de sol fonctionne à :
mais que la pompe à chaleur nécessite environ :
Pour la même capacité de chauffage, le côté pompe à chaleur nécessite environ le double du débit d'eau.
Cela peut créer une inadéquation entre :
Débit requis par la pompe à chaleur
et
capacité de débit du circuit existant de chauffage par le sol.
Cela ne signifie pas automatiquement que tous les tuyaux de chauffage par le sol doivent être remplacés.
Au lieu de cela, le système hydraulique doit être redessiné correctement.
Une solution efficace consiste à séparer le circuit de la pompe à chaleur hydrauliquement du circuit de distribution du bâtiment.
Une disposition typique est :
Pompe à chaleur → Pompe primaire → Réservoir tampon / Séparateur hydraulique → Pompe secondaire → Système existant de chauffage par le sol ou ventilo-convecteur
Cela permet au circuit de la pompe à chaleur de maintenir le débit requis par la pompe à chaleur tandis que le circuit du bâtiment existant fonctionne à un débit différent.
Ceci est particulièrement utile lorsque :
plusieurs zones de chauffage s'ouvrent et se ferment indépendamment ;
le débit de distribution existant diffère du débit de la pompe à chaleur ;
plusieurs pompes à chaleur fonctionnent en cascade ;
des ventilo-convecteurs et un chauffage par le sol sont utilisés ;
le volume minimum du système de pompe à chaleur doit être maintenu ;
le fonctionnement du dégivrage nécessite de l'énergie thermique stockée.
La séparation hydraulique permet aux circulateurs primaires et secondaires de fonctionner à des débits stables mais potentiellement différents. (Caleffi S.p.a.)
Les radiateurs nécessitent une évaluation plus approfondie.
De nombreux anciens systèmes de chaudières ont été conçus autour de températures d'eau relativement élevées.
Une pompe à chaleur fonctionnant à une température d'eau beaucoup plus basse peut donc produire une puissance de radiateur insuffisante.
Les solutions possibles comprennent :
l'augmentation de la taille des radiateurs ;
l'ajout de radiateurs supplémentaires ;
l'installation de radiateurs à ventilation forcée ;
l'amélioration de l'isolation du bâtiment ;
la réduction des pertes de chaleur du bâtiment ;
l'utilisation de ventilo-convecteurs à basse température ;
la sélection d'une pompe à chaleur capable de températures d'eau sortante plus élevées si nécessaire.
L'objectif devrait toujours être :
Utiliser la température d'eau d'alimentation la plus basse possible qui puisse satisfaire la charge de chauffage du bâtiment.
Une température d'eau requise plus basse permet généralement à une pompe à chaleur air-eau de fonctionner avec un COP plus élevé. (Caleffi S.p.a.)
Après une rénovation, le débit total du système peut être correct alors que certaines pièces reçoivent toujours un chauffage insuffisant.
Pourquoi ?
Parce que l'eau suit le chemin de moindre résistance hydraulique.
Les courts-circuits peuvent recevoir un débit excessif tandis que les longs circuits sont privés.
Par conséquent, la mise en service de la rénovation devrait inclure :
l'équilibrage des branches ;
l'ajustement du débit des collecteurs ;
la vérification de la pression différentielle ;
l'ajustement de la vitesse de la pompe ;
la mesure de la température d'alimentation/retour ;
la vérification du débit aux terminaux.
Les circuits hydroniques parallèles sont particulièrement utiles car les branches individuelles peuvent être équilibrées et contrôlées indépendamment. (Caleffi S.p.a.)
Pour les projets d'ingénierie, le processus peut être résumé comme suit :
Étape 1 — Calculer la charge du bâtiment
Déterminer les charges de chauffage et, si nécessaire, de refroidissement de conception.
↓
Étape 2 — Déterminer les conditions extérieures de conception
Utiliser les températures de conception hivernales et estivales locales.
↓
Étape 3 — Sélectionner la capacité de la pompe à chaleur
Vérifier la puissance de chauffage/refroidissement réelle à la température extérieure requise et à la température de l'eau sortante.
