La chaleur est utilisée plusieurs fois au lieu d'être simplement brûlée
Modernisation du chauffage du point de vue hydraulique : utilisation progressive du retour dans la distribution de chaleur et chargement et déchargement en deux zones pour le réservoir tampon
L'approche principale pour l'optimisation énergétique de l'installation de chauffage de la succursale du grossiste spécialisé en sanitaire et en chauffage Richter + Frenzel à Schweinfurt se situait au niveau de l'hydraulique de l'installation. L'installation existante présentait des excédents de chaleur qui pouvaient encore être utilisés judicieusement ailleurs. La question était toutefois de savoir comment les flux massiques d'eau de chauffage devaient y parvenir. L'optimisation de l'hydraulique de l'installation a été obtenue grâce à l'interaction de vannes de mélange à plusieurs voies et d'un distributeur spécial avec chambre de retour supplémentaire. Les excédents de chaleur disponibles peuvent ainsi être utilisés progressivement. En même temps, cela a permis de trouver une stratégie de chargement plus efficace pour le réservoir tampon existant, et les générateurs de chaleur fonctionnent en continu en mode condensation.
Fig. 1 : Pour la distribution de chaleur des circuits de chauffage, les vannes mélangeuses multivoies de HG Baunach Gmbh & Co. KG avec un nouveau distributeur à trois chambres de Magra est utilisé. L'ordre des départs du collecteur dépend alors de la chute de température dans le retour dans le sens de l'écoulement vers la chaudière.
La combinaison de systèmes à haute et basse température dans une installation de chauffage n'est plus une exception depuis longtemps, pas plus que la production de chaleur bivalente par cogénération et chaudière à condensation. La tâche consistant à garantir les températures de système requises dans la distribution de chaleur et à fournir aux générateurs de chaleur les basses températures de retour nécessaires s'avère toutefois un peu plus exigeante. L'optimisation énergétique était l'objectif prioritaire de la modernisation de l'installation de chauffage de la succursale du grossiste spécialisé en sanitaire et en chauffage Richter + Frenzel à Schweinfurt. La chaudière à gaz a certes été remplacée par une nouvelle chaudière à condensation, mais les mesures de modernisation se sont surtout concentrées sur l'hydraulique de l'installation. Depuis la remise en service début novembre 2006, la centrale de cogénération fonctionne en continu et la chaudière à condensation rejette continuellement des condensats. Dans toute l'installation, les températures du système sont définies, et ce avec un minimum d'efforts techniques de régulation.
Focus sur la condensation et la cogénération
Fig. 2 : La charge thermique de base est assurée par une centrale de cogénération Dachs de Senertec qui fonctionne sur le réservoir tampon (au centre, à l'arrière). Le chauffage d'appoint est assuré par une chaudière centrale à gaz à condensation de 130 kW de Technique de chauffage Wolf.
Rétrospective de la situation : La succursale de Richter + Frenzel a été construite en 1984 et comprend une exposition de salles de bains, un entrepôt de marchandises et de retrait ainsi qu'une aile de bureaux. Le système de chauffage doit alimenter trois circuits à haute température et deux circuits à basse température : l'entrepôt de marchandises et de retrait, d'une surface de 900 m² à chauffer, est chauffé avec VL/RL 75/50 °C par des aérothermes, tout comme les convecteurs encastrés dans le sol de l'exposition de salles de bains et la production d'eau chaude de l'oasis de salles de bains, qui est assurée par un échangeur de chaleur à plaques. Le chauffage par le sol de l'exposition de salles de bains de 600 m² et le chauffage par le sol de 200 m² de bureaux ont été conçus comme des systèmes à basse température (40/30 °C). Une centrale de cogénération Dachs de Senertec d'une puissance de 15 kWth a été ajouté ultérieurement pour augmenter le retour de la chaudière à gaz existante. Avec 210 kW, celle-ci était toutefois surdimensionnée. Dans le cadre de la modernisation récemment achevée, elle a été remplacée par une chaudière gaz à condensation de Wolf Heiztechnik de type MGK de 130 kW qui, grâce à sa grande plage de modulation, prend en charge le chauffage d'appoint et renforce ainsi la production combinée de chaleur et d'électricité si nécessaire. La chaudière centrale murale, présentée comme nouveauté seulement à l'IFH 2006, passe par toute porte normalisée grâce à ses dimensions compactes (L x H x P = 1350x 1300 x 600 mm) et a donc pu être installée sans problème dans la chaufferie existante. La chaleur produite par la centrale de cogénération est stockée dans un réservoir tampon de 1000 litres. L'énergie électrique ainsi produite (environ 5 kWel) alimente les éclairages extérieurs du bâtiment ainsi que tous les consommateurs en mode veille.
