Une consommation de chaleur minimale pour un confort maximal
Comment le patchwork énergétique "Alter Mühlhof" est devenu un système efficace
Un générateur d'électricité historique dans le quartier de Haunstetten à Augsbourg ne correspondait plus tout à fait à l'esprit du temps : Durable, oui, car alimenté par l'énergie hydraulique, mais pas assez productif, car il s'arrêtait souvent en raison de températures excessives. Et la chaleur était en grande partie gaspillée, alors que la maison d'habitation et la piscine en avaient besoin. Une entreprise artisanale de Bobing a restructuré l'utilisation de la chaleur à l'aide du système de mélange 'rendeMIX'. Le succès a dépassé toutes les attentes.
Fig. 1 : Maison de la turbine et arrivée du Lochbach à la turbine "Alter Mühlenhof", Haunstetten. La centrale hydroélectrique fonctionne depuis 1907 avec la même Turbine Francis. Jusqu'en 1880, elle a fourni de l'énergie mécanique pendant plusieurs centaines d'années.
L'"Alte Mühlhof" à Haunstetten, Augsbourg, fait partie des monuments techniques de la région de la ville des Fugger. Le moulin à eau du Mühlhof date probablement du 12e ou 13e siècle. Il est encore en service aujourd'hui. Bien sûr, il ne fonctionne plus avec une roue à aubes supérieure ou inférieure - supérieure : eau d'en haut sur les pales, inférieure : eau d'en bas contre les pales -, mais avec une technique plus moderne, à savoir une turbine Francis. Depuis 1907, celle-ci "broie" inlassablement de l'électricité dans un générateur. Celle-ci alimente le réseau public. Une telle production d'électricité écologique est rémunérée par l'État via la loi sur les énergies renouvelables à hauteur d'environ 10 centimes d'euros par kWh, selon la quantité produite. Le prix exact de l'entreprise d'électricité d'Augsbourg sera fixé plus tard. Car celui-ci contribue à l'amortissement de l'investissement et a beaucoup à voir avec la technique du bâtiment optimisée.
Un monument de la culture technique
Fig. 2 : Le professeur Wilhelm Ruckdeschel a décrit l'histoire probablement vieille de 700 ans de la centrale électrique du Lochbach dans son livre "Industriekultur in Augsburg". Brigitte Settele Verlag, Augsbourg, ISBN 3-932939-44-1.
Par le passé, l'énergie cinétique de la chute du Lochbach actionnait entre autres la scie circulaire de la cour via une transmission, puis un moulin d'art. Mais depuis 1880 - la turbine Francis est arrivée 27 ans plus tard - la petite rivière fait apparaître comme par magie la lumière dans les "Guten Stuben". Au tournant du siècle, certains habitants de l'époque ont dû y voir de la magie.
Les pertes d'efficacité du générateur de 76 kW et de la mécanique se traduisent par de la chaleur. Lorsque le groupe électrogène travaille assidûment, il transforme la maison du moulin en sauna. Autrefois, il était permis d'aérer les températures excessives en ouvrant les portes et les fenêtres. Aujourd'hui, la protection de l'environnement ne l'accepte plus, et ce à double titre. D'une part, il n'est pas dans l'air du temps de gaspiller de précieuses calories, d'autre part - protection des monuments historiques ou pas - les voisins risquent de se retrouver devant le juge s'ils doivent entendre jour après jour le grincement du mécanisme, soit environ 60 dB (A). D'un autre côté, un tel témoignage vivant de la culture industrielle très développée de la ville libre d'Augsbourg à la fin du Moyen-Âge a aujourd'hui une nouvelle valeur, car l'"art hydraulique", comme l'appelle respectueusement l'historien de la technique d'Augsbourg Wilhelm Ruckdeschel, qui fonctionne toujours, transforme l'énergie renouvelable en électricité.
L'actuel propriétaire du "Vieux Moulin", la famille Walter Settele, a donc chargé différents bureaux d'études et entreprises d'installation de trouver une solution pour la récupération de chaleur. Le circuit devait tenir compte des cinq différents consommateurs, à savoir premièrement la production d'eau chaude, deuxièmement l'eau de la piscine dans la maison principale, troisièmement le circuit des radiateurs (haute température), quatrièmement et cinquièmement deux circuits de chauffage par le sol (basse température) dans la piscine et dans la maison d'habitation.