↓
Étape 4 — Déterminer la température d'eau d'alimentation requise
Évaluer les ventilo-convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol existants.
↓
Étape 5 — Calculer le débit d'eau requis
Utiliser :
↓
Étape 6 — Vérifier la tuyauterie existante
Vérifier le diamètre, la perte de charge et la vitesse admissible.
↓
Étape 7 — Sélectionner les pompes de circulation
Utiliser le débit de conception et la résistance du système calculée, et non le diamètre du tuyau seul.
↓
Étape 8 — Décider si une séparation hydraulique est nécessaire
Considérer les réservoirs tampons, les séparateurs hydrauliques et le pompage primaire-secondaire.
↓
Étape 9 — Équilibrer et mettre en service
Mesurer le débit réel, la température d'alimentation, la température de retour et le ΔT dans les conditions de fonctionnement.
Considérons un bâtiment commercial avec une charge de chauffage de conception de :
Si le système de pompe à chaleur est conçu autour de :
alors :
Cela signifie que le circuit hydronique principal doit être capable de transporter environ86 m³/h dans les conditions de conception.
Si le circuit de chaudière existant a été conçu autour de :
son débit de conception précédent n'était peut-être que de :
La nouvelle pompe à chaleur peut donc nécessiter environle double du débit d'eau de conception.
Ce seul calcul indique immédiatement ce qui doit être étudié :
Le réseau de tuyauterie et les pompes existants peuvent-ils supporter le débit accru ?
Si oui, une grande partie du système d'origine peut rester.
Si non, une modification hydraulique est nécessaire.
Une rénovation réussie nécessite que trois systèmes correspondent entre eux :
La pompe à chaleur doit fournir une capacité suffisante dans les conditions extérieures réelles.
Les tuyaux et les pompes doivent fournir un débit d'eau suffisant.
Les ventilo-convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol doivent fournir une puissance de pièce suffisante à la température de l'eau sélectionnée.
Si l'un de ces trois éléments est mal conçu, le système peut rencontrer :
chauffage insuffisant → température d'eau élevée → COP plus bas → consommation électrique plus élevée → mauvaise expérience client.
C'est pourquoi les rénovations de pompes à chaleur doivent toujours être traitées comme unprojet d'ingénierie de système hydronique complet, plutôt que comme un simple remplacement d'équipement.
Parfois, mais le système existant doit d'abord être vérifié pour la charge thermique, la température d'eau requise, la puissance terminale, le débit d'eau, le diamètre des tuyaux et la capacité de la pompe de circulation. Un remplacement direct un pour un sans analyse hydraulique peut entraîner de mauvaises performances.
Oui, dans de nombreux cas. Cependant, leur capacité de chauffage doit être vérifiée aux températures d'eau plus basses normalement associées au fonctionnement de la pompe à chaleur. Les données de performance des fabricants doivent être utilisées chaque fois qu'elles sont disponibles.
Généralement oui. Le chauffage par le sol hydronique est particulièrement adapté aux pompes à chaleur car sa grande surface d'émission permet des températures d'eau d'alimentation relativement basses.
Le transfert de chaleur dépend à la fois du débit d'eau et de la différence de température d'alimentation-retour. Lorsque le ΔT est réduit, le débit d'eau doit augmenter pour transférer la même quantité de chaleur.
Pas nécessairement. La tuyauterie existante doit être vérifiée hydrauliquement par rapport au nouveau débit requis et à la perte de charge. Si un débit acceptable peut être atteint sans vitesse excessive ou hauteur manométrique de pompe, les tuyaux peuvent rester.
Cela dépend de la conception du système. Un réservoir tampon ou un séparateur hydraulique peut être utile lorsque la pompe à chaleur et les circuits du bâtiment nécessitent des débits différents, lorsque plusieurs zones se ferment fréquemment, lorsque un volume de système supplémentaire est nécessaire, ou lorsque un fonctionnement stable du dégivrage est requis.
