Il n'y a pas que le volume de stockage qui compte
Etude sur une installation de chauffage existante avec réservoir tampon :
Plus de capacité tampon avec le chargement et le déchargement en deux zones
L'Institut pour les systèmes énergétiques et du bâtiment de l'université de Biberach a étudié, en collaboration avec le fabricant HG Baunach, comment optimiser la capacité de stockage effective d'une installation de chauffage existante avec réservoir tampon. L'étude a porté sur une installation de chauffage dans un immeuble de six appartements, dont le propriétaire est un entrepreneur en chauffage et climatisation. L'étude a porté sur l'impact du chargement et du déchargement sur la quantité de chaleur utilisable. Il en résulte une capacité de stockage nettement plus élevée après le passage du réservoir tampon à un chargement et déchargement en deux zones.
Photo 1 : Günther Muck, entrepreneur en SHK, dans la chaufferie de sa maison de six appartements en location. Après le passage à la charge et à la décharge en deux zones du réservoir tampon, la centrale de cogénération fonctionne jusqu'à une température extérieure de -10 °C comme générateur de chaleur monovalent.
Dans les systèmes de chauffage, les réservoirs tampons ont pour fonction d'absorber la chaleur, de la stocker avec le moins de pertes possible et de la restituer aux consommateurs au niveau de température requis. Il est judicieux de stocker temporairement la chaleur de chauffage,
- lorsque l'offre et la demande de chaleur sont décalées dans le temps,
- afin de réduire au maximum les cycles de commutation des générateurs de chaleur tels que les centrales de cogénération, les chaudières à biomasse ou les pompes à chaleur,
- pour utiliser de manière optimale l'énergie thermique produite par des installations solaires thermiques ou par l'exploitation d'installations de cogénération.
Toutefois, en cas d'enclenchements et de déclenchements fréquents ou de sous-utilisation de la chaleur solaire, la cause n'est généralement pas la taille du réservoir tampon, mais la quantité de chaleur utilisable à partir de celui-ci.
Le tampon n'accumule pas assez de chaleur
C'est ce qu'a supposé Günther Muck, entrepreneur dans le domaine du chauffage et de la climatisation, lorsqu'il a assisté à une conférence sur l'optimisation hydraulique des systèmes de chauffage organisée par la société HG Baunach dans le cadre de la corporation du chauffage et de la climatisation à Schweinfurt. Son immeuble locatif situé à Dittelbrunn-Hambach, au nord de Schweinfurt, est chauffé par une mini-centrale de cogénération (photo 1). Il s'agit de chauffer six appartements de location ainsi que des entrepôts qui font partie de son entreprise de chauffage et de climatisation.
Figure 2 : Les cycles de commutation courts du générateur de chaleur avant le passage à la charge et décharge à deux zones (à gauche) laissent supposer une faible capacité de stockage effective du tampon. Après le changement, il n'y a plus qu'un seul démarrage de cogénération par jour (à droite).
Un réservoir tampon d'une capacité de 1000 l est intégré en tant qu'aiguillage hydraulique entre les générateurs de chaleur et la distribution de chaleur. Pour le bâtiment construit en 1996, Günther Muck avait calculé un besoin en chaleur de chauffage (à l'époque encore selon la norme DIN 4701) de 18,1 kW. Le site Centrale de cogénération Senertec fournit 12,5 kWthUne chaudière à gaz à condensation a également été installée pour couvrir les charges de pointe. Les consommateurs de chaleur dans le bâtiment sont des radiateurs avec une conception de 70/50 °C. Comme d'habitude, l'intégration du tampon a été réalisée de telle sorte que le départ est raccordé en haut et le retour en bas. Günther Muck n'était cependant pas vraiment satisfait du fonctionnement de l'installation jusqu'à présent, car la centrale de cogénération avait jusqu'à cinq démarrages/arrêts par 24 heures (image 2).