Utilisation du retour vers les plages de basse température
La tâche de planification consistait d'une part à maximiser la durée de fonctionnement de la petite centrale de cogénération existante et, d'autre part, à s'assurer que la nouvelle chaudière gaz à condensation utilise effectivement la valeur calorifique des gaz de combustion. Pour ce faire, le principe de l'utilisation du retour devrait être mis en œuvre du côté de la distribution de chaleur : 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 disponible doit d'abord être utilisée à cet effet avant d'avoir recours au départ. Pour la planification de la modernisation, les données de puissance et les débits massiques de l'existant ont d'abord été enregistrés. Le calcul de l'installation qui en a résulté a montré qu'il y avait encore un grand excédent de chaleur de chauffage provenant du retour des circuits haute température, qui ne pouvait pas être utilisé efficacement dans les circuits basse température. De plus, les températures de retour étaient de ce fait trop élevées, tant pour la centrale de cogénération que pour la chaudière à condensation prévue. "Dans ces conditions, il n'était pas possible d'obtenir un étalement efficace dans le réservoir tampon afin de pouvoir utiliser au maximum le volume du tampon. De même, l'hydraulique existante ne permettait pas d'obtenir des températures de retour basses et donc une utilisation efficace de la condensation - le mélange des retours des circuits haute et basse température aurait donné une eau de chauffage tiède", rapporte Hans-Georg Baunach, qui a conçu l'optimisation hydraulique de l'installation avec les vannes mélangeuses multivoies qu'il a développées et un nouveau distributeur à trois chambres construit par Magra.
Fig. 3 : Wolfgang Mika, directeur des ventes de Richter + Frenzel à Schweinfurt, estime que l'optimisation de l'hydraulique de l'installation permettra de réaliser d'importantes économies sur les coûts énergétiques.
Mélangeurs multivoies et distributeurs à trois chambres
Fig. 4 : Le rendeMIX entre la centrale de cogénération et le réservoir tampon a pour effet de charger le réservoir selon le principe des deux zones.
Pour le système hydraulique de l'installation de chauffage existante chez Richter + Frenzel à Schweinfurt, il s'agissait de mettre en œuvre deux principes de fonctionnement :
- Utilisation du retour en deux étapes : L'excédent de chaleur des circuits de chauffage à température élevée (75/50 °C) doit être utilisé pour les circuits de chauffage à basse température (40/30 °C) en amenant le retour directement au circuit de chauffage BT correspondant via une vanne mélangeuse multivoies et via le distributeur ou le collecteur. Par exemple, la température de retour des aérothermes dans le hall ainsi que des convecteurs sous plancher dans l'exposition de salles de bains suffit à alimenter les chauffages au sol de l'exposition et des bureaux côté départ. Les retours de ces circuits à basse température devaient à leur tour être acheminés séparément vers la partie inférieure du réservoir de stockage. L'objectif était d'éviter qu'ils ne se mélangent avec l'excédent inutilisé des circuits haute température.
- Un étalement défini de la température et des températures de retour basses : dans le réservoir tampon existant, qui, d'après les calculs de Hans-Georg Baunach, est plutôt juste avec ses 1000 l, un étalement aussi élevé que possible devrait être atteint. Les circuits de chauffage à haute température doivent ainsi disposer en permanence d'un volume tampon aussi grand que possible avec une température utile. L'utilisation du retour mentionnée précédemment permet d'obtenir des températures de retour basses afin d'obtenir des durées de fonctionnement aussi longues que possible pour la centrale de cogénération.
