Bij het ontwerpen van een verwarmings- of koelsysteem met een lucht-water-warmtepomp is een van de eerste hydraulische beslissingen het gebruik van eendirect aangesloten systeem met één lusof eenprimair-secundair hydronisch systeem.

Hoewel deze termen veel worden gebruikt in de HVAC- en warmtepompindustrie, mag de keuze niet simpelweg gebaseerd zijn op de veronderstelling dat de ene configuratie altijd efficiënter is dan de andere.

De juiste hydraulische opstelling is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder:

• Capaciteit warmtepomp
• Vereiste systeemwaterstroom
• Verwarmings- en koelbelasting
• Type terminaleenheden
• Aantal verwarmingszones
• Vereiste toevoerwatertemperatuur
• Vereist temperatuurverschil (ΔT)
• Karakteristieken van de circulatiepomp
• Vereisten voor variabele stroom
• Minimale vereisten voor het watervolume en debiet van de warmtepomp

In dit artikel wordt uitgelegdwerkingsprincipe, hydraulische kenmerken, voordelen, beperkingen en typische toepassingen van een hydronisch warmtepompsysteem met één lus.

1. Wat is een hydronisch warmtepompsysteem met één lus?

Ahydronisch warmtepompsysteem met één lus, ook wel A genoemddirect aangesloten hydronisch systeem, is een HVAC-systeem op waterbasis waarbij de warmtepomp en de terminalverwarmings- of koelingsapparatuur binnen hetzelfde hydraulische circuit zijn aangesloten.

In zijn eenvoudigste vorm:

Warmtepomp → Circulatiepomp → Verwarmings-/koelingsterminals → Warmtepomp

Hetzelfde circulerende water passeert zowel de warmtebron als de laadzijde.

In tegenstelling tot een primair-secundair systeem is dit normaal gesproken wel het gevalgeen hydraulische afscheider tussen het warmtepompcircuit en het distributiecircuit.

Het systeem kan eindapparatuur leveren zoals:

• Vloerverwarming
• Radiatoren
• Fancoilunits
• Batterijen voor luchtbehandelingsunits
• Andere hydronische verwarmings- of koelingsterminals

Vereenvoudigd hydraulisch diagram

AANVOERWATER → ┌─────────────┐ ┌──────────────┐ │ │ │ Circulatie │ │ Warmtepomp ├──── ►│ Pomp ├──────────────┐ │ │ └──────────────┘ │ └──────▲──────┘ │ │ ▼ │ ┌─────────────────────────┐ │ │ Laadzijde │ │ │ │ │ │ Radiator │ │ │ Fancoil │ │ │ Vloerverwarming │ │ └────────────┬────────────┘ │ │ └──────────────────── ─────────────────────┘ ← RETOUR WATER

Het fundamentele kenmerk is eenvoudig:

De warmtepomp en de eindunits delen hetzelfde circulerende waterstroompad.

2. Hoe werkt een warmtepompsysteem met één lus?

Het werkingsprincipe kan worden begrepen aan de hand van twee fundamentele hydraulische parameters:

1. Watertemperatuurverschil (ΔT)
2. Gemiddelde circulerende watertemperatuur

Deze twee parameters hangen nauw samen met de hoeveelheid warmte die wordt overgedragen tussen de warmtepomp en het gebouw.

3. Inzicht in de temperatuur van het aanvoer- en retourwater

Tijdens het verwarmen verhoogt de warmtepomp de temperatuur van het circulerende water.

Bijvoorbeeld:

Warmtepomp → 40°C Toevoerwater → Verwarmingsterminals → 35°C Retourwater → Warmtepomp

Het temperatuurverschil bedraagt:

ΔT = 40°C − 35°C = 5 K

De eindapparatuur haalt thermische energie uit het water en brengt deze over naar het gebouw.

Het koelere retourwater stroomt vervolgens terug naar de warmtepomp en wordt opnieuw verwarmd.

De cyclus gaat door zolang er vraag naar warmte bestaat.