Lors de la conférence organisée à Schweinfurt, il a appris en discutant avec Hans-Georg Baunach que ce dernier était justement à la recherche d'installations existantes pouvant servir de cobayes pour les mélangeurs multidirectionnels "rendeMIX". Dans le cadre d'une coopération entre HG Baunach et l'Institut des systèmes énergétiques et du bâtiment de l'université de Biberach, Baunach a alors lancé une étude sur l'installation de stockage tampon. L'objectif était de parvenir à une utilisation plus efficace du volume de stockage et d'optimiser ainsi les temps de fonctionnement de la centrale de cogénération.
Une installation de chauffage comme laboratoire d'essai
Figure 3 : Les graphiques montrent la répartition des températures dans un réservoir idéalement mélangé (à gauche), idéalement stratifié (à droite) et linéairement stratifié (à gauche). Dans l'approche théorique, le mode de fonctionnement réel se laisse le mieux décrire par le modèle de l'accumulateur linéairement stratifié.
À l'université de Biberach, Christian Dietrich, futur ingénieur en climatisation des bâtiments, s'est penché sur le thème de l'intégration optimisée des ballons tampons dans les systèmes hydrauliques dans le cadre de son mémoire de fin d'études. Une première approche pour l'étude de l'efficacité du stockage a été de déterminer combien de kWh de chaleur pourraient être stockés dans les 1000 litres de volume tampon dans le cas idéal et quelle serait la quantité réellement utilisable. Dans des conditions idéales, le volume de stockage permettrait d'obtenir une capacité de stockage théorique de 47 kWh avec une température de départ de la centrale de cogénération de 90 °C et une température de retour du circuit de chauffage de 50 °C. Cependant, les cycles de commutation de la centrale de cogénération dans l'immeuble de Günther Muck ne correspondaient pas à ces considérations théoriques (figure 3). Cela indiquait que la capacité de stockage effective - l'énergie thermique effectivement disponible par rapport au contenu du réservoir tampon - devait être nettement réduite. Pour le déterminer, l'installation de chauffage du propriétaire de la maison a été transformée en laboratoire d'essai pendant quelques mois : les mélangeurs à trois voies existants ont été remplacés par des collecteurs de mélange à plusieurs voies. Des sondes de température et des débitmètres volumétriques ont été placés sur le ballon et les tuyauteries.
Le diagramme d'efficacité de la mémoire met en lumière les faiblesses
Figure 4 : La chaufferie comme laboratoire d'essai : pendant l'étude en cours du fonctionnement de l'installation avec deux méthodes différentes de chargement des tampons, les données de mesure ont été saisies en permanence et transmises par télétransmission à l'université de Biberach pour évaluation.
Pour une première phase d'essai, les distributeurs de mélange "rendeMIX" ont d'abord été réglés de manière à ce que le processus de chargement et de déchargement corresponde à l'ancien circuit par mélangeur à trois voies. De mi-octobre 2007 à mi-février 2008, un PC installé dans la chaufferie a enregistré les données de mesure afin d'étudier le comportement de chargement et de déchargement (figures 4a + 4b). Selon les observations de Günther Muck, presque toutes les conditions météorologiques typiques d'une période de chauffage ont régné pendant cette période.
Les données de mesure ont été transmises par télétransmission à l'université de Biberach, où elles ont été analysées par Christian Dietrich. Le diplômé s'est ainsi penché sur l'efficacité réelle du stockage. Pour ce faire, Dietrich a développé une forme de représentation graphique appelée diagramme d'efficacité du stockage. La hauteur de l'accumulateur y est représentée sur l'axe vertical Y et la température horizontalement sur l'axe X. Plusieurs sondes de température ont été positionnées sur la hauteur du ballon tampon (figure 5). Les coordonnées de la température et de la hauteur du ballon permettent de représenter la capacité de stockage sous forme de surface dans le diagramme d'efficacité du ballon (figure 6).
Figure 5 : Pour l'étude de l'efficacité du réservoir, plusieurs sondes de température ont été placées sur le réservoir tampon de 1000 l, réparties sur la hauteur du réservoir.