Pour mélanger et dévier les flux d'eau de chauffage en fonction des besoins et de l'offre de chaleur, on a utilisé les vannes mélangeuses multivoies "rendeMIX" de HG Baunach GmbH & Co. KG ont été utilisées. Les mélangeurs se présentent sous la forme de blocs d'installation compacts avec des coques isolantes, dans lesquelles des robinets d'arrêt à boisseau sphérique et des thermomètres sont déjà intégrés en usine. La principale différence du mélangeur multivoies "rendeMIX 3×2 VL 5" développé par HG Baunach par rapport aux mélangeurs conventionnels à trois et quatre voies réside dans le fait qu'il présente trois raccords vers le distributeur :
- deux entrées d'alimentation pour l'eau chaude et l'eau tiède,
- une sortie de retour pour l'eau froide.
L'entrée d'eau chaude est reliée à la chambre de départ du distributeur, l'entrée d'eau chaude à la chambre centrale du distributeur. La chambre centrale est alimentée en aval par les retours encore chauds des circuits haute température, ce qui correspond au principe d'utilisation des retours. Les retours des circuits à basse température sont toutefois injectés dans une troisième chambre de retour séparée. Ainsi, l'excédent de retour chaud est acheminé séparément et sans mélange vers le tampon, ce qui correspond au principe de la décharge à deux zones. Le collecteur à trois chambres fait partie du programme de HG Baunach et est fabriqué par Magra.
Les trois chambres du répartiteur de chauffage communiquent avec deux zones du réservoir d'accumulation :
- La rampe de distribution de départ reçoit de l'eau de chauffage du niveau de température supérieur, qui est réchauffée en cas de besoin par la chaudière à condensation intercalée.
- La chambre de distribution centrale agit certes en premier lieu comme retour, mais fonctionne également en sens inverse et est raccordée à mi-hauteur au réservoir tampon. Lorsque le tampon est entièrement chargé, la température de l'eau de chauffage disponible peut ainsi être utilisée à partir du niveau central. Le prélèvement dans la zone centrale du ballon présente l'avantage de pouvoir conserver une réserve suffisante dans la zone supérieure. Les vannes mélangeuses multivoies des circuits haute température sont raccordées à la barre de distribution centrale par un raccord de départ et un raccord de retour. En fonction de la température du tampon et des besoins en chauffage, ces circuits reçoivent donc soit de l'eau de chauffage du réservoir, soit les circuits de chauffage réinjectent la température de retour "non consommée" dans les circuits de chauffage par le sol ou dans le tampon.
- Seuls les retours à basse température des chauffages au sol de l'exposition et de l'aile des bureaux sont acheminés vers la troisième chambre de distribution. Ce deuxième niveau d'utilisation des retours va au niveau inférieur du réservoir tampon, soutient ainsi l'étalement prévu et assure en outre l'utilisation de la condensation.
La centrale de cogénération fonctionne 24 heures sur 24
Le retour de la troisième chambre de distribution passe en outre par un échangeur de chaleur de gaz d'échappement, qui a été ajouté à la centrale de cogénération lors de la modernisation de l'installation. Cela augmente le rendement thermique du gaz brûlé et donc le rendement global de l'installation. La chaudière à condensation n'alimente directement le circuit aller menant au collecteur qu'après le réservoir tampon, afin que seule la cogénération chauffe le contenu du réservoir. Avec une plage de modulation de 19 à 100 % ou de 24 à 126 kW (en mode condensation), la chaudière à condensation remplit parfaitement sa mission de chauffage d'appoint. L'objectif de planification de l'utilisation optimisée de la condensation est donc également rempli, comme le confirme Wolfgang Mika, directeur des ventes de R + F, lors d'une visite sur place pour IKZ-HAUSTECHNIK : "Le fait que la chaudière à condensation fonctionne effectivement dans la plage de condensation se voit au fait que l'installation de relevage des condensats a pompé plusieurs fois en une demi-heure". Dans la plage 40/30 °C, la chaudière à condensation atteint un rendement normalisé de 108 %.
