Lors de la conception d'un système de pompe à chaleur air-eau, l'une des décisions les plus importantes est de déterminer comment la pompe à chaleur doit être connectée hydrauliquement aux bornes de chauffage et de refroidissement du bâtiment.

Pour les installations relativement simples, unsystème hydronique primaire ou directCependant, lorsqu'un projet comprend plusieurs types d'unités terminales, telles que le chauffage par le sol, les radiateurs et les unités de ventilation, les exigences hydrauliques deviennent beaucoup plus compliquées.

C'est ici qu'unsystème hydronique secondaire, utilisant généralement un réservoir tampon et deux pompes de circulation, devient particulièrement utile.

Mais chaque installation de pompe à chaleur a-t-elle besoin d'un système secondaire?

Pas forcément.

Un système hydronique secondaire offre une meilleure stabilité hydraulique, une plus grande flexibilité et des conditions de fonctionnement améliorées de la pompe à chaleur.consommation d'énergie de pompage, la complexité de l'installation et les pertes de chaleur potentielles.

La compréhension de ces compromis est essentielle pour concevoir un système efficace de pompe à chaleur à air.

1Qu'est-ce qu'un système hydronique secondaire?

Un système hydronique secondaire typique divise le circuit d'eau en deux boucles hydrauliques.

La première boucle est lacircuit primaire de la pompe à chaleur:

Pompes à chaleur → réservoirs tampons → pompes à chaleur

La deuxième boucle est lacircuit de charge du bâtiment:

réservoir tampon → pompe de circulation → terminaux de chauffage/refroidissement → réservoir tampon

Le réservoir tampon joue donc le rôle de liaison commune entre la source de chaleur et la charge du bâtiment.

Contrairement à un système direct, la pompe de circulation de la pompe à chaleur n'est pas nécessairement obligée de fournir tout le débit d'eau requis par le système de distribution du bâtiment.

C'est l'une des différences les plus importantes entre les conceptions hydroniques primaires et secondaires.

2Pourquoi les systèmes de pompes à chaleur ont-ils besoin d'une séparation hydraulique?

La pompe à chaleur et les bornes du bâtiment ne nécessitent pas toujours le même débit d'eau.

Considérez un bâtiment équipé de:

• Radiateurs

• Unités à bobine de ventilateur

• Chauffage par le sol

Chaque terminal peut fonctionner avec des températures d'eau, des différences de température (ΔT), des débits, des vannes de commande et des horaires de fonctionnement différents.

Par exemple, les conditions de conception typiques peuvent ressembler à peu près à ceci:

Ces chiffres sont des références de conception plutôt que des règles universelles; les valeurs réelles doivent toujours suivre la sélection du terminal et le calcul de la charge thermique de projet.

Le problème d'ingénierie est simple:

Le débit requis par la pompe à chaleur peut ne pas être égal au débit requis par le système terminal.

Un circuit hydronique secondaire aide à séparer ces deux exigences hydrauliques.

Les avantages d'un système hydronique secondaire

3Avantages n°1: un débit d'eau plus stable de la pompe à chaleur

Les pompes à chaleur exigent normalement un débit d'eau minimum à travers l'échangeur de chaleur.

Dans un système direct, cependant, les thermostats de pièce, les soupapes de zone, les soupapes de radiateur thermostatique ou les soupapes de contrôle de la bobine du ventilateur peuvent modifier en permanence le débit du système.

Imaginez une maison avec huit zones de chauffage.

Lorsque les huit zones sont ouvertes, le débit d'eau peut être suffisant.

Mais lorsque six zones atteignent leur température définie et ferment leurs valves, seules deux zones restent actives.

La résistance du système change radicalement et le débit à travers la pompe à chaleur peut tomber en dessous de la plage de fonctionnement recommandée.

Cela peut contribuer à des problèmes tels que:

• Alarmes de débit d'eau insuffisants

• Différence de température excessive entre l'alimentation et le retour

• Pression de condensation élevée

• Capacité de chauffage réduite

• Fonctionnement instable du compresseur

• Cyclisme fréquent

Un système secondaire réduit cette interaction parce que la pompe à chaleur dispose de sa propre boucle de circulation dédiée.

- Des conseils d'ingénierie

La pompe à chaleur voit un environnement hydraulique plus prévisible même lorsque le débit du côté du bâtiment change.

