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Hydraulique de l'installation pour une durée de vie élevée de la centrale de cogénération

Chauffage avec la chaleur résiduelle du retour

Lors de la modernisation de l'installation de chauffage dans un immeuble hôtelier à Essen, l'hydraulique de l'installation du système de chauffage bivalent a été mise en place avec une gestion de tampon à deux zones et le principe de l'utilisation du retour. Cela a été rendu possible par l'utilisation de collecteurs de mélange à plusieurs voies pour la charge du tampon et l'alimentation des circuits de chauffage. Grâce au concept d'installation avec une hydraulique optimisée entre la production et la distribution de chaleur, la chaudière de charge de pointe est devenue un générateur de chaleur de réserve et la petite centrale de cogénération fonctionne presque 24 heures sur 24.

Figure 1 : La centrale de cogénération (au centre) charge les deux réservoirs tampons (à gauche) selon le principe des deux zones. La chaudière gaz à condensation (à droite) utilisée comme chaudière de pointe ne s'enclenche que lorsque la température dans la zone tampon supérieure descend en dessous de la température minimale pour la production d'eau chaude sanitaire.

La maison d'hôtes du Kolping-Berufsbildungswerk Essen offre sur trois étages 14 chambres doubles, six chambres individuelles et deux appartements. L'hôtel dispose de sa propre cuisine gastronomique. En 2009, l'installation de chauffage a été entièrement modernisée. Le concept de l'installation comprend une petite centrale de cogénération (12,5 kWth, 4,7 kWel), une chaudière à gaz à condensation pour la charge de pointe (120 kW), deux réservoirs tampons de 500 l montés en parallèle ainsi qu'un ballon d'eau chaude sanitaire de 500 l chargé par un système de charge par stratification (photo 1).

Informer de manière compacte

La durée de fonctionnement de la centrale de cogénération ne dépend pas uniquement de la taille potentielle du puits de chaleur, mais est également influencée de manière déterminante par l'hydraulique de l'installation.
Les facteurs clés sont une gestion intelligente des tampons et une température de retour de la distribution de chaleur aussi basse que possible.
Ces deux fonctions - et en plus l'augmentation de la température de retour pour la centrale de cogénération - peuvent être facilement réalisées avec les collecteurs mélangeurs multi-voies rendeMIX. La commande peut être effectuée par des régulateurs standard.

Différentes températures de système

Les trois circuits de prélèvement existants fonctionnent avec des températures de système différentes :

• circuit de chauffage mixte des radiateurs : 70/50 °C
• circuit mixte de chauffage de l'air pour la CTA : 80/60 °C
• Production d'eau chaude sanitaire : 85/60 °C

L'une des principales tâches de planification pour la mise en place de la distribution de chaleur consistait donc à fournir la bonne température de départ pour chaque circuit de chauffage. Il s'agissait en outre de maximiser le volume tampon utile afin d'obtenir de longues durées de fonctionnement de la centrale de cogénération. De plus, ce concept d'installation prévoyait de mettre en œuvre le principe de l'utilisation de la température de retour : Si la température du retour d'un circuit de chauffage est suffisante pour alimenter un autre circuit de chauffage à un niveau de température inférieur, cette chaleur de chauffage doit d'abord être utilisée avant d'avoir recours au départ.

Photo 2 : Pour la distribution de la chaleur, on a utilisé les collecteurs de mélange à voies multiples de HG Baunach GmbH & Co. KG ont été utilisés avec un distributeur à trois chambres fabriqué par Magra. L'ordre des départs du distributeur dépend de la chute de température dans le retour dans le sens de l'écoulement vers la chaudière.

Cela a été réalisé à l'aide de collecteurs mélangeurs multivoies de type rendeMIX qui, avec un collecteur à trois chambres spécialement conçu (image 2), assurent les bonnes températures du système dans les trois circuits de chauffage. Un autre distributeur mélangeur multivoies a été utilisé comme lien entre la centrale de cogénération et le réservoir tampon. Celui-ci remplit, avec un régulateur à valeur fixe intégré, l'augmentation nécessaire de la température de retour pour la centrale de cogénération et organise en même temps le chargement en deux zones du réservoir tampon.