Temperatuur profiel

Warmtepompuitlaat 40°C │ │ Warmte wordt geleverd ▼ aan het gebouw ───────────────────── ► ΔT = 5 K ◄───────────────────── ▲ │ 35°C Warmtepompinlaat

In de koelmodus is het principe omgekeerd: de warmtepomp levert gekoeld water en de eindunits absorberen warmte uit het binnenmilieu.

4. Waarom is AT belangrijk?

Voor een hydronisch verwarmingssysteem kan de overgedragen thermische capaciteit worden benaderd door:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Waar:

• Q= warmteoverdrachtscapaciteit
• M= massastroomsnelheid van water
• CP= soortelijke warmtecapaciteit van water
• AT= temperatuurverschil aanvoer/retourwater

Voor praktische HVAC-berekeningen met water:

Q (kW) ≈ 1,163 × stroomsnelheid (m³/u) × ΔT (K)

Daarom:

Debiet (m³/u) ≈ Q / (1,163 × ΔT)

Voorbeeld

Stel dat een warmtepomp zorgt voor:

Verwarmingscapaciteit = 20 kW

met:

AT = 5 K

De benodigde waterstroom is ongeveer:

20 ÷ (1,163 × 5) ≈ 3,44 m³/u

Dit demonstreert een belangrijk kenmerk van direct verbonden systemen:

Warmtepompcapaciteit, terminalcapaciteit, waterdebiet en ΔT moeten hydraulisch op elkaar afgestemd zijn.

Als de warmtepomp aanzienlijk meer of minder waterdebiet nodig heeft dan het einddistributiesysteem, kan directe aansluiting lastig te controleren zijn.

5. Energiebalans in een systeem met één lus

Onder stabiele bedrijfsomstandigheden moet de door de warmtepomp gegenereerde thermische energie ongeveer overeenkomen met de door het gebouw geabsorbeerde thermische energie:

Warmtepompvermogen ≈ Eindwarmteoverdracht ≈ Verwarmingsbelasting gebouw

Deze waarden zijn echter zelden op elk moment identiek.

De bouwbelasting verandert voortdurend door:

• Buitentemperatuur
• Zonnestraling
• Bezetting
• Interne warmtewinsten
• Thermostaat instellingen
• Zonekleppen openen of sluiten
• Werking van de ventilatorconvector
• Weersomstandigheden

Dit betekent dat een hydronisch warmtepompsysteem voortdurend probeert een evenwicht te bewaren tussen de verschillende omstandighedenwarmteopwekking en warmteverbruik.

6. Wat gebeurt er als de output van de warmtepomp groter is dan de vraag naar gebouwen?

Overweeg een systeem tijdens het opstarten.

Het gebouw- en circulerende water kan aanvankelijk koud zijn.

Op dit punt:

• De vraag naar verwarming is groot.
• De retourwatertemperatuur is laag.
• De warmteoverdracht aan de terminalzijde is hoog.
• De warmtepomp werkt op een relatief hoog vermogen.

Naarmate het gebouw de doeltemperatuur nadert, neemt de vraag naar eindwarmte af.

Als de warmtepomp meer warmte blijft produceren dan het gebouw kan absorberen, verhoogt de overtollige thermische energie tijdelijk de temperatuur van het circulerende water en de thermische massa van het systeem.

Als resultaat:

De gemiddelde systeemwatertemperatuur stijgt.

De warmtepompregelaar reageert dan door:

• Het verlagen van de compressorfrequentie in een invertersysteem, of
• Het stoppen van de compressor wanneer de doeltemperatuur is bereikt.

Dit is één reden waaromVolledige DC-inverterwarmtepompen zijn bijzonder geschikt voor goed ontworpen hydronische systemen met lage temperatuur.

In plaats van alleen op volle capaciteit te werken of volledig te stoppen, kan de compressor zijn vermogen moduleren om veranderingen in de vraag in het gebouw te volgen.

7. Het belang van het systeemwatervolume

Het watervolume zorgt voor thermische traagheid.