Pour les pompes à chaleur à onduleur, cela peut être particulièrement précieux car des conditions d'eau stables aident la stratégie de modulation du compresseur à fonctionner plus efficacement.

4Avantage n°2: meilleure compatibilité avec plusieurs types de terminaux

Un système de chauffage hydronique moderne peut comporter plusieurs types de bornes.

Par exemple:

Pompe à chaleur → réservoir tampon → radiateurs + bobines de ventilateur + chauffage par le sol

Ces terminaux nécessitent rarement exactement le même débit et la même température de l'eau.

Le chauffage par le sol fonctionne généralement à des températures d'eau relativement basses, tandis que les radiateurs traditionnels peuvent nécessiter des températures nettement plus élevées.Les bobines de ventilation peuvent fonctionner en mode chauffage et refroidissement et utilisent souvent une ΔT relativement faible du côté de l'eau.

Un système secondaire facilite la création de succursales de distribution séparées en utilisant:

• Pompes de circulation indépendantes

• Ventilateurs de mélange

• Ventilateurs de zone

• Les variétés

• Régulateurs de température

• Régulation de la pression différentielle

Cela offre une flexibilité de conception nettement plus grande.

5Avantage n°3: le réservoir tampon fournit une inertie thermique

L'un des composants les plus importants dans de nombreux systèmes de pompes à chaleur secondaires est leréservoir tampon.

L'eau a une capacité de stockage thermique considérable.

Un réservoir tampon augmente donc le volume total d'eau du système hydronique et ajoute de l'inertie thermique.

L'énergie thermique stockée peut être approximée par:

Q = m × Cp × ΔT

Où:

• Q. Je vous en prie.= énergie thermique stockée

• - Je vous en prie= masse d'eau

• Cp= capacité thermique spécifique de l'eau

• ΔT= différence de température utilisable

Pour les calculs pratiques de la climatisation:

Un litre d'eau stocke environ 1,16 Wh pour chaque changement de température de 1 °C.

Par conséquent, un réservoir tampon de 200 L fonctionnant sur une plage de température utilisable de 5 K stocke environ:

Pour le calcul de la consommation de gaz, le calcul de la consommation de gaz doit être effectué à l'aide d'une méthode suivante:

Cela ne signifie pas qu'un réservoir tampon est une source d'énergie.

Il stocke simplement l'énergie temporairement et la libère plus tard.

Cette distinction est importante.

6Avantages n° 4: Pompes à chaleur réduites

Un cycle court se produit lorsqu'une pompe à chaleur démarre, atteint rapidement sa température cible, s'arrête, puis redémarre peu de temps après.

Cela se produit souvent lorsque:

Production minimale de la pompe à chaleur > Demande actuelle de chaleur du bâtiment

Par exemple, supposons qu'une pompe à chaleur à onduleur puisse moduler jusqu'à 5 kW, mais que le bâtiment ne nécessite actuellement que 2 kW.

Sans un volume d'eau suffisant, la température de l'eau d'alimentation peut augmenter rapidement.

Le contrôleur atteint sa température cible et arrête le compresseur.

Le bâtiment continue d'extraire de la chaleur, la température de l'eau chute et le compresseur redémarre.

Le résultat peut être:

Début → Arrêt → Début → Arrêt → Début

Les cycles répétés du compresseur peuvent:

• Réduire l'efficacité saisonnière

• Augmenter la consommation électrique

• Augmenter le démarrage du compresseur

• Augmentation de l'usure des composants

• Cause de températures intérieures instables

Un volume d'eau supplémentaire provenant d'un réservoir tampon de taille correcte ralentit les changements de température de l'eau.

Au lieu de:

45°C → 50°C très rapidement

le système peut avoir besoin de beaucoup plus de temps pour atteindre la limite de contrôle.

Cela donne à la pompe à chaleur un cycle de fonctionnement plus long.

7Avantage n°5: meilleure stabilité hydraulique sous charge partielle

Les bâtiments fonctionnent rarement à 100% de la demande de chauffage en continu.

Au printemps et en automne, par exemple, seule une partie du bâtiment peut avoir besoin de chauffage.

Certaines chambres peuvent atteindre leur température fixée tandis que d'autres nécessitent encore de la chaleur.

Cela crée une condition de débit variable.

Un circuit secondaire permet à la pompe côté bâtiment de répondre à cette demande changeante tandis que le circuit côté pompe à chaleur maintient le débit requis par la pompe à chaleur.

