Chaque litre de stockage est de la chaleur utilisable
Hydraulique de chauffage avec solaire et grand réservoir tampon, augmentation du retour de la chaudière et installation à quatre circuits avec utilisation du retour
La quantité de combustible que l'on peut effectivement économiser en utilisant la chaleur solaire dépend essentiellement du volume réellement utilisable de l'accumulateur solaire. En outre, la situation devient difficile sur le plan hydraulique lorsque les circuits de chauffage raccordés fonctionnent avec des températures de système différentes et que le générateur de chaleur nécessite une augmentation du retour.
Fig. 1 : L'agriculteur Ferdinand Schörghuber (à gauche) a pratiquement réduit de moitié sa consommation de combustible en utilisant la chaleur solaire. L'hydraulique de l'installation a été développée par son voisin Walter Grabner (à droite) avec le soutien de HG Baunach.
Un exemple clair est celui de l'article intitulé Copeaux de bois et de chaleur solaire d'une exploitation agricole en Basse-Autriche. Son attraction est un réservoir solaire fabriqué de manière non conventionnelle. Le cœur de l'installation est constitué de deux collecteurs mélangeurs multivoies qui chargent et déchargent le réservoir tampon de 22 000 l selon le principe des deux zones et permettent en outre d'utiliser le retour pour un chauffage au sol à basse température de l'étable. Les copeaux de bois sont certes un combustible écologique et bon marché, mais pour l'agriculteur Ferdinand Schörghuber de Wolfsbach, les coûts du combustible sont synonymes de travail et d'utilisation de machines. L'exploitation d'élevage de porcs dans le Mostviertel a eu en permanence une consommation élevée de copeaux de bois, même en été. En effet, dans l'étable, les porcelets ont besoin toute l'année d'un sol d'étable chauffé à température constante. Le maintien nécessaire des braises dans la chaudière à copeaux de bois augmentait encore les besoins en combustible. À quelques centaines de mètres de là se trouve la maison de son voisin Walter Grabner, qui se chauffe également au bois, mais avec un appoint solaire. L'utilisation de la chaleur solaire pour le chauffage l'a fasciné il y a 30 ans déjà : "Le solaire est utile pour moi lorsque je peux chauffer plusieurs jours sans chaudière", explique Walter Grabner. Son installation solaire est dimensionnée en conséquence : 22 m² de capteurs solaires, installés sur un dispositif de suivi spécialement conçu à cet effet, fournissent une énergie abondante les jours ensoleillés dans deux réservoirs tampons d'une capacité totale d'environ 4 500 litres.
Fig. 2 : L'ensemble du système de distribution et de régulation pour la commutation hydraulique de l'installation de chauffage et solaire avec grand réservoir tampon se compose de deux collecteurs mélangeurs multi-voies rendeMIX et tient sur une surface murale d'environ 1 m².
Avec cet enthousiasme pour l'utilisation efficace de la chaleur solaire, M. Grabner a contaminé l'agriculteur voisin qui souhaitait limiter sa consommation de copeaux de bois et donc sa charge de travail.
Un dimensionnement généreux s'avère juste
Les besoins en énergie de l'exploitation agricole sont cependant bien plus importants. Outre une maison d'habitation de 220 m², il faut chauffer environ 300 m² de surface pour l'étable, ainsi qu'une surface supplémentaire pour le séchage des copeaux de bois que l'agriculteur doit traiter et transporter par tonnes. Jusqu'à présent, la chaudière à copeaux de 75 kW couvrait à elle seule les besoins en chaleur. Le tout est environ quatre fois plus grand que dans la maison de Grabner. Avec le soutien des voisins, un système de chauffage solaire exceptionnel a finalement vu le jour à partir d'un plan. Pour dimensionner l'installation solaire et le volume de l'accumulateur, Walter Grabner a multiplié par quatre son propre concept d'installation pour l'adapter aux besoins de l'exploitation agricole. Le résultat de ce calcul a été un volume de stockage tampon d'environ 20.000 l et une surface de capteurs solaires de 88 m². Le fait qu'il ait eu raison avec ce dimensionnement a été confirmé par la réduction de moitié de la consommation de combustible, comme il s'est avéré par la suite. "Fin mars, nous avons arrêté la chaudière", raconte l'agriculteur Ferdinand Schörghuber à l'automne 2009. Jusqu'à début octobre, seule l'installation solaire fournissait la chaleur de chauffage pour la maison d'habitation, l'étable et l'eau chaude.