Comment la chaleur arrive-t-elle dans la piscine ?
Fig. 3 : La pompe à chaleur (à gauche, Vitocal/Viessmann) et le réservoir tampon de 300 l (Vitocell/Viessmann) sont responsables de la récupération de chaleur dans la salle des turbines.
Comme première étape de la rénovation, le maître d'ouvrage a accepté l'installation d'une pompe à chaleur air/eau (Viessmann) dans le bâtiment des turbines ainsi qu'un nouveau réducteur plus silencieux (Renk AG) pour remplacer les couronnes dentées vieilles de 80 ans. D'autres propositions, en partie réalisées, n'ont cependant pas eu le succès escompté, ou leur mise en œuvre a échoué en raison de la question des coûts. 10.000 à 15.000 euros, c'est ce que devait coûter en partie la régulation.
Mais Walter Settele n'a pas baissé les bras, ne serait-ce que parce qu'il a un utilisateur à l'année avec la piscine. Par étapes, certaines entreprises ont fini par lui rafistoler un concept qui ne méritait pas son nom. Il gaspillait encore beaucoup trop. En chiffres, la consommation de gaz en 2006/2007, avant les travaux, s'élevait à 150.000 kilowattheures. Paradoxal : même en été, les Settele devaient chauffer l'eau du bassin à grands frais avec un chauffage au gaz, car la turbine s'arrêtait ou s'arrêtait lorsque le générateur dépassait 35 oC en moyenne. Ce seuil a été dépassé plusieurs fois par le passé. Seule la pompe à chaleur air/eau située à proximité immédiate du groupe électrogène faisait ce qu'on lui demandait. Elle refroidissait la température ambiante de la station génératrice à un niveau supportable. Cela permettait d'utiliser le bâtiment pour des démonstrations, des anniversaires, des séminaires et d'autres événements quasi publics.
Fig. 4 : Filtre à eau de piscine. Le cylindre noir à gauche est l'échangeur de chaleur pour l'eau de la piscine.
En cas de surchauffe d'environ 5 °C dans la station, la pompe à chaleur se met en marche et stocke le rendement dans un réservoir tampon. Une conduite de chaleur de proximité transporte les calories ainsi obtenues vers les deux chaudières d'appoint (à condensation, 2 x 40 kW, Vaillant) et vers le distributeur dans l'immeuble d'habitation. S'il n'y a pas de besoin de chaleur, le générateur s'arrête - voir remarque sur la surchauffe. Et si les besoins ont été satisfaits assez rapidement à l'époque, c'est parce que le schéma électrique n'était pas en mesure de gérer les différents niveaux de température du côté des consommateurs. Il se contentait de tel ou tel consommateur.
Nouveau procédé Mélangeur multidirectionnel
Fig. 5 : Maison principale "Alter Mühlhof". Environ 500 m2 de surface habitable, un hall de piscine ainsi que l'eau du bassin doivent être chauffés.
Avec pour conséquence l'achat coûteux de 150 000 kilowattheures de gaz au cours de l'hiver doux 2006/2007. Walter Settele a donc tenté une nouvelle approche. Il s'est adressé à son entreprise d'installation domestique, la société Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH de Bobingen. Avec ses 28 collaborateurs, cette entreprise est prête à affronter l'avenir : elle est spécialisée dans les techniques de chauffage, les techniques solaires et le photovoltaïque. L'entreprise artisanale a promis de remédier à la situation :
Grâce à des publications dans ce magazine, le "Sanitär- und Heizungstechnik", l'entreprise de maîtrise était entrée en contact il y a des années avec une robinetterie qui n'est pas un produit mais un système, le mélangeur Baunach. Pour annoncer d'emblée le résultat : Le constructeur de l'installation a replanifié la distribution et la régulation, placé trois "rendeMIX" entre la source de chaleur et le consommateur de chaleur, et l'hiver relativement rude de 2008/2009 a présenté le résultat aux Settele : 55 000 kilowattheures économisés. La consommation de gaz est passée de 150 000 à 95 0000 kilowattheures. Ce montant n'est pas corrigé des variations climatiques, mais les besoins de 2008/2009 ont probablement été bien plus élevés que ceux de l'hiver chaud de l'année de référence 2006/2007. Dans cette mesure, l'économie réalisée parle d'autant plus en faveur du procédé.