Cette séparation hydraulique peut faciliter le contrôle de l'ensemble du système.

8Avantages n°6: plus de souplesse pour les projets complexes de climatisation

Les systèmes secondaires deviennent particulièrement utiles lorsque le projet contient:

Pompes à chaleur + réservoir tampon + zones de chauffage multiples + bobines de ventilateur + radiateurs + chauffage au sol

Ils sont également utiles pour:

• Grands immeubles résidentiels

• Hôtels

• Bâtiments commerciaux

• Les écoles

• Villas avec plusieurs zones de chauffage

• Projets de rénovation

• Systèmes hybrides de chauffage par plancher/radiateur

• Systèmes de chauffage et de refroidissement avec plusieurs types de bornes

Dans ces projets, la complexité hydraulique supplémentaire est souvent justifiée par l'amélioration de la maniabilité.

Inconvénients d'un système hydronique secondaire

Un système secondaire n'est pas automatiquement plus efficace.

C'est un point critique.

Plus de composants peuvent résoudre les problèmes hydrauliques, mais chaque composant supplémentaire entraîne également des coûts et des pertes d'énergie potentielles.

9Désavantage n°1: une pompe de circulation supplémentaire est nécessaire

Un système direct typique peut fonctionner avec une pompe de circulation principale.

Un système secondaire nécessite normalement au moins deux:

Pompes 1:Pompes à chaleur réservoir tampon

Pompes deux:Réservoir tampon ️ Terminals de bâtiment

Des zones de chauffage supplémentaires peuvent nécessiter encore plus de pompes.

Chaque pompe de circulation consomme de l'électricité.

Par conséquent:

Un système secondaire peut améliorer la stabilité de fonctionnement de la pompe à chaleur tout en augmentant la consommation électrique auxiliaire.

Le système doit donc être évalué sur la base de la consommation totale d'énergie saisonnière, et non pas uniquement du COP de la pompe à chaleur.

Les pompes de circulation ECM à haut rendement avec régulation de vitesse variable sont généralement préférées.

10- Inconvénient n°2: coût initial plus élevé

Par rapport à une simple connexion directe, un système secondaire peut nécessiter:

• Réservoir tampon

• Pompes de circulation supplémentaires

• Plus de tuyauterie.

• Plus de vannes d'isolation

• Ventilateurs de contrôle

• Capteurs

• Accessoires d'agrandissement

• Ventilateurs de mélange

• Contrôles supplémentaires

• Plus de main-d'œuvre pour l'installation

Cela augmente le coût initial du projet.

Pour une petite installation résidentielle avec une simple boucle de chauffage par plancher, la complexité supplémentaire peut ne pas toujours fournir un avantage suffisant.

Toutefois, pour un grand projet multi-zones, le coût supplémentaire peut être justifié.

11Désavantage n°3: Perte de chaleur supplémentaire

Un réservoir tampon n'est pas parfaitement isolé.

Les tuyaux, vannes et raccords supplémentaires nécessaires au circuit secondaire ne sont pas non plus nécessaires.

La perte de chaleur peut donc être due:

• Murs de réservoirs tampon

• Tubes de distribution

• Ventilateurs et raccords

• Corps de pompes

• Salles mécaniques

Une bonne isolation peut minimiser ces pertes, mais elle ne peut pas les éliminer complètement.

Ceci est particulièrement important lorsque le réservoir tampon est installé dans un espace non conditionné.

12Inconvénient n° 4: Une mauvaise conception hydraulique peut réduire l'efficacité de la pompe à chaleur

L'ajout d'un réservoir tampon ne crée pas automatiquement un bon système.

Un problème courant survient lorsque les débits primaires et secondaires sont mal équilibrés.

Laissez-moi:

Vp = débit de la pompe à chaleur primaire

Vs = débit secondaire du bâtiment

Si:

Vp > Vs

une partie de l'eau chaude peut revenir directement par le réservoir tampon vers la pompe à chaleur.

Si:

V = Vp

une certaine eau de retour plus froide peut se mélanger à l'alimentation secondaire.

Ce phénomène est parfois appelémélange hydraulique.

Un mélange excessif peut modifier la température de l'eau fournie aux bornes et peut forcer la pompe à chaleur à fonctionner à une température d'eau de sortie plus élevée.

Étant donné que l'efficacité de la pompe à chaleur diminue généralement à mesure que la température de l'eau requise augmente, une mauvaise conception hydraulique peut réduire le COP.

