Equilibrage hydraulique automatique et dynamique
Dans les installations de chauffage à circulation d'eau, nous utilisons l'eau comme réservoir de stockage et de transport de la chaleur. Mais quelle est la quantité d'eau réellement nécessaire et comment s'assurer de la "bonne" quantité d'eau par rapport à la quantité de chaleur transportée, transférée ou stockée ? Dans cet article, nous voulons montrer qu'une approche thermostatique permet de résoudre ce problème de manière plus simple (automatique) et plus efficace (dynamique).
Quel est l'intérêt d'un équilibrage hydraulique ? L'objectif de l'équilibrage hydraulique est de mettre à disposition de chaque consommateur dans un réseau de distribution la "bonne" quantité d'eau. Ce débit ne doit pas être trop faible, sinon le consommateur n'est pas suffisamment approvisionné en chaleur ; mais il ne doit pas non plus être trop élevé, sinon le travail des pompes de circulation augmente de manière disproportionnée et l'approvisionnement d'autres consommateurs peut être entravé. En outre, l'équilibrage hydraulique a également pour fonction d'augmenter l'efficacité thermique du réseau, car des températures de retour basses sont l'une des conditions préalables pour que les sources de chaleur à basse température, telles que la chaleur latente à condensation, la chaleur solaire ou d'autres sources de chaleur régénératives, puissent être effectivement utilisées par les consommateurs. De plus, l'expérience pratique montre que les installations avec des températures de retour trop élevées ou des quantités d'eau de circulation trop importantes présentent des consommations nettement plus faibles (parfois jusqu'à 40%), même sans sources renouvelables, après des rénovations hydrauliques.
Le même problème se pose en principe pour l'intégration hydraulique des générateurs de chaleur : Si la quantité d'eau qui les traverse est trop importante, la température de départ n'atteint pas la valeur de consigne souhaitée, avec les mêmes conséquences négatives, notamment lors du chargement des ballons tampons. La "bonne" quantité d'eau est donc toujours aussi petit que possiblemais bien sûr toujours aussi grand que nécessaire. Mais la question se pose maintenant : comment trouver ces la "bonne" quantité d'eau et comment les régler de manière techniquement fiable ?
Le § 1 de la théorie de la chaleur est toujours valable
Dans les installations de chauffage à eau circulante, la règle de trois simplifiée suivante s'applique à la puissance thermique Qꞌ transportée ou transmise par les surfaces de chauffe, au débit Vꞌ et à la différence de température ΔT, où c est une constante qui contient la capacité thermique de l'eau de chauffage :
Qꞌ = c - Vꞌ - ΔT
La puissance thermique Qꞌ fournie à un consommateur est donc proportionnelle au produit du débit Vꞌ et de la différence de température aller/retour ou de l'étalement ΔT :
Qꞌ ~ Vꞌ - ΔT (taux de rendement)
On peut donc transporter, transférer ou stocker la même quantité de chaleur en refroidissant (ou en réchauffant) faiblement beaucoup d'eau ou fortement peu d'eau, voir fig. 1. Une bonne approximation de la capacité thermique de l'eau est
c ≈ 4,2 J/(g-K) = 1 cal
Cela signifie qu'il est possible d'extraire (d'ajouter) 4,2 joules de chaleur à 1 gramme [g] d'eau en la refroidissant (en la réchauffant) de 1 kelvin [K]. De la même manière, on pourrait refroidir ½ g d'eau de 2 K ou ¼ g d'eau de 4 K. Cette quantité de chaleur est également appelée "une calorie". Étant donné qu'un watt est la puissance à laquelle la quantité de chaleur d'un joule est transmise ou transportée en une seconde (1 W = 1 J/s), le taux de puissance susmentionné peut s'écrire comme suit en unités usuelles :
Qꞌ [kW] = 7/6 - Vꞌ [m³/h] - ΔT [K]2
Par exemple, un consommateur d'une puissance nominale de QꞌN = 28 kW, qui est nécessaire pour un étalement nominal de ∆TN = 20 K (par exemple 80/60°C ou 50/30°C), un débit nominal de :
VꞌN = 7/6 - 28 kW / 20 K = 1,2 m³/h
Jusque-là, rien de nouveau.
Equilibrage hydraulique non automatique et statique ...