Les deux peuvent très bien fonctionner. Le chauffage par le sol offre une excellente efficacité de chauffage à basse température, tandis que les ventilo-convecteurs peuvent fournir à la fois le chauffage et le refroidissement à l'eau glacée. Le meilleur choix dépend du type de bâtiment, de la demande de chauffage/refroidissement et de l'infrastructure de distribution existante.
Remplacer une chaudière par une pompe à chaleur aérothermique n'est pas principalement une question de trouver une pompe à chaleur avec la même puissance en kW.
La véritable question d'ingénierie est :
La pompe à chaleur, le système de distribution hydronique et les émetteurs de chaleur existants peuvent-ils fonctionner ensemble à la température de l'eau, au débit et à la charge de conception requis ?
Une rénovation professionnelle commence donc par le calcul de la charge du bâtiment, suivi de la sélection des performances de la pompe à chaleur, de la vérification des terminaux et de l'analyse hydraulique.
Les ventilo-convecteurs et les systèmes de chauffage par le sol existants peuvent souvent être conservés, ce qui peut réduire considérablement les coûts de rénovation. Mais cela n'est possible que lorsque les ingénieurs vérifient soigneusementla température de l'eau, le ΔT, le débit, la perte de charge des tuyaux, les performances de la pompe de circulation et la capacité des terminaux.
Lorsque ces éléments sont correctement adaptés, la conversion d'un système hydronique basé sur une chaudière en une pompe à chaleur air-eau peut permettre un chauffage et un refroidissement efficaces, ainsi que des économies d'énergie à long terme, sans reconstruire inutilement tout le système de distribution.
Les équations et exemples ci-dessus sont destinés à une compréhension technique préliminaire. La sélection finale de l'équipement doit toujours utiliser des calculs de déperdition/gain de chaleur spécifiques au projet, des données météorologiques de conception locales, des calculs hydrauliques et les données de performance certifiées du fabricant de la pompe à chaleur/ventilo-convecteur.
Wotech – Solutions professionnelles de pompes à chaleur aérothermiques
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Le remplacement d'une chaudière traditionnelle à gaz, à fioul ou électrique par unepompe à chaleur air-eaudevient de plus en plus courant dans les projets de rénovation de bâtiments résidentiels, commerciaux et publics.
Cependant, une rénovation réussie ne consiste pas simplement à :
Retirer la chaudière → installer une pompe à chaleur → raccorder les tuyaux existants.
Une pompe à chaleur et une chaudière fonctionnent dans des conditions hydrauliques et de température très différentes.
Une chaudière peut normalement fournir des températures d'eau relativement élevées avec une différence de température comparativement importante entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour. Une pompe à chaleur, en revanche, atteint normalement sa meilleure efficacité lorsqu'elle fournit de l'eau à basse température avec un débit d'eau soigneusement contrôlé.
Cela signifie qu'avant de remplacer une chaudière, les ingénieurs doivent répondre à plusieurs questions importantes :
Quelle est la charge de chauffage et de refroidissement réelle du bâtiment ?
Quelle capacité la pompe à chaleur doit-elle fournir à la température extérieure de conception ?
Les ventilo-convecteurs, radiateurs ou systèmes de chauffage par le sol existants peuvent-ils fonctionner aux nouvelles températures d'eau ?
Les tuyaux existants peuvent-ils fournir un débit d'eau suffisant ?
La pompe de circulation existante est-elle adaptée ?
Une séparation hydraulique, un réservoir tampon ou un circuit secondaire sont-ils nécessaires ?
Comprendre ces questions est la clé d'une rénovation fiable d'une chaudière à une pompe à chaleur.
L'une des erreurs les plus courantes dans les rénovations de pompes à chaleur est de sélectionner une nouvelle pompe à chaleur en fonction de la capacité indiquée sur la plaque signalétique de la chaudière existante.
Par exemple :
Capacité de la chaudière existante = 100 kW
Par conséquent, installer une pompe à chaleur de 100 kW.
Cette approche peut être sérieusement trompeuse.