13Inconvénient n°5: le contrôle devient plus compliqué

Un système direct est relativement simple.

La pompe à chaleur surveille la température de l'eau et contrôle un circuit hydraulique principal.

Un système secondaire peut comporter:

• Contrôleur de pompe à chaleur

• Pompes de circulation primaires

• Pompes de circulation secondaire

• Capteur de réservoir tampon

• Thermostats de pièce

• Ventilateurs de zone

• Valve de mélange

• Compensation pour les intempéries

• Commandes de la bobine du ventilateur

• Commande de chauffage par le sol

Ces composants doivent fonctionner correctement ensemble.

Une mauvaise logique de commande peut créer des situations où les pompes fonctionnent inutilement ou la pompe à chaleur fonctionne lorsque la demande réelle de chauffage est faible.

Par conséquent,La stratégie de contrôle est aussi importante que la conception hydraulique.

14Un réservoir tampon est-il toujours nécessaire pour une pompe à chaleur?

Je ne veux pas.

C'est l'une des idées fausses les plus courantes dans la conception de pompes à chaleur air-eau.

Un réservoir tampon devrait résoudre un problème d'ingénierie spécifique.

Il peut être utile lorsque:

• Le volume d'eau du système est insuffisant

• Plusieurs zones de chauffage ouvertes et fermées fréquemment

• Le débit minimum de la pompe à chaleur ne peut pas être garanti autrement

• La puissance minimale de la pompe à chaleur dépasse la demande de charge partielle fréquente

• Plusieurs types de bornes nécessitent une séparation hydraulique

• Le dégivrage nécessite un volume d'eau disponible suffisant

• Les exigences de débit primaire et secondaire sont sensiblement différentes

Cependant, si le système fournit déjà un volume d'eau suffisant, un débit stable, un zonage approprié et une bonne modulation de la pompe à chaleur, un grand réservoir tampon peut fournir peu d'avantages supplémentaires.

15Des réservoirs plus grands ne sont pas toujours les meilleurs.

Une autre idée fausse courante est la suivante:

Si 100 litres sont bons, 500 litres doivent être meilleurs.

Ce n'est pas forcément vrai.

Un réservoir tampon surdimensionné peut:

• Augmentation du coût du système

• Augmenter les pertes de chaleur

• Augmenter inutilement le volume d'eau du système

• Augmenter le temps d'échauffement

• Requiert plus d'espace d'installation

• Réduire la réactivité du contrôle

La taille du réservoir tampon doit donc être calculée plutôt que choisie par habitude.

Le volume correct dépend notamment de facteurs tels que:

• Capacité de la pompe à chaleur

• Capacité minimale de modulation

• Durée minimale de fonctionnement du compresseur

• Demandes minimales de chaleur dans les bâtiments

• Volume d'eau du système

• Variation de température admissible

• Exigences en matière de dégel

• Exigences minimales du fabricant concernant le volume d'eau

Une relation d'ingénierie simplifiée est:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

lorsque le volume requis est lié au déséquilibre thermique qui doit être absorbé pendant la période minimale de fonctionnement souhaitée.

Dans la conception pratique, les exigences hydrauliques du fabricant de la pompe à chaleur devraient toujours avoir la priorité.

16Système de pompe à chaleur primaire ou secondaire

Aucune des deux conceptions n'est universellement meilleure.

Le bon choix dépend du bâtiment et des conditions d'exploitation.

17Un exemple pratique

Considérez une maison utilisant une pompe à chaleur air-eau avec:

Zone A:Chauffage par le sol
Zone B:Radiateurs
Zone C:Unités à bobine de ventilateur

En hiver, les trois zones peuvent fonctionner.

Par temps doux, seul le chauffage par le sol peut nécessiter de la chaleur.

En été, seules les bobines de ventilation peuvent fonctionner pour le refroidissement.

Le flux du système change donc de manière significative tout au long de l'année.

Une conception hydronique secondaire peut permettre à la pompe à chaleur de maintenir un débit primaire stable tandis que le système de distribution secondaire répond de manière indépendante à la demande du bâtiment.

Une configuration typique pourrait être:

Pompes à chaleur à source d'air
↓
Pompes de circulation primaires
↓
réservoir tampon
↓
Pompes secondaires / variété de distribution
↓
Radiateurs + bobines de ventilateur + chauffage au sol

Pour le circuit de chauffage par le sol, un dispositif de mélange peut également être requis si sa température d'alimentation requise est inférieure à celle des autres bornes.