Le principe des deux zones optimise l'approvisionnement en chaleur et l'utilisation de l'énergie
Fig. 5 : Le système de chauffage de la succursale du grossiste spécialisé en sanitaire et en chauffage Richter + Frenzel à Schweinfurt a été optimisé sur le plan énergétique. Le point de départ principal était l'hydraulique de l'installation.
Après la modernisation, Hans-Georg Baunach qualifie l'installation d'"adaptée à la valeur de combustion". Du point de vue de la régulation, le système optimisé sur le plan énergétique semble simple. La commande des servomoteurs pour les vannes mélangeuses s'effectue de manière simple par le biais de régulations conventionnelles en fonction de la température extérieure (signal trois points 230 V), disponibles dans les accessoires pour chaudières Wolf. Les raccordements aux aérothermes dans les halls ont été équipés de vannes thermostatiques et de sondes à distance qui régulent le débit en fonction de la température de l'air et du fonctionnement des ventilateurs. Pour les convecteurs sous plancher de l'exposition de salles de bains, des vannes RTL ont été installées côté retour afin de limiter la température de retour à une valeur raisonnable vers le haut pour les chauffages au sol. La régulation de la centrale de cogénération a en outre été complétée par un circuit de relais afin de prolonger considérablement les cadences en cas de faible charge de chauffage et d'utiliser pleinement le volume tampon. Deux interrupteurs thermostatiques se trouvent à cet effet à des hauteurs différentes sur le réservoir tampon, ce qui assure une forte stratification. Un autre mélangeur multidirectionnel rendeMIX est utilisé comme lien entre la centrale de cogénération et le réservoir tampon. Avec un régulateur à valeur fixe intégré, il fait office d'augmentation du retour pour la centrale de cogénération. Celui-ci relie les trois points d'alimentation du tampon à la centrale de chauffage Dachs et assure ainsi un chargement par stratification. Le "principe des deux zones" a ainsi été appliqué aussi bien dans le circuit de la chaudière qu'entre le tampon et le distributeur, grâce aux vannes de mélange de HG Baunach. "On obtient ainsi que l'étalement dans le tampon soit toujours maintenu aussi haut que possible. 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. Ce principe est particulièrement avantageux pour l'utilisation de la chaleur solaire", explique Baunach. Dans un dispositif expérimental installé à la chambre des métiers d'Arnsberg, des mesures ont permis de déterminer qu'un réservoir tampon peut fournir jusqu'à 35 % d'énergie thermique en plus lorsqu'il est déchargé selon le "principe des deux zones". "Dans notre installation de chauffage, il y a un écart de température défini après la modernisation, et en même temps, il y a une réserve suffisante de chaleur en attente. La centrale de cogénération ne s'est pas arrêtée une seule minute depuis sa remise en service et les deux générateurs de chaleur fonctionnent en permanence dans la zone de condensation. L'optimisation de l'hydraulique de l'installation a permis d'obtenir une utilisation optimale de la condensation et un approvisionnement en chaleur efficace", résume le directeur des ventes de R+F, Wolfgang Mika.
Principe de fonctionnement du mélangeur multivoies
Le corps de régulation du rendeMIX ne relie que deux de ses trois entrées à l'unique sortie, de sorte que l'eau chaude est mélangée à l'eau chaude ou l'eau chaude à l'eau froide. 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. Le servomoteur peut être commandé par n'importe quel régulateur en fonction de la température extérieure (230 V, signal trois points) parmi les accessoires de la chaudière. En alternative, un servomoteur avec régulateur à valeur fixe intégré est disponible.
Dans la Chauffage-hydraulique un énorme flux de Potentiel d'économies
Expérience d'un an après l'optimisation hydraulique : les valeurs de consommation prouvent une forte réduction des coûts énergétiques
Fig. 6 : "La centrale de cogénération fonctionne sans interruption depuis l'optimisation hydraulique de l'installation", rapporte Norbert Rösner, du service technique des ventes internes chez Richter + Frenzel à Schweinfurt. Un effet d'économie supplémentaire a pu être obtenu grâce à la réduction de la consommation d'électricité des pompes.