Résultat : en cas de déchargement conventionnel, la capacité de stockage effective était d'environ 17 kWh, soit 2,7 fois moins que la capacité de stockage théoriquement utilisable de 47 kWh.
Obtenir plus de chaleur avec le même contenu de tampon
Figure 6 : La comparaison avant/après montre la capacité de stockage effective respective du réservoir tampon en cas d'intégration conventionnelle (à gauche) ainsi qu'après le passage à la charge et à la décharge en deux zones (à droite).
Figure 7 : Le diagramme d'efficacité du réservoir spécialement développé par le diplômé Christian Dietrich représente la quantité de chaleur effectivement utilisable dans le réservoir tampon en fonction de la hauteur du réservoir.
L'étape suivante de l'étude a consisté à examiner les paramètres qui influencent la capacité de stockage effectivement utilisable. Le chargement et le déchargement réels, tels qu'ils sont représentés dans la figure 7 (graphique de l'accumulateur à droite), entraînent inévitablement un mélange dans l'accumulateur tampon, ce qui limite considérablement la quantité de chaleur effectivement utilisable. Dans l'installation existante, ce type de chargement et de déchargement du tampon avait régulièrement détruit la stratification. Le mélange pendant le chargement et le déchargement a donc pour effet d'augmenter la température dans la partie inférieure de l'accumulateur et de la faire baisser dans la partie supérieure. On peut en déduire que l'efficacité d'un tampon hydraulique dépend en grande partie de la répartition de la température dans le réservoir tampon. L'efficacité du réservoir est influencée par
- la température de départ du générateur de chaleur, qui doit être la plus élevée possible,
- la température de retour du circuit d'utilisation, qui doit être la plus basse possible,
- ainsi que des conditions et des vitesses d'écoulement à l'entrée du réservoir tampon.
Chargement et déchargement répartis sur deux zones
Figure 8 : Pour le chargement et le déchargement à deux zones du réservoir tampon, les mélangeurs à trois voies existants ont été remplacés par des distributeurs mélangeurs à voies multiples de type rendeMIX 3×4.
Au lieu de mélangeurs à trois voies, un mélangeur à plusieurs voies est intégré dans le circuit du générateur de chaleur et dans le circuit du consommateur. Pour la suite de l'essai, la stratégie de charge a été modifiée pour passer au mode de fonctionnement "charge et décharge à deux zones". Pour ce faire, les mélangeurs multivoies déjà installés ont été modifiés par le remplacement des servomoteurs, de sorte que, selon la valeur de consigne, l'eau chaude n'est pas mélangée à l'eau froide, mais à l'eau chaude ou à l'eau chaude et à l'eau froide. Cela modifie le comportement de chargement et de déchargement du réservoir tampon : lors du chargement, la zone tampon supérieure (chaude) est chargée en premier, ce qui la réchauffe plus rapidement. La zone inférieure reste froide plus longtemps. En cas de déchargement, la chaleur est d'abord prélevée dans la zone tampon inférieure par le biais du raccord central ( !) du ballon, qui se refroidit ainsi plus rapidement. La zone tampon supérieure reste ainsi plus longtemps à un niveau de température élevé.
Les vannes mélangeuses multivoies (figure 8) sont alors commandées par un signal trois points (230 V), comme les vannes mélangeuses trois voies utilisées auparavant. Alors qu'en cas de déchargement, la température de départ du circuit de chauffage suit une courbe de chauffage en fonction de la température extérieure, en cas de chargement, la température de retour vers le générateur de chaleur est réglée sur une valeur de consigne fixe. La charge à deux zones remplace ainsi également une augmentation du retour qui serait autrement nécessaire.