C'est pourquoi les systèmes hydroniques secondaires sont courants dans les projets de pompes à chaleur plus complexes.

18Le principe de conception le plus important

Le but d'un système secondaire n'est pas simplement d'ajouter un réservoir tampon.

Son but réel est de gérer la relation entre:

Source de chaleur Flux d'eau Stockage thermique Charge du bâtiment

Un système bien conçu maintient ces quatre éléments en équilibre.

Si la pompe à chaleur produit plus de chaleur que le bâtiment ne consomme actuellement, le système a besoin d'une capacité thermique et d'une logique de contrôle suffisantes pour empêcher une augmentation rapide de la température et l'arrêt du compresseur.

Si le bâtiment nécessite plus de chaleur que la pompe à chaleur ne produit actuellement, la chaleur stockée dans le système peut temporairement réduire le taux de baisse de la température de l'eau.

Cette inertie thermique permet de réduire le décalage entre la puissance instantanée de la pompe à chaleur et la demande du bâtiment.

Cependant, le stockage thermique ne crée pas d'énergie.

En fin de compte:

Chaleur produite par la pompe à chaleur = chaleur fournie au bâtiment + pertes du système ± variation de l'énergie thermique stockée

Cet équilibre énergétique est le fondement de la conception de pompes à chaleur hydroniques.

Conclusion: Quand choisir un système hydronique secondaire?

Un système hydronique secondaire peut être une excellente solution lorsqu'une pompe à chaleur à air dessert un bâtiment complexe avec un débit d'eau variable, plusieurs zones de chauffage ou différentes unités terminales.

Ses principaux avantages sont les suivants:

un débit stable de la pompe à chaleur, une séparation hydraulique, un volume d'eau accru dans le système, une réduction des cycles courts et une meilleure flexibilité multi-zones.

Ses principaux inconvénients sont les suivants:

des coûts initiaux plus élevés, de l'électricité de pompe supplémentaire, une plus grande complexité d'installation, des pertes de chaleur supplémentaires et la possibilité de mélange hydraulique si le système est mal conçu.

Par conséquent, la question d'ingénierie ne devrait pas être:

¢Toutes les pompes à chaleur devraient-elles avoir un réservoir tampon?

Une meilleure question est:

¢Est-ce que ce système particulier a besoin d'une séparation hydraulique ou d'une masse thermique supplémentaire pour maintenir un fonctionnement stable et efficace de la pompe à chaleur?

Cette question conduit à une conception de climatisation bien meilleure.

FAQ: Systèmes hydroniques secondaires et réservoirs tampons

Qu'est-ce qu'un système hydronique secondaire?

Un système hydronique secondaire sépare le circuit de la pompe à chaleur du circuit de distribution du bâtiment.Les deux circuits sont normalement reliés par un réservoir tampon ou une autre forme de séparation hydraulique.

Pourquoi deux pompes de circulation?

Une pompe maintient le débit d'eau requis à travers la pompe à chaleur, tandis que la deuxième pompe alimente les terminaux de chauffage ou de refroidissement du bâtiment en fonction de leurs propres besoins en débit.

Un réservoir tampon améliore-t-il l'efficacité de la pompe à chaleur?

Il peut réduire les cycles courts et stabiliser le fonctionnement, ce qui peut améliorer les performances saisonnières dans certains systèmes.et une pompe supplémentaire consomme de l'électricité.

Une pompe à chaleur peut-elle fonctionner sans réservoir tampon?

Oui, de nombreux systèmes bien conçus peuvent fonctionner sans un compresseur, à condition de respecter le débit minimum, le volume d'eau minimum, le zonage, les exigences de dégel et le temps de fonctionnement du compresseur.

Un système secondaire est-il préférable pour le chauffage par le sol?

Un simple système de chauffage par le sol avec un débit stable peut souvent fonctionner bien avec une connexion directe.Les systèmes secondaires deviennent plus précieux lorsque le chauffage par le sol est combiné avec des radiateurs, des bobines de ventilation, plusieurs zones ou différentes exigences en matière de température de l'eau.

Que se passe-t-il si le réservoir tampon est trop grand?

Un réservoir tampon surdimensionné peut augmenter les pertes de chaleur, les coûts d'installation, les besoins en espace et le temps de réponse du système sans fournir un avantage significatif en termes d'efficacité.