Il y a un an, dans le numéro 5/2007, nous avions évoqué l'optimisation énergétique de l'installation de chauffage de la succursale de l'entreprise de commerce de gros spécialisée en sanitaire et en chauffage Richter + Frenzel à Schweinfurt. Les économies d'énergie ainsi réalisées se chiffrent en euros à quatre chiffres après une année d'exploitation, comme l'a montré une analyse des données de consommation. Selon les informations de l'exploitant de l'installation et du fabricant HG Baunach, qui a participé de manière déterminante à l'optimisation hydraulique, l'investissement a été amorti à environ un quart pour l'exploitant de l'installation au bout d'un an.
Fig. 7 : Le système de chauffage de la succursale de l'entreprise de commerce de gros spécialisée en sanitaire et en chauffage Richter + Frenzel à Schweinfurt a été optimisé à la fin de l'année 2006. Par exemple, des températures de retour élevées sont utilisées pour les circuits à basse température comme le chauffage au sol dans l'exposition de salles de bains.
Pendant plus de douze mois à partir de la date de mise en service après la modernisation énergétique, les valeurs de consommation de gaz et d'électricité ont été observées avec attention dans la succursale de Schweinfurt du grossiste spécialisé en sanitaire et chauffage Richter + Frenzel. La raison en était l'optimisation de l'hydraulique du chauffage, qui avait été achevée vers la fin de l'année 2006. D'une part, l'utilisation des retours devait permettre d'utiliser les excédents de chaleur des circuits à haute température (aérothermes, convecteurs sous plancher) pour le chauffage par le sol dans les salles d'exposition et les bureaux. Grâce aux températures de retour élevées, les circuits à haute température (70/50 °C) offraient encore suffisamment d'énergie thermique pour pouvoir alimenter les circuits de chauffage à basse température (40/30 °C). Pour la planification de la modernisation, les données de puissance et les flux massiques de l'installation existante ont d'abord été enregistrés. Un calcul de l'installation a montré qu'il y avait d'importants excédents de chaleur provenant des circuits à haute température. En conséquence, les températures de retour pour les générateurs de chaleur étaient également trop élevées.
Retour divisé en deux étapes
Fig. 8 : Les vannes mélangeuses multivoies rendeMIX de HG Baunach répartissent la chaleur de chauffage vers les circuits de chauffage à haute et basse température. Le retour est utilisé en direction des plages de température inférieures. En combinaison avec le collecteur à trois chambres de Magra, des températures de retour basses sont mises à disposition pour la centrale de cogénération et la chaudière à condensation.
La production de chaleur bivalente se compose d'une petite centrale de cogénération de Senertec et d'une chaudière centrale à condensation de type MGK de Wolf Heiztechnik. Pour ce duo, des températures de retour basses sont une condition préalable à un fonctionnement énergétiquement efficace, afin d'obtenir de longues durées de fonctionnement pour la centrale de cogénération ainsi qu'une utilisation continue de la condensation dans la chaudière centrale de 130 kW. "L'hydraulique existante ne permettait pas d'obtenir des températures de retour basses et donc une utilisation efficace de la condensation. Le mélange des retours des circuits haute et basse température aurait donné une eau de chauffage tiède", explique Hans-Georg Baunach, qui a conseillé la planification de la modernisation. De plus, les conditions de fonctionnement existantes ne permettaient pas un étalement efficace dans le réservoir tampon existant. La question était toutefois de savoir comment mettre en œuvre le principe de l'utilisation du retour. Ce problème a été résolu par une refonte complète de la distribution d'eau de chauffage avec les vannes mélangeuses multivoies "rendeMIX" développées par HG Baunach et un distributeur Magra spécial avec chambre de retour supplémentaire (rapport détaillé sur l'objet dans IKZ-HAUSTECHNIK 5/2007, page 186 et suivantes, "Wärme wird mehrfach genutzt statt einfach verheizt").
Détermination des économies de coûts énergétiques sur la base d'une comparaison des années de fonctionnement 2007 / 2005
Explications :
1 L'optimisation énergétique de l'installation avait été achevée à la fin de l'année 2006 ; l'année 2007 était donc la première année de fonctionnement après la modernisation. Pour la comparaison des coûts, l'année civile 2005 a été utilisée, car pendant la période de chauffage, les années 2005 et 2007 présentaient des conditions météorologiques plus similaires à celles de 2006 et 2007.