Les chaudières traditionnelles sont souvent surdimensionnées et leur capacité nominale ne représente pas nécessairement la demande de chauffage de pointe réelle du bâtiment.
Le point de départ correct est donc lacharge de chauffage de conception.
Dans les projets nécessitant un refroidissement, la charge de refroidissement de conception doit également être calculée.
Une estimation préliminaire simplifiée peut utiliser :
Où :
Q = charge estimée du bâtiment, W
A = surface de plancher conditionnée, m²
q = charge unitaire estimée, W/m²
Par exemple, si un bâtiment de 10 000 m² a une charge de chauffage estimée de 70 W/m² :
Par conséquent :
Cependant, les valeurs W/m² ne doivent être utilisées que pour uneestimation préliminaire.
La sélection finale de la pompe à chaleur doit de préférence être basée sur un calcul approprié de la déperdition/gain de chaleur du bâtiment, en tenant compte de l'isolation, de la vitrerie, de la ventilation/infiltration, de l'occupation, des gains internes, de la température extérieure de conception et de la température intérieure requise.
Ceci est particulièrement important pour les pompes à chaleur aérothermiques.
Une pompe à chaleur annoncée comme une « pompe à chaleur de 20 kW » ne délivre pas nécessairement 20 kW dans toutes les conditions extérieures.
À mesure que la température de l'air extérieur diminue, la capacité de chauffage disponible et le COP d'une pompe à chaleur aérothermique peuvent changer considérablement.
Par conséquent, les ingénieurs ne doivent pas sélectionner l'équipement en se basant uniquement sur des conditions nominales telles que :
A7/W35
Au lieu de cela, la capacité doit être vérifiée par rapport à la condition de conception réelle du projet, par exemple :
A7/W35
A2/W35
A−7/W35
A−15/W45
A−20/W55
selon le climat et l'application.
Le principe correct est :
sauf si le système a été délibérément conçu comme unsystème bivalent avec chauffage d'appoint.
Pour les projets en climat froid, la capacité de chauffage à basse température est donc souvent plus importante que le kW nominal imprimé sur un catalogue.
Pour les systèmes réversibles de pompes à chaleur air-eau, une autre question se pose :
Faut-il dimensionner la pompe à chaleur en fonction de la charge de chauffage ou de la charge de refroidissement ?
La réponse dépend du climat.
Dans un climat froid, la charge de chauffage est généralement dominante.
La pompe à chaleur est donc normalement sélectionnée en fonction de lacharge de chauffage de conception hivernale, après vérification de sa capacité de chauffage à basse température ambiante.
La capacité de refroidissement estivale peut alors être suffisante automatiquement.
La situation peut être différente dans les climats avec une demande de chauffage et de refroidissement substantielles.
Supposons qu'un bâtiment commercial ait :
mais :
Dimensionner l'ensemble de l'installation de pompes à chaleur pour 1 500 kW simplement à cause du pic de refroidissement peut produire un système de chauffage surdimensionné.
Une solution d'ingénierie possible est une installation hybride :
Pompes à chaleur air-eau → chauffage de base + refroidissement partiel
plus
Refroidisseur → refroidissement de pointe supplémentaire
Cela peut permettre une meilleure utilisation de l'équipement et un fonctionnement plus flexible de l'installation.
La configuration exacte doit être déterminée par les profils de charge, le climat, les heures de fonctionnement, les tarifs d'électricité, les exigences de redondance et le coût du cycle de vie, et non par la capacité de pointe seule.
Dans de nombreux projets de remplacement de chaudières, le bâtiment contient déjà des ventilo-convecteurs hydroniques.
La bonne nouvelle est :
Les ventilo-convecteurs existants n'ont pas automatiquement besoin d'être remplacés.
Mais leurs performances doivent être vérifiées aux nouvelles températures de fonctionnement.
La capacité des ventilo-convecteurs dépend fortement de la différence de température entre l'eau entrant dans le serpentin et l'air ambiant. Par conséquent, l'abaissement de la température de l'eau réduit généralement la puissance de chauffage. Les tableaux de performance des fabricants doivent être utilisés chaque fois qu'ils sont disponibles. (Caleffi S.p.a.)