La centrale de cogénération couvre presque à elle seule les besoins en chaleur

Les régulations des deux générateurs de chaleur permettent de surveiller l'installation à distance et de documenter les données de fonctionnement et les temps de marche. Environ dix mois après la modernisation, les données d'exploitation ont montré que la chaudière à charge partielle ne démarrait qu'occasionnellement et qu'en été, elle ne fonctionnait que pour la production d'eau chaude sanitaire. En revanche, la petite centrale de cogénération installée dépasse largement le kilométrage prévu : la planification était basée sur une durée de fonctionnement annuelle de 7000 h/a. En réalité, le moteur tourne plus de 23 h/j, ce qui correspond à un taux d'utilisation de plus de 96 % et, par extrapolation, à une puissance annuelle d'au moins 8400 h/a.
En revanche, le taux d'utilisation de la chaudière de 120 kW en charge de pointe n'est que de 1,4%. Cette valeur est certes basée sur des données de fonctionnement pour les mois d'été (production d'eau chaude sanitaire). Mais si l'on considère le fonctionnement sur toute l'année, on peut en déduire que les périodes de fonctionnement de la chaudière de pointe et de la centrale de cogénération sont proportionnelles : "Grâce au chargement et au déchargement des réservoirs tampons selon le principe des deux zones, la charge thermique est d'abord entièrement répercutée sur la centrale de cogénération avant que la chaudière de pointe ne se mette en marche", explique Hans-Georg Baunach, responsable de la conception de l'hydraulique de l'installation (photo 3).

Tableau de construction de la maison d'hôtes Marienstraße

objet :

• Maison d'hôtes Marienstraße, 45307 Essen

Opérateur :

• Centre de formation professionnelle Kolping à Essen
• Société à responsabilité limitée d'utilité publique
• www.kbbw-gaestehaus.de

système de chauffage :

• Centrale de cogénération : ecopower, 12,5 kWth / 4,7 kWel
• Chaudière gaz à condensation : Vaillant ecocraft 120 6/3, 120 kW
• 2 réservoirs d'accumulation de 500 l chacun
• Ballon d'eau chaude sanitaire : Vaillant actostore, 500 l, avec système de charge par stratification

Planification hydraulique et distributeur mélangeur multivoies :

• HG Baunach GmbH & Co. KG
• 41836 Hückelhoven
• www.baunach.net

Chargement et déchargement en deux zones

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  Figure 3 : Le rendeMIX connecté entre la centrale de cogénération et le réservoir tampon provoque le chargement du tampon selon le principe des deux zones et assure en même temps l'élévation du retour vers la centrale de cogénération.

  L'utilisation de trois raccordements de tampon permet de diviser le réservoir en deux zones. La zone supérieure du ballon tampon est d'abord chargée via le distributeur mélangeur multivoies entre la centrale de cogénération et le ballon tampon (figure 4). Ce n'est que lorsque la zone supérieure est entièrement chargée que la partie inférieure est intégrée dans le processus de charge. Ainsi, la température utile est disponible plus rapidement en haut et la zone inférieure reste froide plus longtemps.

• Cette charge à deux zones agit comme une augmentation du retour pour le générateur de chaleur qui est utilisé pour couvrir la charge de base. Le retour vers le générateur de chaleur est alors alimenté soit par le mélange de départ chaud du générateur de chaleur et d'eau chaude de la zone tampon centrale (phase I), soit par un mélange d'eau chaude de la zone tampon centrale et d'eau de chauffage froide de la partie inférieure du réservoir tampon (phase II).
• Dans le cas de la décharge à deux zones, le circuit de mélange de la distribution de chaleur est alimenté soit par un mélange d'eau chaude de la zone tampon centrale et d'eau froide du retour du circuit de mélange (phase I), soit par un mélange d'eau chaude du raccordement tampon supérieur et d'eau chaude du raccordement tampon central (phase II).

Principe de l'utilisation du retour

• Si le retour du système de charge stratifiée à eau chaude (85/60 °C) présente un excédent de chaleur de chauffage, le circuit de chauffage de l'aérotherme mixte est alimenté avec le niveau de température disponible. De la même manière, le retour du circuit de chauffage de l'aérotherme (80/60 °C) est également utilisé pour le circuit de chauffage des radiateurs (70/50 °C). Selon le cas de charge, la chaleur de chauffage du retour mixte du réchauffeur d'air est utilisée directement pour le circuit de chauffage mixte des radiateurs ou mélangée à celui-ci via les collecteurs de mélange à plusieurs voies. Ce n'est que lorsque l'énergie thermique du retour ne suffit plus à couvrir les besoins en chaleur que les distributeurs de mélange accèdent aux réservoirs tampons.
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  Figure 4 : Les collecteurs mélangeurs multi-voies rendeMIX sont commandés par les régulations standard des générateurs de chaleur.