Au cours de l'étude menée, il est également apparu clairement que le positionnement des sondes de température sur le ballon de stockage avait une influence considérable sur l'efficacité du stockage. La centrale de cogénération Senertec présente dans l'installation dispose de deux sondes de température séparées, qui doivent être placées à des hauteurs différentes sur le tampon. Lorsque la valeur de consigne de la sonde supérieure n'est pas atteinte, le groupe démarre. Si la valeur de consigne de la sonde inférieure n'est pas atteinte, la machine s'arrête. Comme l'ont montré les évaluations de Christian Dietrich, la capacité de stockage effective a augmenté d'environ 60 %, passant de 17 kWh à 27,4 kWh, grâce au chargement et au déchargement en deux zones. Si, en plus, la sonde inférieure de l'accumulateur était déplacée encore plus bas, il serait possible, dans le cas présent, d'augmenter encore l'efficacité de la mémoire tampon utilisable d'environ 30 à 50 %.
Principe des deux zones applicable à tout système hydraulique
Figures 9 + 10 : Si, lors de la décharge à deux zones d'un ballon tampon, la température au centre du ballon est supérieure à la température de départ de l'utilisateur, l'eau est prélevée au niveau du raccordement central du ballon tampon, puis mélangée à l'eau de retour de l'utilisateur pour atteindre le niveau de température souhaité. Si la température au niveau du raccord central du ballon descend en dessous de la température de départ pendant le déchargement, la température est augmentée en ajoutant de l'eau plus chaude provenant de la zone supérieure du ballon. La partie inférieure de l'accumulateur peut ainsi être presque entièrement déchargée à la température de retour.
Günther Muck, entrepreneur en chauffage et climatisation et propriétaire de la maison, a pu constater les effets de la capacité de stockage accrue sur les cycles de commutation de la mini-centrale de cogénération : depuis le passage à la charge et à la décharge en deux zones (image 9), le groupe ne démarre plus qu'une fois par jour, ce qui est toutefois dû à un arrêt forcé du moteur toutes les 24 heures. D'après ses observations, la centrale de cogénération fonctionne désormais en grande partie comme un générateur de chaleur monovalent. La chaudière à gaz à condensation utilisée pour la charge de pointe ne s'enclenche qu'à partir d'une température extérieure d'environ -10 °C ; en janvier 2009, elle n'a fonctionné que pendant quatre jours. Le changement de mode de fonctionnement du réservoir tampon a également eu des effets positifs sur l'état énergétique du bâtiment : Entre-temps, Günther Muck a fait établir un certificat énergétique pour l'immeuble de six appartements, qui atteste d'une nette amélioration de l'efficacité énergétique du bâtiment.
L'installation de chauffage étudiée, qui comprend une centrale de cogénération, une chaudière gaz à condensation et un circuit de chauffage par radiateurs, n'est toutefois qu'un exemple des possibilités d'application du principe des deux zones. Il est par exemple possible d'obtenir des températures de retour encore plus basses pour les systèmes de chauffage par rayonnement dans la surface, car la température de retour la plus basse du circuit de prélèvement de chaleur arrive au retour du générateur de chaleur et n'est pas mélangée en route avec de l'eau de retour plus chaude. La charge et la décharge en deux zones peuvent également être appliquées à tout autre système hydraulique fonctionnant avec un réservoir tampon, par exemple l'intégration d'énergies renouvelables ou d'installations frigorifiques.
Notre auteur, le professeur Alexander Floß, s'est mis à son compte en 1995 avec un bureau de planification TGA qui se consacre aujourd'hui aux domaines de l'expertise, du conseil et du développement de produits. Depuis 1999, il s'occupe des domaines des systèmes énergétiques thermiques et de la planification des installations de la filière "Climatique du bâtiment et systèmes énergétiques" à l'université de Biberach. Floß y dirige également l'Institut pour les systèmes de construction et d'énergie, téléphone (0 73 51) 58 22 56, e-mail floss@hochschule-bc.de.
Notre auteur, Wolfgang Heinl, est journaliste spécialisé indépendant et gestionnaire de relations publiques. Il dirige un bureau de rédaction spécialisé dans le secteur SHK et la technique du bâtiment, 88239 Wangen, tél. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
Téléchargez l'article spécialisé au format PDF