Par exemple, un ventilo-convecteur initialement conçu autour de :
Système chaudière
70°C alimentation / 60°C retour
peut fournir considérablement moins de chaleur lorsqu'il est utilisé à :
Système pompe à chaleur
45°C alimentation / 40°C retour.
La question correcte n'est donc pas :
« Un ventilo-convecteur peut-il fonctionner avec de l'eau à 45°C ? »
C'est :
« Ce ventilo-convecteur peut-il fournir la capacité de chauffage de pièce requise à 45°C d'eau dans les conditions de débit d'air et de débit d'eau réelles ? »
Cette distinction est extrêmement importante.
Les systèmes à ventilo-convecteurs ont un avantage majeur dans les projets de rénovation de pompes à chaleur :
Le même terminal peut généralement fournir à la fois le chauffage et le refroidissement.
En hiver :
Pompe à chaleur aérothermique → eau chaude → ventilo-convecteur → chauffage d'ambiance
En été :
Pompe à chaleur aérothermique → eau glacée → ventilo-convecteur → refroidissement d'ambiance
Cela rend les ventilo-convecteurs particulièrement attrayants pour les hôtels, bureaux, écoles, appartements et bâtiments commerciaux nécessitant un CVC toute l'année.
Cependant, lorsque de l'eau glacée est utilisée, le système de ventilo-convecteur et de tuyauterie doit également être conçu pour le contrôle de la condensation, y compris une isolation appropriée et un drainage de la condensation.
Les guides de conception hydronique modernes reconnaissent également les ventilo-convecteurs comme des émetteurs de chaleur utiles pour les pompes à chaleur air-eau, en particulier lorsqu'ils sont conçus avec des surfaces d'échangeur de chaleur suffisamment grandes pour des températures d'eau plus basses. (Caleffi S.p.a.)
Pas nécessairement.
La relation fondamentale régissant le transfert de chaleur dans un circuit hydronique est :
Où :
Q = taux de transfert de chaleur
ṁ = débit massique d'eau
Cp = capacité thermique massique
ΔT = différence de température d'alimentation-retour
Cette équation explique l'une des différences les plus importantes entre les systèmes hydroniques de chaudière et de pompe à chaleur.
Pour le même taux de transfert de chaleur :
Par conséquent, à mesure que le ΔT de conception diminue, le débit d'eau requis augmente. (Caleffi S.p.a.)
Considérons un exemple simple.
Un système doit transférer :
Pour l'eau, une approximation métrique pratique est :
Par conséquent :
Ainsi, réduire le ΔT de 10°C à 5°C environdouble le débit d'eau requis.
C'est pourquoi le remplacement d'une chaudière par une pompe à chaleur peut créer des problèmes hydrauliques même lorsque la capacité de chauffage a été calculée correctement.
Le tuyau existant est peut-être tout simplement trop petit pour le débit requis par la pompe à chaleur.
Une réaction courante est :
« Si le débit est trop faible, il suffit d'installer une pompe de circulation plus grande. »
Parfois, cela fonctionne.
Parfois, cela crée un autre problème.
L'augmentation de la hauteur manométrique de la pompe ne peut pas compenser indéfiniment une tuyauterie sous-dimensionnée. Une vitesse excessive peut entraîner :
une augmentation de la perte de charge ;
une consommation électrique plus élevée de la pompe ;
du bruit de débit ;
du bruit de vanne ;
un risque d'érosion ;
un mauvais équilibrage hydraulique ;
un débit insuffisant dans les branches éloignées.
La procédure correcte est donc :
Capacité thermique requise → débit d'eau requis → perte de charge des tuyaux → hauteur manométrique disponible de la pompe → sélection de la pompe de circulation
plutôt que de sélectionner la pompe indépendamment.
Le remplacement de tous les tuyaux hydroniques existants peut rendre une rénovation extrêmement coûteuse et perturbatrice.