... consiste maintenant à ajuster le débit à travers ce consommateur, après l'avoir calculé au préalable, à ce débit nominal. Par "non automatique", nous entendons donc que l'équilibrage hydraulique ne peut pas être réalisé sans connaître tous les débits nominaux individuels, ce qui constitue déjà un obstacle non négligeable, ne serait-ce qu'en cas de rénovation. Mais que se passe-t-il si le consommateur ainsi "correctement" réglé consomme moins que sa puissance nominale en cas de charge partielle ? Par exemple,
- parce qu'il s'agit d'une batterie de chauffage à air dont le ventilateur a été désactivé par un thermostat d'ambiance électrique ?
- parce qu'il s'agit d'un réservoir d'eau potable qui ne doit couvrir que les pertes de disponibilité de la circulation d'eau chaude ?
S'il n'y a pas d'adaptation du débit d'eau Vꞌ à la puissance dissipée réduite Qꞌ, alors, comme il y a toujours Qꞌ ~ Vꞌ - ∆T, il doit y avoir une réduction de la différence de température ∆T ! Par "statique", nous entendons donc qu'en cas de charge partielle, il n'y a pas d'adaptation des débits Vꞌ à la puissance thermique Qꞌ effectivement transmise.
A propos de la charge partielle
Nous souhaitons ici faire une distinction claire entre deux types très différents de "charge partielle" :
Charge partielle en fonction des conditions météorologiques
En cas de charge partielle en fonction des conditions climatiques, nous partons du principe qu'en raison de la conduction thermique de l'enveloppe du bâtiment, la charge de chauffage augmente en principe proportionnellement à la différence entre la température extérieure et la température ambiante. La courbe de chauffe permet alors d'augmenter la température de départ lorsque la température extérieure diminue. La pente de la courbe de chauffe indique de combien de kelvins la température de départ est augmentée lorsque la température extérieure baisse d'un kelvin. La commande de la charge partielle s'effectue donc par le biais de la température de départ avec une circulation d'eau presque constante. Comme la puissance de transmission des surfaces de chauffe est approximativement proportionnelle à la différence entre leur température moyenne et la température ambiante, la température de retour suit une deuxième courbe de chauffe plus plate, qui coupe la première courbe de chauffe lorsque la charge thermique est nulle. A cet endroit, l'étalement est alors également égal à zéro. La charge de chauffage Qꞌ est donc proportionnelle à l'étalement ∆T, tandis que la circulation d'eau Vꞌ reste quasiment constante sur toute la plage de charge gérée en fonction des conditions climatiques :
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = constant. (commande Delta-T par la température de départ), voir fig. 2.
Charge partielle guidée par le fluide
Dans le cas d'une charge partielle en fonction du fluide, nous partons du principe que dans un cas de charge quelconque en fonction des conditions météorologiques - c'est-à-dire avec une température extérieure quelconque, mais supposée fixe, et une température de départ suffisamment dimensionnée, mais également constante, qui en est déduite par le biais de la courbe de chauffage correcte - il existe un écart entre la température de consigne et la température réelle du fluide cible, par exemple la température ambiante. Dans le cas idéal, les régulateurs de température cible limitent alors le débit à travers les surfaces de chauffe :
Qꞌ ~ Vꞌ |∆T = constant. (contrôle du débit)
Par exemple, les vannes thermostatiques des radiateurs dans les installations bitubes fonctionnent si les dérivations dans les blocs de robinets sont fermées. Dans le cas de charge partielle guidée par le fluide avec commande de débit, le débit à travers les surfaces de chauffe diminue donc et l'étalement reste au moins constant. Dans le cas des vannes thermostatiques, la température de retour baisse même, car la température moyenne des surfaces de chauffe diminue avec la charge de chauffage. Le réseau est déchargé hydrauliquement et son efficacité thermique augmente, voir fig. 3.
Malheureusement, il y a aussi le autre cas: la diminution de la chaleur est réduite à débit constant :
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = constant. (commande Delta-T par la température de retour)
Cela se produit par exemple lors de l'arrêt du ventilateur d'une batterie de chauffage à air par le thermostat d'ambiance électrique ou dans les branches de radiateurs monotubes : Maintenant, l'étalement ∆T doit diminuer avec la puissance thermique Qꞌ, ce qui signifie, pour une température de départ constante, que la température de retour augmente. Le réseau n'est pas déchargé hydrauliquement ; son efficacité thermique diminue, voir fig. 4.
Quel est l'impact sur les différentes surfaces de chauffe ?