Een vereenvoudigde manier om dit te begrijpen is:

Warmtepomp produceert warmte ↓ ┌──────────────┐ │ Systeemwater │ │ Volume │ └──────┬───────┘ ↓ Verwarmingsterminals ↓ Gebouw

Als de warmteproductie en het warmteverbruik tijdelijk verschillend zijn, kan het watervolume een deel van deze onbalans opvangen.

Voldoende watervolume kan helpen:

• Stabiliseer de watertemperatuur
• Verminder het snel wisselen van de compressor
• Verbeter de bedrijfsstabiliteit van de warmtepomp
• Zorg voor thermische energie tijdens tijdelijke omstandigheden
• Ondersteunt ontdooiing in sommige systeemconfiguraties

Echter,meer watervolume is niet automatisch beter.

Een overmatig buffervolume kan toenemen:

• Installatiekosten
• Ruimtevereisten
• Staande warmteverliezen
• Opwarmtijd van het systeem

Het juiste volume moet daarom worden bepaald op basis van de minimale watervolumevereisten van de fabrikant van de warmtepomp en de hydraulische kenmerken van het project.

8. Relatie tussen warmtepompcapaciteit en watertemperatuur

Een moderne inverter-warmtepomp past zijn vermogen voortdurend aan de bedrijfsomstandigheden aan.

Wanneer de vraag naar verwarming toeneemt:

Hogere belasting → Hogere vereiste warmteafgifte

Afhankelijk van de regelstrategie kan het systeem reageren door:

• Hogere compressorfrequentie
• Hogere aanvoerwatertemperatuur
• Verhoogde circulatiestroom
• Of een combinatie van deze factoren

Wanneer de vraag naar verwarming afneemt:

Lagere belasting → Lager vermogen van de warmtepomp

Dit is waaromweerscompensatie / resetcontrole buitenis belangrijk voor het rendement van de warmtepomp.

In plaats van onnodig hoge watertemperaturen gedurende het hele stookseizoen te handhaven, kan de controller de beoogde toevoerwatertemperatuur verlagen tijdens mildere buitenomstandigheden.

Een lagere temperatuur van het aanvoerwater vermindert over het algemeen de compressorlift en kan de seizoensgebonden efficiëntie van de warmtepomp verbeteren.

9. Typische configuratie van een warmtepomp met één lus

Een praktisch systeem kan het volgende bevatten:

Lucht-water-warmtepomp │ ▼ Circulatiepomp │ ▼ Aanvoerverzamelleiding │ ┌────┼─────┐ ▼ ▼ ▼ Radiator FCU Vloerverwarming │ │ │ └────┼─────┘ ▼ Retourkop │ ▼ Warmtepomp

Afhankelijk van het systeemontwerp kunnen aanvullende componenten het volgende omvatten:

• Expansievat
• Automatische ontluchter
• Veiligheidsklep
• Magnetische vuilafscheider
• Y-zeef
• Terugslagklep
• Manometer
• Temperatuur sensoren
• Flowmeter of flowschakelaar
• Inregelafsluiters
• Zonekleppen
• Differentiële drukomleidingsklep

Deze componenten veranderen het systeem niet noodzakelijkerwijs in een primair-secundair systeem.

De bepalende vraag is of het warmtepompcircuit en het eindverdeelcircuit blijven bestaanhydraulisch direct aangesloten.

10. De keuze van de circulatiepomp is van cruciaal belang

De circulatiepomp moet voldoende debiet leveren en tegelijkertijd de totale drukval van het hydraulische circuit overwinnen.

De ontwerper moet rekening houden met:

Vereist debiet + Totale systeemweerstand = Werkpunt van de circulatiepomp

De totale weerstand kan bestaan ​​uit:

• Warmtepomp waterzijdige warmtewisselaar
• Aanvoer- en retourleiding
• Uitrusting
• Filters
• Kleppen
• Verdeelstukken
• Radiatoren
• Fancoils
• Vloerverwarmingscircuits

Een pomp die alleen wordt geselecteerd op basis van het nominale debiet, zonder de beschikbare opvoerhoogte te controleren, kan leiden tot onvoldoende circulatie.