Un wagon-chaudière mis au rebut se transforme en réservoir solaire
Mais avant cela, Grabner et Schörghuber se sont demandé comment réaliser le volume tampon nécessaire de 20 000 l, et ce à moindre coût. Les conditions de construction dans un bâtiment annexe de la porcherie n'offraient pas beaucoup de place en surface pour l'installation d'un accumulateur, mais d'autant plus en hauteur. Walter Grabner, ancien contremaître de l'ÖBB (Österreichische Bundes Bahn), avait déjà en tête une solution qui, à l'époque, roulait sur des rails en direction de la voie de garage : son projet consistait à transformer le réservoir d'un wagon-citerne désaffecté en un réservoir solaire. Quelque temps plus tard, le grand réservoir, séparé du châssis et nettoyé à l'intérieur, se trouvait dans la cour de l'agriculteur de Wolfsbach. Avec une passion pour les solutions non conventionnelles, alliée à de solides connaissances en matière de construction et à une bonne maîtrise des procédés d'usinage des métaux, Grabner a raccourci d'environ un tiers l'ancienne citerne de wagon de marchandises pour en faire un réservoir vertical. L'échangeur de chaleur est constitué d'un tube de cuivre de 28 mm, qu'il a commandé spécialement en rouleau afin de pouvoir l'enrouler en forme de spirale à l'aide de machines agricoles. Dans la partie inférieure de l'accumulateur, deux échangeurs de chaleur tubulaires hélicoïdaux de 7 m² chacun ont ainsi été utilisés, chacun pour une moitié du champ de capteurs de 2 x 44 m².
Chargement à deux zones et utilisation du retour
Fig. 3 : Le réservoir tampon solaire mesure 4,5 m de hauteur et contient environ 22 m³ d'eau de chauffage.
Outre la construction de l'accumulateur solaire, Walter Grabner s'est intéressé de près à la manière dont le circuit hydraulique de l'ensemble de l'installation de chauffage devait être mis en place. Deux défis se sont présentés : la première question était de savoir comment obtenir à tout moment de la chaleur utilisable à partir du tampon sans devoir d'abord chauffer plusieurs milliers de litres d'eau de chauffage. En effet, un grand volume d'accumulation ne sert pas à grand-chose si l'ensemble de son contenu ne présente qu'une température de mélange tiède. La seconde question concernait les différentes températures du système : alors que les circuits de chauffage des radiateurs de la maison d'habitation sont conçus pour 70/50 °C, le chauffage au sol de l'étable fonctionne à 40/30 °C. Or, la chaudière à plaquettes fournit une température de départ de 80 °C, alors que la température de retour ne doit pas être inférieure à 60 °C. Il fallait donc un système de distribution et de régulation capable d'alimenter de manière fiable les différents circuits avec les températures requises. C'est en consultant un catalogue de produits de chauffage que Walter Grabner a trouvé le distributeur mélangeur multivoies rendeMIX. Il a été convaincu par le principe de chargement et de déchargement du tampon en deux zones et par la possibilité d'utiliser le retour. De plus, le principe de chargement et de déchargement réparti sur deux zones tampons a permis de réaliser simultanément l'augmentation nécessaire du retour. Le fabricant HG Baunach, dont le siège se trouve en Rhénanie-du-Nord-Westphalie allemande (www.baunach.net) a échangé avec Grabner et a dessiné un schéma d'installation pour le système hydraulique de l'installation de chauffage à énergie solaire avec le grand réservoir tampon et différentes exigences de température. Deux collecteurs mélangeurs multidirectionnels rendeMIX ont été prévus, qui servent à la fois à la stratification dans le ballon et au mélange des températures :
Hydraulique de l'installation entre le générateur de chaleur et le réservoir tampon, chargement du réservoir tampon en deux zones
- Injection de la chaleur de chauffage produite par la chaudière à plaquettes dans la zone tampon supérieure (température de départ de 80 °C).
- Réduction de la température de retour pour la chaudière à combustible solide en mélangeant le retour avec de l'eau de chauffage provenant du tampon et, si nécessaire, du départ. Avec le rendeMIX utilisé de type "2×3"La température de retour préréglée par un régulateur à valeur fixe est augmentée par un mélange provenant du tiers supérieur ou du milieu du réservoir tampon. Si la température dans le réservoir tampon n'est pas suffisante, le mélangeur passe à un mélange à partir du départ.
Hydraulique de l'installation entre le réservoir tampon et l'installation à quatre circuits, déchargement du réservoir tampon en deux zones
- Mélange de la température de départ pour les circuits de chauffage des radiateurs et la production d'eau chaude sanitaire avec de l'eau de chauffage provenant de la zone tampon supérieure et de la zone tampon intermédiaire.