2 La réduction de la consommation de gaz a été obtenue par
a) équilibrage hydraulique de l'ensemble de l'installation de chauffage (une partie de la chaleur de chauffage n'était pas utilisée auparavant)
b) remplacement de la chaudière de pointe à une seule allure par une chaudière gaz à condensation modulante
3 – 6L'augmentation de la durée de fonctionnement des centrales de cogénération et donc de la production d'électricité a été obtenue grâce aux mesures suivantes :
I. Gestion optimisée du réservoir tampon grâce à
a) l'équilibrage hydraulique
b) Utilisation du retour par l'utilisation de collecteurs de mélange à voies multiples et de collecteurs à trois chambres
c) Chargement et déchargement du réservoir tampon en deux zones grâce à l'utilisation d'un distributeur mélangeur multivoies
II. intégration de la chaudière de charge de pointe de manière à ce qu'elle alimente directement le réseau de distribution côté départ et non le réservoir tampon
7 Consommation de gaz pour le chauffage = consommation totale de gaz - consommation de gaz de cogénération pour la production d'électricité
8 Consommation de gaz de la chaudière = consommation de gaz pour le chauffage - consommation de gaz de la centrale de cogénération pour la production de chaleur
9 L'augmentation des temps de fonctionnement de la centrale de cogénération pour couvrir la charge de base de chauffage a réduit les temps de fonctionnement de la chaudière à gaz à condensation utilisée comme chaudière de charge de pointe.
10 – 12 L'augmentation de la production d'électricité par cogénération a permis de réduire les coûts d'achat d'électricité.
13 – 16 Le calcul se base sur les prix de l'énergie de l'année 2007.
17 L'optimisation hydraulique de l'ensemble de l'installation a permis de réduire les coûts d'exploitation du gaz et de l'électricité de 5 613,67 euros par an.
Moins de consommation de gaz, mais plus de production d'électricité
L'attention portée au compteur électrique et à la consommation de gaz est liée à la petite centrale de cogénération installée, qui couvre à la fois la charge thermique de base et produit du courant électrique : si des températures de retour suffisamment basses sont disponibles, les durées de fonctionnement de la centrale de cogénération sont plus longues et la production d'électricité est donc plus élevée. Les valeurs de consommation de gaz et d'électricité, les durées de fonctionnement de la centrale de cogénération et de la chaudière (de charge de pointe) ainsi que l'électricité produite par la centrale de cogénération permettent d'évaluer l'impact de l'optimisation énergétique. Wolfgang Mika, directeur des ventes dans la succursale de Richter + Frenzel, chiffre les économies réalisées pour l'année de consommation 2007 à un total d'environ 5 600 euros. "Depuis la remise en service après la modernisation en novembre 2006, la centrale de cogénération fonctionne en continu et la chaudière à condensation évacue continuellement les condensats. Des températures de système définies règnent dans toute l'installation, et ce avec un minimum d'efforts techniques de régulation", explique Wolfgang Mika à propos du résultat de l'optimisation hydraulique. Les données comparatives saisies pour la consommation d'énergie et la durée de fonctionnement (tableau) permettent de voir comment l'exploitation de l'énergie a pu être augmentée dans le système de l'installation et comment les coûts ont ainsi pu être réduits. "Les mesures mises en œuvre pour réduire les coûts énergétiques s'étaient purement concentrées sur l'hydraulique de l'installation, à l'exception de la chaudière de charge de pointe remplacée. Elles comprenaient l'équilibrage hydraulique de l'installation, la réalisation de l'utilisation des retours ainsi que le chargement et le déchargement du réservoir tampon en deux zones. La centrale de cogénération fournit désormais plus de la moitié de la production de chaleur grâce à son fonctionnement continu ; à cela s'ajoute le fait qu'elle produit également plus d'électricité. L'utilisation du retour et la gestion efficace du tampon offrent des conditions de fonctionnement optimales pour l'exploitation de la centrale de cogénération et de la chaudière à condensation", résume Hans-Georg Baunach.
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