Par conséquent, les ingénieurs doivent d'abord vérifier si le réseau existant peut encore être utilisé.
Vérifier :
diamètre du tuyau principal ;
diamètre du tuyau de branche ;
longueur du tuyau ;
perte de charge des raccords et des vannes ;
courbe de la pompe existante ;
pression différentielle disponible ;
débit requis par la pompe à chaleur ;
vitesse d'eau admissible ;
équilibrage hydraulique.
Si la tuyauterie existante peut supporter le débit requis avec une perte de charge et une vitesse acceptables, il n'y a peut-être aucune raison de la remplacer.
C'est l'une des plus grandes opportunités de réduction des coûts de rénovation.
Le chauffage par le sol hydronique existant peut souvent être encore plus adapté aux pompes à chaleur que les radiateurs conventionnels.
Pourquoi ?
Parce que le chauffage par le sol utilise une très grande surface d'émission de chaleur.
Une plus grande surface de transfert de chaleur permet de chauffer le bâtiment en utilisant des températures d'eau relativement basses.
C'est exactement ce que préfère une pompe à chaleur.
Les guides de conception modernes des pompes à chaleur identifient le chauffage par le sol bien conçu comme particulièrement adapté aux pompes à chaleur air-eau car il peut fournir la puissance thermique de pièce requise à des températures d'eau d'alimentation relativement basses, améliorant l'efficacité de la pompe à chaleur. (Caleffi S.p.a.)
Le fonctionnement typique du chauffage à basse température peut être d'environ :
30–35°C d'eau d'alimentation
ou
35–40°C d'eau d'alimentation
selon la charge du bâtiment, la construction du sol, l'espacement des tuyaux, le revêtement de sol et les conditions extérieures.
La température de conception réelle doit toujours être calculée plutôt que supposée.
Le circuit de chauffage par le sol existant peut avoir été conçu pour une différence de température d'alimentation-retour plus importante que celle requise par la pompe à chaleur.
Supposons que l'ancien circuit de sol fonctionne à :
mais que la pompe à chaleur nécessite environ :
Pour la même capacité de chauffage, le côté pompe à chaleur nécessite environ le double du débit d'eau.
Cela peut créer une inadéquation entre :
Débit requis par la pompe à chaleur
et
capacité de débit du circuit existant de chauffage par le sol.
Cela ne signifie pas automatiquement que tous les tuyaux de chauffage par le sol doivent être remplacés.
Au lieu de cela, le système hydraulique doit être redessiné correctement.
Une solution efficace consiste à séparer le circuit de la pompe à chaleur hydrauliquement du circuit de distribution du bâtiment.
Une disposition typique est :
Pompe à chaleur → Pompe primaire → Réservoir tampon / Séparateur hydraulique → Pompe secondaire → Système existant de chauffage par le sol ou ventilo-convecteur
Cela permet au circuit de la pompe à chaleur de maintenir le débit requis par la pompe à chaleur tandis que le circuit du bâtiment existant fonctionne à un débit différent.
Ceci est particulièrement utile lorsque :
plusieurs zones de chauffage s'ouvrent et se ferment indépendamment ;
le débit de distribution existant diffère du débit de la pompe à chaleur ;
plusieurs pompes à chaleur fonctionnent en cascade ;
des ventilo-convecteurs et un chauffage par le sol sont utilisés ;
le volume minimum du système de pompe à chaleur doit être maintenu ;
le fonctionnement du dégivrage nécessite de l'énergie thermique stockée.
La séparation hydraulique permet aux circulateurs primaires et secondaires de fonctionner à des débits stables mais potentiellement différents. (Caleffi S.p.a.)
Les radiateurs nécessitent une évaluation plus approfondie.
De nombreux anciens systèmes de chaudières ont été conçus autour de températures d'eau relativement élevées.
Une pompe à chaleur fonctionnant à une température d'eau beaucoup plus basse peut donc produire une puissance de radiateur insuffisante.