Op dezelfde manier kan een te grote pomp het volgende veroorzaken:

• Te hoge watersnelheid
• Hoger energieverbruik van de pomp
• Lawaai
• Problemen met de klepbediening
• Verlaagde ΔT

Daarom moet de selectie van de circulatiepomp altijd gebaseerd zijn op de feitelijke hydraulische systeemberekening.

11. Constante stroom versus variabele stroom

Een van de belangrijkste overwegingen bij een warmtepompsysteem met één lus is of het distributiesysteem met een ongeveer constant of variabel debiet werkt.

Constante of relatief stabiele stroom

Directe verbinding is relatief eenvoudig wanneer:

Vereist debiet warmtepomp ≈ Distributiesysteemdebiet

Een eenvoudige vloerverwarmingsinstallatie waarbij de meeste circuits continu open zijn, kan bijvoorbeeld zorgen voor relatief stabiele hydraulische omstandigheden.

Variabele stroom

De situatie wordt ingewikkelder wanneer meerdere thermostaten en zonekleppen onafhankelijk van elkaar verschillende gebieden aansturen.

Bijvoorbeeld:

┌── Zone 1 OPEN Warmtepomp ─────┼── Zone 2 GESLOTEN ├── Zone 3 GESLOTEN └── Zone 4 GESLOTEN

Wanneer meerdere zones sluiten, kan de totale systeemstroom aanzienlijk dalen.

Dit kan ertoe leiden dat de warmtepomp onder het vereiste minimale waterdebiet zakt.

Mogelijke gevolgen zijn onder meer:

• Beveiligingsalarmen bij laag debiet
• Hogere ΔT
• Onstabiele aanvoerwatertemperatuur
• Verminderde prestaties van de warmtewisselaar
• Frequente compressorwisselingen
• Slechte ontdooiprestaties

Dit is een van de belangrijkste beperkingen van direct verbonden systemen.

12. Voordelen van een hydronisch warmtepompsysteem met één lus

Eenvoudig hydraulisch ontwerp

Voor een systeem met één lus zijn doorgaans minder hydraulische componenten nodig.

Dit kan het volgende verminderen:

• Complexiteit van de installatie
• Aantal pompen
• Leidingwerk
• Controlevereisten

Lagere initiële kosten

Omdat hydraulische scheiding en extra distributiepompen wellicht niet nodig zijn, kunnen de apparatuur- en installatiekosten lager zijn.

Lagere pompenergie

Wanneer één goed geselecteerde, hoogefficiënte circulatiepomp het volledige systeem kan bedienen, kan het aanvullende elektriciteitsverbruik worden verminderd.

Verminderde hydraulische menging

Hydraulische afscheiders en buffertanks kunnen onder bepaalde bedrijfsomstandigheden menging introduceren.

Een correct ontworpen direct systeem kan het aanvoerwater van de warmtepomp rechtstreeks naar de verwarmingsterminals sturen zonder dit mengeffect.

Dit kan voordelig zijn voor toepassingen met lage temperatuur warmtepompen.

Goede compatibiliteit met inverterwarmtepompen

Wanneer de waterstroom binnen het vereiste bedrijfsbereik blijft, kan een inverterwarmtepomp de capaciteit moduleren om de gebouwbelasting efficiënt te volgen.

13. Beperkingen van een systeem met één lus

Een direct aangesloten systeem is niet voor ieder project geschikt.

De belangrijkste beperkingen zijn onder meer:

Warmtepomp en belastingstroom moeten compatibel zijn

Omdat beide zijden hetzelfde hydraulische circuit delen, kunnen aanzienlijke verschillen tussen het vereiste debiet van de warmtepomp en het einddebiet regelproblemen veroorzaken.

Meerdere zones kunnen instabiliteit van de stroom veroorzaken

Het sluiten van thermostatische of gemotoriseerde kleppen verandert het totale systeemdebiet en de druk.

Verschillende eindtemperaturen zijn moeilijker

Beschouw een gebouw met:

• Vloerverwarming: 30–40°C
• Fancoils: 40–45°C
• Radiatoren: 45–55°C

Deze klemmen vereisen mogelijk verschillende aanvoertemperaturen en verschillende stroomkarakteristieken.