  La température de retour la plus basse de la distribution de chaleur est fournie par le circuit de chauffage des radiateurs (50° C dans l'état de conception). Celui-ci est alimenté dans une troisième chambre de retour séparée du distributeur de chauffage et retourne ainsi séparément et sans mélange dans la zone inférieure du réservoir tampon.

• Les collecteurs de mélange à plusieurs voies disposent d'aiguillages internes. Ces aiguillages permettent de compenser automatiquement les différents débits d'eau des circuits de chauffage montés en série.
• Le distributeur à trois chambres spécialement conçu fait partie du programme de HG Baunach et est fabriqué par Magra.
• Tous les entraînements de mélangeurs sont commandés par des régulateurs standard avec un signal trois points de 230 V en fonction de la température (figure 5).

Image 5 : Les collecteurs de mélange rendeMIX à plusieurs voies répartissent la chaleur de chauffage et alimentent les circuits de chauffage mélangés avec leurs températures de système respectives. Les températures de retour élevées sont utilisées pour les circuits de chauffage dont la température système est respectivement plus basse. En combinaison avec le collecteur à trois chambres, des températures de retour basses sont mises à disposition pour la centrale de cogénération et la chaudière à condensation.

Résumé

Pour les circuits de chauffage, un grand volume tampon à température utile élevée est disponible en permanence grâce à la charge et à la décharge en deux zones. L'utilisation du retour permet d'obtenir des températures de retour basses et donc de longues durées de fonctionnement du module de cogénération. En complément, il faut encore mentionner que la régulation de la centrale de cogénération et celle de la chaudière à condensation ne sont pas verrouillées l'une par rapport à l'autre. Cette "liberté" de régulation est la conséquence de la stratification qui se règle par paliers dans le tampon : cela permet de définir la priorité des générateurs de chaleur de manière simple, mais précise, par la position des sondes correspondantes.
La régulation de la chaudière gaz à condensation surveille dans la zone supérieure du ballon tampon la température minimale réglée pour la production d'eau chaude sanitaire. Mais tant que la centrale de cogénération fournit suffisamment de chaleur, cette température minimale n'est jamais dépassée vers le bas. Par conséquent, le fonctionnement de la chaudière est marginal par rapport à la durée de fonctionnement de la centrale de cogénération : Les données d'exploitation montrent par exemple qu'au mois de juin, sur une période de 210 heures, la chaudière à condensation n'a dû remplir sa fonction de chaudière de pointe pour le chauffage de l'eau potable que pendant 3 heures. En hiver également, les temps de fonctionnement de la centrale de cogénération restent constants malgré le fonctionnement de la chaudière à dix fois sa puissance. Malgré l'optimisation de l'hydraulique de l'installation, de la gestion des tampons et de l'utilisation des retours, les coûts de régulation ont pu être réduits au minimum. La commande des servomoteurs pour les collecteurs de mélange rendeMIX s'effectue via les régulations qui sont des composants standard des générateurs de chaleur utilisés.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT rendeMIX

Le corps de vanne du distributeur de mélange multi-voies rendeMIX ne relie que deux de ses trois entrées à la seule sortie (A), de sorte que soit du liquide chaud (E₁) avec de l'eau chaude (E₂) ou le chaud avec le froid (E₃) est mélangée à de l'eau. De cette manière, la plus grande partie possible de l'eau chaude disponible est utilisée et seule une petite quantité d'eau chaude ou froide est mélangée. La température disponible dans le réseau d'eau de chauffage est ainsi exploitée au maximum et la température de retour vers le générateur de chaleur diminue simultanément. Le servomoteur peut être commandé par n'importe quel régulateur en fonction de la température extérieure (signal trois points 230 V) parmi les accessoires de la chaudière. En alternative, un servomoteur avec régulateur à valeur fixe intégré est disponible.

Wolfgang Heinl écrit en tant que journaliste spécialisé pour le secteur SHK,

88239 Wangen im Allgäu,

wolfgang.heinl@t-online.de

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