- Mélange de la température de départ pour le chauffage à basse température (chauffage au sol de l'étable). La particularité réside ici dans l'utilisation du retour, que le modèle rendeMIX "3×4"Si la température de retour des circuits de chauffage des radiateurs est encore suffisante pour alimenter le départ du chauffage de surface, le distributeur mélangeur multivoies passe à l'utilisation du retour. Si cette offre de chaleur n'est pas disponible, le distributeur mélangeur va chercher la chaleur nécessaire dans la zone tampon centrale et y ajoute, si nécessaire, de l'eau de chauffage provenant de la partie supérieure du tampon.
- Retour au réservoir tampon : retour des circuits de chauffage des radiateurs via le collecteur mélangeur dans la zone tampon centrale (si pas pour utilisation du retour pour le chauffage par rayonnement dans la surface) ; retour du chauffage par rayonnement dans la zone tampon inférieure.
Utilisation efficace de la mémoire tampon
Fig. 4 : Walter Grabner a intégré trois thermomètres dans le coffrage en bois du réservoir tampon transformé et isolé, à hauteur de vue, afin de contrôler les températures dans les zones tampon supérieure, moyenne et inférieure.
Fig. 5 : Pour l'installation de chauffage solaire qui alimente sa maison, Walter Grabner a conçu et construit un suiveur à entraînement hydraulique.
Fig. 6 : Sauvé de la ferraille : un wagon-citerne des ÖBB a été transformé en accumulateur solaire.
Le chargement et le déchargement du réservoir tampon suivent le principe "plus longtemps chaud en haut - plus vite froid en bas". Lors de la visite sur place, un jour d'octobre où la température extérieure était de +9 °C, les thermomètres du collecteur de mélange à plusieurs voies indiquent comment se comportent les besoins en chauffage et l'offre de chaleur disponible dans le tampon :
- Température du tampon en haut : 68 °C
- Température du tampon au milieu : 45 °C
- Température du tampon en bas : 45 °C.
L'installation solaire fournit de la chaleur par le bas, qui est utilisée pour le chauffage de l'étable via la zone tampon centrale. La position du servomoteur montre qu'à ce moment-là, le rendeMIX puise environ 1/3 de la chaleur dans la zone tampon supérieure et 2/3 dans la zone centrale. Il faut environ 12 heures à la chaudière de 75 kW pour chauffer le contenu du tampon jusqu'à la hauteur de l'échangeur de chaleur solaire. "Maintenant, une chaudière de 20 kW suffirait pour toute la ferme", estime Walter Grabner. L'agriculteur Ferdinand Schörghuber se réjouit surtout du fait que le travail nécessaire à la production, au transport et au stockage des copeaux de bois a pratiquement diminué de moitié.
Principe de fonctionnement indépendant de la taille de l'accumulateur
Fig. 7 : ... l'échangeur de chaleur a pu être placé dans le réservoir raccourci d'environ un tiers et le fond a pu être ressoudé.
Lors de la phase de planification, HG Baunach avait établi un calcul annexe qui illustre les dimensions du réservoir tampon : si 4,5 m de hauteur de réservoir (considérée de manière simplifiée comme un cylindre) peuvent contenir 22 000 litres, 15 cm de hauteur de réservoir correspondent à un contenu de 750 litres - la taille moyenne d'un réservoir solaire conventionnel pour maison individuelle. En d'autres termes, d'un point de vue hydraulique, la taille du réservoir tampon est moins déterminante que la quantité de chaleur qui peut en être tirée. L'exemple de cette installation montre qu'une utilisation vraiment efficace du contenu du tampon n'est possible que grâce au principe de chargement et de déchargement en deux zones. Le rendeMIX, qui assure le déchargement de deux ballons tampons d'une capacité totale de 4.500 litres dans la maison de Walter Grabner, fonctionne selon le même principe. Selon son expérience, un volume tampon largement dimensionné présente un avantage essentiel : "En cas d'utilisation de l'énergie solaire, il peut toujours arriver que la chaudière vienne de chauffer le tampon et que le temps passe soudainement au soleil.
Fig. 8 : Le rendeMIX dans la maison de Walter Grabner est le point de contact entre les réservoirs tampons et une installation à deux circuits avec radiateurs et chauffage au sol.
Il y a alors encore suffisamment de place dans la zone tampon inférieure pour charger la chaleur solaire", explique Walter Grabner. Le rendeMIX garantit que la zone tampon inférieure reste toujours froide. La commande des servomoteurs pour les collecteurs mélangeurs multivoies se fait simplement par un signal à trois points, qui part d'une régulation de chauffage conventionnelle. "Les chauffagistes innovants doivent tout simplement se pencher sur le mode de fonctionnement du rendeMIX", recommande Walter Grabner.
Fig. 9 : Une surface de capteurs solaires de 88 m² couvre les besoins en chaleur d'avril à octobre.
Wolfgang Heinl
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