Fig. 6 : Régulation librement programmable de la société Technische Alternative, Amaliendorf/Autriche
Le mélangeur "rendeMIX" représente un nouveau procédé de distribution de la chaleur ainsi que de chargement et de déchargement des accumulateurs tampons. Il garantit les températures de retour les plus basses et donc les gains de chaleur de condensation les plus élevés en plaçant un circuit basse température en aval d'un circuit haute température et en faisant ainsi du retour du premier circuit le départ du second. L'exploitation du pouvoir calorifique avec cette architecture est une chose, la réduction de moitié du volume de circulation et donc de l'énergie auxiliaire pour les pompes de circulation en est une autre. Sans compter que ce montage en série se contente d'une pompe de circulation en moins.
Températures de retour les plus basses
Fig. 7 : Sous-distributeur des circuits de chauffage.
Le brevet de H.G. Baunach GmbH & Co. KG, Hückelhoven, consiste en premier lieu en une conduite d'eau dans la robinetterie qui tient compte des différentes conditions hydrauliques du chauffage par radiateurs et du chauffage par le sol ainsi que des exigences de température. Sans l'unité "rendeMIX", une entreprise d'installation devrait faire de nombreux détours et monter de nombreux robinets pour obtenir un résultat similaire - la température de retour la plus basse possible. Les chaudières à condensation ne sont pas les seules à fonctionner plus efficacement avec le mélangeur. Les accumulateurs à stratification, les installations solaires, les pompes à chaleur, les stations de transfert et les réseaux de distribution profitent également du grand Delta T.
Fig. 8 : Groupe de mélangeurs. Les trois unités à gauche sont les mélangeurs multi-voies "rendeMIX", les deux unités à droite sont des boîtes de robinetterie pour l'alimentation en chaleur non régulée de l'échangeur de chaleur de l'eau de la piscine et de la production d'eau chaude (sur la photo, Johannes Jacob, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH).
Johannes Jakob de la société Albert Kohl explique le principe en prenant l'exemple de Haunstetten : "En principe, le mélangeur multivoies se divise en une zone chaude, une zone chaude et une zone froide. Comme nous l'installons en aval d'un circuit haute température, la zone chaude est le retour à 60 degrés de l'échangeur thermique de la piscine ou du chauffe-eau. Ces deux consommateurs sont, pour ainsi dire, activés sans régulation directement par l'eau chaude à distance de la station de turbinage ou alors par les chaudières à gaz".
La pompe à chaleur dans le bâtiment des turbines ou des générateurs produit le départ jusqu'à 80 degrés vers les consommateurs avec un coefficient de performance annuel encore tout à fait acceptable, car l'air ambiant aspiré peut atteindre 40 oC. "Nous envoyons maintenant les 60 degrés de retour de l'échangeur de chaleur de la piscine vers le circuit de radiateurs des étages supérieurs de la maison d'habitation, puis vers les deux chauffages au sol. Trois unités 'rendeMIX' se chargent de la régulation du débit et de la température. Que se passe-t-il dans rendeMIX 1, qui est responsable des radiateurs ? Tout d'abord, ils sont réglés sur 60/40 oC. Les 60 oC, mais ils n'en ont besoin que pendant la période la plus froide de l'année. La plupart du temps, le mélangeur est alimenté soit par le retour de la piscine, qui se trouve à la hauteur du rendeMIX 1 peut-être encore 55 oC, ou bien ajouter de l'eau plus froide provenant du circuit de retour du radiateur, qui n'a plus que 40 oC a".
Trois fois 'rendeMIX
Le retour du radiateur s'unit certes au retour de la piscine/eau chaude et aux retours des deux chauffages au sol en une seule ligne, mais il se produit naturellement une chute de température vers la chaudière sur la longueur du trajet, également en raison de l'alimentation en retour depuis les différents circuits.