Een eenvoudige, direct aangesloten lus kan daarom onvoldoende zijn.

De pompgrootte wordt steeds belangrijker

Het kan nodig zijn dat één enkele pomp het drukverlies van zowel de warmtepomp als het distributienetwerk moet overwinnen.

Het minimale warmtepompdebiet moet altijd worden beschermd

Moderne warmtepompen specificeren normaal gesproken een minimaal bedrijfswaterdebiet.

Als de systeemstroom onder deze waarde daalt, kan een betrouwbare werking niet worden gegarandeerd.

14. Wanneer wordt een warmtepompsysteem met één lus aanbevolen?

Een configuratie met één lus is bijzonder aantrekkelijk wanneer:

• Het systeem is relatief klein
• Het hydraulische netwerk is eenvoudig
• De vereisten voor de warmtepomp en de eindstroom zijn vergelijkbaar
• De meeste terminals werken bij vergelijkbare watertemperaturen
• Er zijn weinig onafhankelijke zones
• De stroom blijft relatief stabiel
• De circulatiepomp van de warmtepomp heeft voldoende beschikbare opvoerhoogte
• Het minimale warmtepompdebiet kan altijd worden gehandhaafd
• Het watervolume van het systeem voldoet aan de eisen van de fabrikant

Typische toepassingen kunnen zijn:

Warmtepomp + vloerverwarming

of

Warmtepomp + één hoofdventilatorconvectorcircuit

of

Warmtepomp + lagetemperatuurradiatorsysteem

15. Wanneer moet een primair-secundair systeem worden overwogen?

Een primair-secundair hydronisch systeem wordt aantrekkelijker wanneer:

• Het gebouw heeft veel onafhankelijke zones
• De terminalstroom varieert aanzienlijk
• Verschillende eindcircuits vereisen verschillende stroomsnelheden
• Er zijn verschillende watertemperaturen nodig
• Het distributienetwerk heeft een hoge hydraulische weerstand
• De warmtepompcirculatiepomp kan niet het volledige netwerk bedienen
• Er zijn meerdere circulatiepompen nodig
• Meerdere warmtepompen werken in cascade
• Er moet een stabiel minimumdebiet door de warmtepomp worden gegarandeerd

In deze gevallen kan een hydraulische afscheider of een passend ontworpen bufferopstelling de warmtepompzijde hydraulisch ontkoppelen van de gebouwverdelingszijde.

Conceptueel:

WARMTEBRON ZIJBELASTING ZIJ Warmtepompradiatoren │ ▲ Primaire pomp │ │ Secundaire pomp ▼ │ ┌───────────────┐ ┌─────┴─────┐ │ Hydraulisch │◄─────────────── ►│ Spruitstuk │ │ Afscheider │ └─────┬─────┘ └───────────────┘ │ ▲ ▼ │ Fancoils │ └──────── Primair circuit

De twee zijden kunnen dan met verschillende stroomsnelheden werken zonder sterke hydraulische interactie.

16. Single-loop versus primair-secundair: wat is efficiënter?

Er is geen universeel antwoord.

Een veel voorkomende misvatting is:

"Een systeem met één lus is altijd efficiënter omdat er minder pompen nodig zijn."

Een andere misvatting is:

"Een primair-secundair systeem is altijd beter omdat het professioneler is."

Geen van beide uitspraken is technisch correct.

De systeemefficiëntie is afhankelijk van het volledige hydraulische ontwerp.

Een goed ontworpen direct systeem kan uiterst eenvoudig en efficiënt zijn.

Het forceren van een ingewikkelde installatie met meerdere zones in één enkel hydraulisch circuit kan echter een onstabiele stroming, overmatig wisselen en een slechte temperatuurregeling veroorzaken.

Omgekeerd kan het toevoegen van onnodige buffertanks, pompen en mengapparatuur aan een eenvoudig woonsysteem de installatiekosten en het parasitaire elektriciteitsverbruik verhogen.