Les solutions possibles comprennent :
l'augmentation de la taille des radiateurs ;
l'ajout de radiateurs supplémentaires ;
l'installation de radiateurs à ventilation forcée ;
l'amélioration de l'isolation du bâtiment ;
la réduction des pertes de chaleur du bâtiment ;
l'utilisation de ventilo-convecteurs à basse température ;
la sélection d'une pompe à chaleur capable de températures d'eau sortante plus élevées si nécessaire.
L'objectif devrait toujours être :
Utiliser la température d'eau d'alimentation la plus basse possible qui puisse satisfaire la charge de chauffage du bâtiment.
Une température d'eau requise plus basse permet généralement à une pompe à chaleur air-eau de fonctionner avec un COP plus élevé. (Caleffi S.p.a.)
Après une rénovation, le débit total du système peut être correct alors que certaines pièces reçoivent toujours un chauffage insuffisant.
Pourquoi ?
Parce que l'eau suit le chemin de moindre résistance hydraulique.
Les courts-circuits peuvent recevoir un débit excessif tandis que les longs circuits sont privés.
Par conséquent, la mise en service de la rénovation devrait inclure :
l'équilibrage des branches ;
l'ajustement du débit des collecteurs ;
la vérification de la pression différentielle ;
l'ajustement de la vitesse de la pompe ;
la mesure de la température d'alimentation/retour ;
la vérification du débit aux terminaux.
Les circuits hydroniques parallèles sont particulièrement utiles car les branches individuelles peuvent être équilibrées et contrôlées indépendamment. (Caleffi S.p.a.)
Pour les projets d'ingénierie, le processus peut être résumé comme suit :
Étape 1 — Calculer la charge du bâtiment
Déterminer les charges de chauffage et, si nécessaire, de refroidissement de conception.
↓
Étape 2 — Déterminer les conditions extérieures de conception
Utiliser les températures de conception hivernales et estivales locales.
↓
Étape 3 — Sélectionner la capacité de la pompe à chaleur
Vérifier la puissance de chauffage/refroidissement réelle à la température extérieure requise et à la température de l'eau sortante.
↓
Étape 4 — Déterminer la température d'eau d'alimentation requise
Évaluer les ventilo-convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol existants.
↓
Étape 5 — Calculer le débit d'eau requis
Utiliser :
↓
Étape 6 — Vérifier la tuyauterie existante
Vérifier le diamètre, la perte de charge et la vitesse admissible.
↓
Étape 7 — Sélectionner les pompes de circulation
Utiliser le débit de conception et la résistance du système calculée, et non le diamètre du tuyau seul.
↓
Étape 8 — Décider si une séparation hydraulique est nécessaire
Considérer les réservoirs tampons, les séparateurs hydrauliques et le pompage primaire-secondaire.
↓
Étape 9 — Équilibrer et mettre en service
Mesurer le débit réel, la température d'alimentation, la température de retour et le ΔT dans les conditions de fonctionnement.
Considérons un bâtiment commercial avec une charge de chauffage de conception de :
Si le système de pompe à chaleur est conçu autour de :
alors :
Cela signifie que le circuit hydronique principal doit être capable de transporter environ86 m³/h dans les conditions de conception.
Si le circuit de chaudière existant a été conçu autour de :
son débit de conception précédent n'était peut-être que de :
La nouvelle pompe à chaleur peut donc nécessiter environle double du débit d'eau de conception.
Ce seul calcul indique immédiatement ce qui doit être étudié :
Le réseau de tuyauterie et les pompes existants peuvent-ils supporter le débit accru ?
Si oui, une grande partie du système d'origine peut rester.
Si non, une modification hydraulique est nécessaire.
Une rénovation réussie nécessite que trois systèmes correspondent entre eux :
La pompe à chaleur doit fournir une capacité suffisante dans les conditions extérieures réelles.
Les tuyaux et les pompes doivent fournir un débit d'eau suffisant.
Les ventilo-convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol doivent fournir une puissance de pièce suffisante à la température de l'eau sélectionnée.