Presque toutes les surfaces de chauffe disposent de régulateurs individuels séparés pour réguler la température de leurs fluides cibles :
- Centrale de traitement d'air : mélangeur à trois voies ouvre/ferme en permanenceIIIMalheureusement, la plupart du temps, il est découplé par un aiguillage situé en amont.I
- Batterie de chauffage à air : le thermostat d'ambiance active/désactive la soufflerieI
- Panneaux radiants de plafond : le thermostat d'ambiance ouvre/ferme complètement la vanne de zoneII
- Système radiateur/tube : la vanne thermostatique réduit le débit en permanenceIII
- Système Radiator/1 tube : tous les bypass restent ouvertsI
- Chauffage au sol : la vanne thermostatique s'ouvre/se ferme complètementII
- Préparateur d'eau potable : la pompe de charge s'enclenche/se déclencheII
- Piscine-eau : la vanne de zone s'ouvre/se ferme complètementII
On peut distinguer les trois cas suivants :
(I) Le débit reste constant sur toute la plage de charge partielle (Pas de contrôle de débit du tout).
(II) Le débit reste constant au-dessus de la charge partielle de zéro (commande de débit en deux points marche/arrêt).
(III) Le débit est contrôlé sur toute la plage de charge partielle (contrôle de débit continu 0-100%). Manifestement, le cas I représente la pire solution, le cas II la deuxième pire, et seul le cas III représente la meilleure solution pour l'objectif visé, à savoir la sécurité d'approvisionnement et l'efficacité hydraulique et thermique du réseau la plus élevée possible.
Régulation en deux temps et efficacité thermique
Étant donné que l'essence même de la régulation à deux points est l'activation et la désactivation complètes du transfert de chaleur, ce dernier ne peut être réduit qu'en limitant le temps de transfert. Cela signifie
- Pendant la Phases d'arrêt les surfaces de chauffe ne contribuent pas à la température de retour, car il n'y a pas de débit.
- Pendant la Phases de mise en marche le transfert de chaleur doit se faire dans une mesure limitée dans le temps et donc avec une puissance spécifique par unité de surface plus élevée (puissance par unité de surface de la surface de chauffage ou de l'échangeur de chaleur), ce qui entraîne une température de surface plus élevée et donc un débit plus important et une température de retour plus élevée.
La régulation à deux points est donc inférieure à la régulation proportionnelle ou continue, non seulement pour des raisons de confort thermique (il n'est pas rare que des surfaces de plancher froides soient critiquées dans les nouvelles constructions), mais aussi parce qu'elle permet une utilisation plus efficace des surfaces de chauffage limitées.
L'équilibrage hydraulique automatique et dynamique
Si l'on place un thermostat dans le retour d'une surface de chauffe, il est possible d'obtenir une température de départ plus élevée. Limiteur de température de retour (RTB) qui, en tant que vanne de régulation automatique, étrangle le débit en fonction de la température de retour, l'augmentation de la température de retour liée aux deux pires cas I et II entraîne une réduction du débit à travers la surface d'échange et donc une compensation de l'augmentation de la température de retour. Cela se produit aussi bien à pleine charge à l'état nominal "automatiquement" - c'est-à-dire sans connaître le débit volumique nominal - qu'à charge partielle guidée par le fluide "dynamiquement" - c'est-à-dire en fonction de la température du fluide cible. Ainsi, les deux cas indésirables I et II susmentionnés sont transformés en cas III souhaité, sans qu'il soit nécessaire de se soumettre à la procédure de calcul de tous les débits individuels, ce qui n'est souvent pas possible dans le cas d'une rénovation et représente une tâche assez sportive, même pour le calcul complet du réseau de tuyauterie dans les nouvelles constructions, si l'on regarde de temps en temps les tapis de chiffres calculés par ordinateur qui sont remis aux monteurs à cet effet.
Il en va de même pour les chaudières de pointe
Si, par exemple, une chaudière de charge de pointe doit maintenir la zone supérieure d'un réservoir tampon à une température minimale, sans pour autant charger immédiatement tout le réservoir tampon, ce qui est réservé aux générateurs de chaleur régénératifs généralement plus faibles, elle doit bien entendu alimenter le réservoir tampon à cette température au moins (plus un supplément pour les pertes de transport et l'hystérésis). Mais comment s'en assurer si l'on veut notamment
- la température de retour et
- la puissance de modulation
de la chaudière de pointe ? La seule solution consiste alors à mesurer la température de départ de la chaudière et à en déduire une régulation du débit volumétrique de la chaudière. Nous avons appelé ces vannes, qui contrairement à celles des consommateurs de chaleur doivent s'ouvrir lorsque la température augmente, des limiteurs de température de départ (VTB).