Het juiste principe is:

Gebruik de eenvoudigste hydraulische architectuur die de vereiste stroom, temperatuur, druk en regelstabiliteit onder alle verwachte bedrijfsomstandigheden kan handhaven.

17. Veelgestelde vragen

Wat is een warmtepompsysteem met één lus?

Een warmtepompsysteem met één lus is een hydronische configuratie waarin de warmtepomp en de verwarmings-/koelingsterminals hetzelfde watercirculatiecircuit delen zonder hydraulische scheiding tussen de warmtebron en de belastingzijde.

Heeft een systeem met één lus een buffertank nodig?

Niet altijd.

Een buffertank moet worden overwogen op basis van het minimale watervolume van het systeem, de minimale looptijd van de compressor, de ontdooivereisten, de zoneringsstrategie en de aanbevelingen van de fabrikant, in plaats van dat deze automatisch in elk project wordt geïnstalleerd.

Kan één circulatiepomp het hele systeem bedienen?

Ja, op voorwaarde dat de pomp het vereiste ontwerpdebiet kan leveren bij de berekende totale opvoerhoogte van het systeem, terwijl het vereiste bedrijfsdebietbereik van de warmtepomp behouden blijft.

Kan een systeem met één lus radiatoren en vloerverwarming samen gebruiken?

Het kan, maar een zorgvuldig ontwerp is vereist omdat radiatoren en vloerverwarming vaak met verschillende watertemperaturen en debieten werken. Een mengcircuit of hydraulisch gescheiden distributiesysteem kan geschikter zijn.

Is een enkellussysteem geschikt voor inverterwarmtepompen?

Ja. Inverterwarmtepompen kunnen bijzonder goed werken in goed ontworpen, direct aangesloten systemen, omdat de compressorcapaciteit kan moduleren op basis van de thermische vraag. Het minimale waterdebiet en het minimale systeemvolume moeten echter nog steeds worden gerespecteerd.

Wat bepaalt de warmteafgifte in een hydronisch systeem?

De warmteoverdracht wordt voornamelijk bepaald door de waterstroom en het temperatuurverschil aanvoer-retour:

Q ≈ 1,163 × stroom × ΔT

Daarom moeten warmtepompcapaciteit, eindcapaciteit, debiet en ΔT samen worden beschouwd.

Conclusie

Ahydronisch warmtepompsysteem met één lusis een van de eenvoudigste manieren om een ​​lucht-water-warmtepomp aan te sluiten op de verwarmings- of koelingsterminals van een gebouw.

Het belangrijkste kenmerk is dat dewarmtebron en belastingzijde delen hetzelfde hydraulische circuit en circulerende waterstroom.

Wanneer warmtepomp, circulatiepomp en terminalsysteem correct op elkaar zijn afgestemd, biedt deze opstelling verschillende voordelen:

• Eenvoudig hydraulisch ontwerp
• Lagere installatiekosten
• Minder circulatiepompen
• Lager hulpenergieverbruik
• Directe levering van leidingwater aan terminals
• Uitstekende compatibiliteit met verwarming op lage temperatuur

Eenvoud neemt echter de noodzaak van waterbouwkunde niet weg.

De ontwerper moet nog steeds verifiëren:

Verwarmings-/koelingsbelasting → Warmtepompcapaciteit → Ontwerp ΔT → Vereiste waterstroom → Systeemdrukdaling → Pompselectie → Minimale stroom → Watervolume → Regelstrategie

Alleen als deze parameters goed op elkaar zijn afgestemd, kan een direct aangesloten warmtepompsysteem efficiënt en betrouwbaar werken.

Voor complexe gebouwen met meerdere zones, systemen met variabel debiet of installaties die verschillende eindtemperaturen gebruiken, aprimair-secundair hydronisch systeemkan een betere hydraulische stabiliteit en controle bieden.

Het doel is daarom niet om te beslissen of een systeem met één lus of een primair-secundair systeem universeel beter is.

Het doel is om de hydraulische architectuur te selecteren die het beste aansluit bij de feitelijke operationele vereisten van het project.