Si l'un de ces trois éléments est mal conçu, le système peut rencontrer :
chauffage insuffisant → température d'eau élevée → COP plus bas → consommation électrique plus élevée → mauvaise expérience client.
C'est pourquoi les rénovations de pompes à chaleur doivent toujours être traitées comme unprojet d'ingénierie de système hydronique complet, plutôt que comme un simple remplacement d'équipement.
Parfois, mais le système existant doit d'abord être vérifié pour la charge thermique, la température d'eau requise, la puissance terminale, le débit d'eau, le diamètre des tuyaux et la capacité de la pompe de circulation. Un remplacement direct un pour un sans analyse hydraulique peut entraîner de mauvaises performances.
Oui, dans de nombreux cas. Cependant, leur capacité de chauffage doit être vérifiée aux températures d'eau plus basses normalement associées au fonctionnement de la pompe à chaleur. Les données de performance des fabricants doivent être utilisées chaque fois qu'elles sont disponibles.
Généralement oui. Le chauffage par le sol hydronique est particulièrement adapté aux pompes à chaleur car sa grande surface d'émission permet des températures d'eau d'alimentation relativement basses.
Le transfert de chaleur dépend à la fois du débit d'eau et de la différence de température d'alimentation-retour. Lorsque le ΔT est réduit, le débit d'eau doit augmenter pour transférer la même quantité de chaleur.
Pas nécessairement. La tuyauterie existante doit être vérifiée hydrauliquement par rapport au nouveau débit requis et à la perte de charge. Si un débit acceptable peut être atteint sans vitesse excessive ou hauteur manométrique de pompe, les tuyaux peuvent rester.
Cela dépend de la conception du système. Un réservoir tampon ou un séparateur hydraulique peut être utile lorsque la pompe à chaleur et les circuits du bâtiment nécessitent des débits différents, lorsque plusieurs zones se ferment fréquemment, lorsque un volume de système supplémentaire est nécessaire, ou lorsque un fonctionnement stable du dégivrage est requis.
Les deux peuvent très bien fonctionner. Le chauffage par le sol offre une excellente efficacité de chauffage à basse température, tandis que les ventilo-convecteurs peuvent fournir à la fois le chauffage et le refroidissement à l'eau glacée. Le meilleur choix dépend du type de bâtiment, de la demande de chauffage/refroidissement et de l'infrastructure de distribution existante.
Remplacer une chaudière par une pompe à chaleur aérothermique n'est pas principalement une question de trouver une pompe à chaleur avec la même puissance en kW.
La véritable question d'ingénierie est :
La pompe à chaleur, le système de distribution hydronique et les émetteurs de chaleur existants peuvent-ils fonctionner ensemble à la température de l'eau, au débit et à la charge de conception requis ?
Une rénovation professionnelle commence donc par le calcul de la charge du bâtiment, suivi de la sélection des performances de la pompe à chaleur, de la vérification des terminaux et de l'analyse hydraulique.
Les ventilo-convecteurs et les systèmes de chauffage par le sol existants peuvent souvent être conservés, ce qui peut réduire considérablement les coûts de rénovation. Mais cela n'est possible que lorsque les ingénieurs vérifient soigneusementla température de l'eau, le ΔT, le débit, la perte de charge des tuyaux, les performances de la pompe de circulation et la capacité des terminaux.
Lorsque ces éléments sont correctement adaptés, la conversion d'un système hydronique basé sur une chaudière en une pompe à chaleur air-eau peut permettre un chauffage et un refroidissement efficaces, ainsi que des économies d'énergie à long terme, sans reconstruire inutilement tout le système de distribution.
Les équations et exemples ci-dessus sont destinés à une compréhension technique préliminaire. La sélection finale de l'équipement doit toujours utiliser des calculs de déperdition/gain de chaleur spécifiques au projet, des données météorologiques de conception locales, des calculs hydrauliques et les données de performance certifiées du fabricant de la pompe à chaleur/ventilo-convecteur.
Wotech – Solutions professionnelles de pompes à chaleur aérothermiques
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