Qu'en est-il de la qualité des règles ?
Nous avons constaté qu'il est préférable d'équiper ces limiteurs de température de retour (RTB), tout comme les limiteurs de température d'aller (VTB), d'une circulation minimale (MUL) de l'ordre d'un pour cent de leur débit nominal, de sorte que le débit ne puisse jamais être nul. Sinon, en cas de suroscillation après un fort recul de la charge - par exemple lors de l'arrêt mentionné du moteur du ventilateur d'une batterie de chauffage à air - il y aurait le risque que la sonde de température de retour soit découplée de la consommation effective de chaleur de la surface de chauffage par l'arrêt de l'eau, et que le limiteur de température de retour (RTB) ne s'ouvre donc pas ou seulement trop tard, si une nouvelle demande de charge survenait entre-temps. Pour les surfaces de chauffe à air pulsé, le démarrage à chaud qui en résulte ne représente pas seulement une exigence de confort, mais aussi de sécurité de fonctionnement en cas d'apport d'air extérieur en cas de gel.
Bien entendu, la qualité de la régulation dépend - comme toujours - essentiellement de la qualité de la mesure de la température. C'est pourquoi les Sondes proches des sorties des surfaces chauffantes (temps mort le plus faible possible !) et - en particulier pour les régulateurs sans énergie auxiliaire - comme sonde d'immersion. entièrement entouré d'eau de chauffage Il est donc indispensable de préparer le travail en conséquence. En outre, chaque branche parallèle d'un réseau doit être ajustée de la même manière, c'est-à-dire chaque CTA, chaque batterie de chauffage à air, chaque monotube de radiateur, chaque boucle de chauffage de surface, chaque réservoir d'eau potable et chaque échangeur de chaleur d'eau de piscine.
Comment cela se présente-t-il en relation avec la courbe de chauffe ?
L'utilisation du limiteur de température de retour (RTB) entraîne un aplatissement de la courbe de chauffe de la température de retour et donc de la température moyenne de la surface de chauffe par rapport au cas de conception, et ce sur la plage de réglage de la charge partielle en fonction des conditions climatiques. Ceci doit être compensé par une augmentation correspondante de la température de départ ou de la pente de la courbe de chauffe. Ci-après quelques exemples, voir fig. 5.
Quelle est la signification pour l'effet d'autorégulation ?
Pour les chauffages par le sol marqués d'un * dans le tableau 1, la température de retour régulée par le RTB est pratiquement la température ambiante. Cela a pour conséquence de renforcer ce que l'on appelle l'effet d'autorégulation du chauffage par le sol. Par "effet d'autorégulation", on entend le fait que, dans le cas d'un chauffage par le sol, la température moyenne de la surface de chauffe n'est que de quelques Kelvin supérieure à la température ambiante. Par exemple, dans un bâtiment neuf (dimensionnement : 35/28 °C), cette température est de 26 °C pour 50 %iger de charge partielle en fonction des conditions climatiques (28/24 °C), soit 6 K de plus que la température ambiante de 20 °C. Si la température ambiante augmente maintenant de 1 K pour atteindre 21 °C, cette différence de température diminue de 1 K pour atteindre 5 K, soit 1/6 ou 17 %. Mais cette différence de température est approximativement proportionnelle à la puissance thermique fournie par la surface chauffante, de sorte que l'augmentation de la température ambiante est compensée par une diminution de l'apport de chaleur.
Mais comme nous l'avons déjà expliqué, une surface de chauffe réagit à un débit constant et à une émission de chaleur réduite par une augmentation de la température de retour et donc par une augmentation de la température moyenne de la surface de chauffe. L'effet d'autorégulation est donc partiellement cannibalisé lors de l'équilibrage hydraulique statique sans RTB. En revanche, dans le cas de l'équilibrage dynamique avec RTB, ceux-ci annulent l'augmentation de la température de retour par la réduction du débit, ce qui permet à l'effet d'autorégulation de jouer pleinement son rôle, voir fig. 6.
Qu'est-ce que le décret EnEV exige exactement ?
Selon le § 14 (2) EnEV, "les installations de chauffage utilisant l'eau comme fluide caloporteur ... doivent être équipées, lorsqu'elles sont installées dans des bâtiments, de dispositifs à action automatique permettant de réguler la température ambiante pièce par pièce". Il n'est donc pas écrit que la saisie de la valeur de consigne doit être effectuée dans la pièce. Étant donné que la plupart des régulateurs individuels pour le chauffage par le sol sont équipés de régulateurs à deux points, la régulation de la température ambiante par des RTB à action continue leur est supérieure du point de vue de l'efficacité thermique, comme décrit ci-dessus. Ce n'est que si la pièce est utilisée comme pièce à vivre ou chambre à coucher que la fonction d'arrêt des régulateurs individuels habituels serait avantageuse.