Retour à Johannes Jakob. "rendeMIX 2 utilise le retour du radiateur comme départ du circuit du sol de la piscine. Le système hydraulique est similaire à celui décrit ci-dessus, mais avec une modification. Si, par temps de gel, le retour du radiateur ne suffit pas à chauffer le hall de natation, le rendeMIX 2 ajoute de l'eau chaude provenant du départ de la conduite de chauffage local. Si les conditions météorologiques permettent des températures d'eau de chauffage plus basses, rendeMIX 2 aspire de l'eau froide de la ligne de retour".
rMIX 3 pour les chauffages par le sol "habitat" des étages supérieurs fonctionne selon le même modèle ; Johannes Jakob a monté les deux circuits de chauffage par le sol en parallèle. Il a divisé le chauffage à basse température en deux circuits principaux parce que le chauffage des bains toute l'année et celui des habitations tous les six mois ont des saisons de chauffage très différentes et que les volumes d'eau calculés sont également très différents. L'alimentation en chaleur peut être optimisée grâce au montage en parallèle.
Pas tout à fait parallèle
Le "montage en parallèle" ne reflète pas correctement la réalité. Lorsque les deux chauffages par le sol sont en service, la température de départ du dernier rendeMIX, le rendeMIX 3, est inférieure à la température de départ du rendeMIX 2, parce que le retour du chauffage par le sol précédent (rendeMIX 2) a fait baisser le retour total de quelques degrés. Pour atteindre la valeur de consigne souhaitée, le rendeMIX 3 doit donc en général aspirer et ajouter plus d'eau que le rendeMIX 2 dans les tronçons à température plus élevée.
Voilà pour ce qui est des processus dans les stations "rendeMIX" et de leur fonctionnement. Bien entendu, il faut encore ajouter à tout cela une technique de régulation performante ainsi qu'une stratégie de régulation raisonnable. L'entreprise Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH s'est appuyée sur le savoir-faire du service de planification de H.G. Baunach GmbH & Co. KG, qui l'a assisté avec son logiciel pour la conception et le réglage des unités de mélange. La mise en réseau proprement dite a été configurée par le spécialiste autrichien de la régulation Technische Alternative, Amaliendorf. Sa gamme de produits s'étend des simples régulations différentielles aux régulateurs multicircuits pour la gestion du solaire et des pompes, en passant par les multitalents librement programmables pour presque toutes les applications. C'est exactement ce que recherchait Albert Kohl GmbH, une régulation qui ne soit pas surchargée de fonctions non demandées et donc vulnérable, mais qui soit adaptée sur mesure à l'application.
Récompense par les services municipaux d'Augsbourg
Leurs capteurs décident par exemple si l'eau tampon doit s'écouler directement dans les serpentins du plancher et dans les radiateurs ou si la ou les chaudières doivent ajouter de la chaleur. L'eau tampon dans le réservoir de 300 l n'a pas en permanence 70 ou 80 oC. En hiver, la chaleur dégagée par le générateur ne suffit pas à assurer le confort dans la maison. Le chauffe-eau peut alors se charger à 30 ou 40 °C seulement. oC. Le circuit de chauffage de proximité passe donc généralement par l'une des deux chaudières, que celle-ci doive se mettre en marche ou non.
En raison de la récupération de chaleur, de l'engrenage renouvelé, du schéma électrique intelligent et d'un investissement supérieur à 50 % d'une nouvelle installation, les services municipaux d'Augsbourg ont corrigé le tarif d'achat spécifique. Le "vieux moulin" est désormais soumis à la loi sur les énergies renouvelables (EEG) et à la loi sur la chaleur renouvelable (EEWG). La rémunération est ainsi passée de 7,65 à 9,67 ct/kWh. Avec une production annuelle d'électricité d'environ 400 000 kilowattheures, le retour est aujourd'hui d'environ 40 000 euros, soit 8 000 euros de plus qu'il y a deux ans. Le malaxeur de Baunach peut en retirer une partie, mais en tout cas les 55.000 kWh de réduction de gaz économisés.
Fig. 9 : Le maître de maison Walter Settele devant le générateur de 76 kW de la turbine Francis.
Johannes Jakob : "Ce que nous avons trouvé, c'est un confort minimal pour une consommation élevée. Avec la nouvelle stratégie de régulation et les unités 'rendeMIX', nous avons pu transformer l'installation en un type 'consommation de chaleur minimale pour un confort maximal'. On ne peut probablement pas investir son argent de manière plus efficace et surtout plus sûre".
Bernd Genath
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