Et qu'en pensent le BAFA et la KfW ?
Au point 5.25 "Clause d'ouverture pour les technologies innovantes" de l'"Annexe aux fiches techniques" de la KfW pour "Rénovation énergétiquement efficace - crédit (151/152)", "Rénovation énergétiquement efficace - subvention d'investissement (430)" et "Construction énergétiquement efficace (153)", il est écrit : "Si des composants techniques d'installation sont utilisés dans des bâtiments d'habitation, pour l'évaluation énergétique desquels il n'existe pas de règles techniques reconnues ou de valeurs empiriques sûres publiées conformément à l'article 9, paragraphe 2, deuxième phrase, demi-phrase 3 de l'EnEV, il est possible d'utiliser à cet effet des composants qui présentent des propriétés énergétiques équivalentes ou moins bonnes". Par "des composants peuvent être utilisés à cet effet", on entend les méthodes et les composants traditionnels de l'équilibrage hydraulique non automatique et statique représentés dans les normes de calcul EnEV.
La technologie innovante doit donc être équivalente ou supérieure, ce que la limitation thermostatique de la température de retour, en tant qu'équilibrage hydraulique automatique et dynamique des circuits de chauffage, peut revendiquer. C'est la raison pour laquelle l'installation et le réglage correct du RTB (VTB) sont subventionnés aussi bien par le BAFA que par le KfW.
Une dernière remarque sur l'énergie de régulation
L'énergie de régulation est le travail mécanique nécessaire à l'ouverture ou à la fermeture de la vanne de régulation. Dans les grandes installations, elle est souvent fournie par une énergie électrique auxiliaire, c'est-à-dire par des entraînements électriques. Dans les petites installations, de nombreuses vannes de régulation sont utilisées sans énergie auxiliaire pour l'équilibrage hydraulique. Cela signifie simplement qu'elles n'ont pas besoin d'énergie supplémentaire, mais pas qu'elles n'ont pas besoin d'énergie pour fonctionner. Mais d'où tirent-elles l'énergie nécessaire à leur fonctionnement ?
Valves à commande hydraulique
Les vannes d'équilibrage utilisées visent à maintenir une pression différentielle ou un débit constant. La plupart du temps, la course mécanique du corps de vanne est générée par une membrane à partir de la pression différentielle du réseau hydraulique lui-même. Pour que le régulateur puisse fonctionner, il faut donc assurer une chute de pression minimale - généralement de l'ordre de 2 mWS -, ce qui implique un travail supplémentaire des pompes de circulation.
Vannes à entraînement thermique
En revanche, dans le cas des vannes à commande thermique, ce travail provient de la dilatation ou de l'évaporation d'un fluide avec lequel la sonde de température est remplie. Comme l'énergie de régulation est ainsi prélevée sous forme de chaleur dans l'eau de chauffage, la qualité du raccordement thermique de la sonde joue ici un rôle particulier, comme décrit plus haut. Mais une fois ce problème résolu lors de l'installation, de telles vannes ne nécessitent aucune chute de pression minimale supplémentaire pour le reste de leur durée de vie et, par conséquent, aucune charge de travail supplémentaire pour les pompes de circulation, sans parler des "bruits d'écoulement". On constate donc qu'un réseau à équilibrage thermostatique peut être exploité avec des pressions différentielles nettement plus faibles et donc avec une charge de travail hydraulique nettement moins importante pour les pompes de circulation qu'un réseau à régulation hydraulique.
Résumé
L'installation de limiteurs de température de retour thermostatiques
- permet l'équilibrage hydraulique automatique, c'est-à-dire sans connaissance des différents débits volumiques nominaux
- augmente l'efficacité thermique du réseau grâce à l'adaptation dynamique à la charge partielle guidée par le fluide
- soulage le réseau d'un travail de pompage supplémentaire pour le fonctionnement des vannes d'équilibrage entraînées par la pression différentielle
- peut être utilisé comme régulation individuelle de pièce en cas de chauffage au sol - mais sans fonction d'arrêt
- est reconnu et encouragé par le BAFA et la KfW comme au moins équivalent et
- a déjà été testé des milliers de fois.