L'installation solaire thermique et la pompe à chaleur assurent ensemble un approvisionnement en chaleur fiable
En 2006, Friedrich Freß et sa famille ont réalisé leur rêve de posséder une maison individuelle à Maroldsweisach, en Franconie. En tant qu'artisan indépendant spécialisé dans les installations sanitaires et de chauffage, il attache une grande importance à un approvisionnement en chaleur efficace et respectueux de l'environnement, adapté à sa maison de construction basse énergie. C'est pourquoi il a opté pour une pompe à chaleur associée à une installation solaire thermique : "Ainsi, ma maison est entièrement chauffée par des énergies renouvelables", se réjouit Freß. Grâce au distributeur mélangeur multivoies unique en son genre rMIX 3 x 3 L 35 de la société HG Baunach GmbH & Co. KG, les deux systèmes, qui sont totalement différents en termes de valorisation énergétique, travaillent main dans la main et se complètent parfaitement.
Fig. 1 : Pour sa nouvelle maison individuelle d'une surface de chauffage de 410 mètres carrés, le maître d'ouvrage et artisan spécialisé en sanitaire et en chauffage, Friedrich Freß, était à la recherche d'un concept énergétique d'avenir et respectueux de l'environnement.
Freß s'est chargé lui-même de l'installation des deux systèmes avec deux collaborateurs de son entreprise. Ernst Freß oHG Technique sanitaire. Fondée en 1948, l'entreprise est spécialisée dans le montage d'installations de chauffage de tous types et dispose d'une grande expérience dans le domaine des énergies renouvelables. "Outre les installations solaires et les pompes à chaleur, nous montons également des chauffages à pellets, des installations à bois déchiqueté, des centrales de cogénération et des installations à biogaz", explique Freß pour décrire ses activités principales. Malgré sa grande compétence dans ce domaine, Freß a volontiers fait appel au soutien de HG Baunach GmbH & Co. KG pour l'aider dans sa tâche. C'est à l'occasion d'un exposé spécialisé devant la corporation de Schweinfurt que Freß a découvert l'entreprise de Hückelhoven, qui lui a proposé la solution optimale pour combiner une pompe à chaleur et une installation solaire.
Pompe à chaleur et installation solaire - un beau couple ?
Fig. 2 : Service inclus : Hans-Georg Baunach (à gauche), chef de l'entreprise du même nom et inventeur du rendeMIX, s'assure sur place du bon fonctionnement de son concept de chauffage développé individuellement pour Friedrich Freß (à droite).
Fig. 3 : L'installation de chauffage : une installation solaire de plus de 40 mètres carrés avec un réservoir tampon de 2.000 litres et une pompe à chaleur fournissent à la maison de la famille Freß la chaleur dont elle a besoin, de manière fiable et écologique.
"Au début, seule la pompe à chaleur avec ventilation contrôlée était prévue", raconte Freß à propos de son projet initial. Puis il a décidé d'ajouter une installation solaire, d'une part par respect pour l'environnement, d'autre part comme référence pour ses propres clients. La question centrale autour de laquelle il s'est ensuite concentré lors de la planification était la combinaison raisonnable des deux systèmes, sans que ceux-ci ne se gênent mutuellement et ne nuisent à leur efficacité. En effet, alors qu'une pompe à chaleur présente un grand débit volumétrique avec un faible écart (5K), le réservoir tampon raccordé à l'installation solaire thermique fonctionne exactement à l'inverse avec un faible débit volumétrique et un grand écart. Pour une production d'énergie efficace, l'installation solaire a absolument besoin de températures de retour basses. Ce n'est qu'ainsi qu'elle peut contribuer de manière significative au chauffage d'appoint en hiver. La chaleur obtenue par l'installation solaire est stratifiée dans un réservoir tampon de manière à ce que l'eau la plus chaude soit toujours stockée en haut et la plus froide en bas. De cette manière, il n'y a pas de mélange et des températures aussi bien élevées que basses sont disponibles. Si, avec la composition prévue par Freß, la chaleur de la pompe à chaleur était également stockée dans le réservoir tampon, cela aurait entraîné une destruction de la stratification sensible des températures : il fallait donc éviter que la pompe à chaleur ne mélange le réservoir tampon, soutenu par un module de charge par stratification, à tel point qu'il ne serait plus possible d'utiliser ensuite l'énergie solaire. Freß était donc à la recherche d'une conception hydraulique qui supprime la contradiction entre les deux principes et les intègre dans un concept de chauffage global. Les schémas hydrauliques disponibles dans le commerce ne convenaient toutefois pas à Freß. Il a donc été d'autant plus enthousiaste lorsque H.G. Baunach lui a présenté son distributeur mélangeur multivoies rMIX 3 x 3 L 35, conçu et breveté par i hm lui-même.
Le concept : la séparation comme solution
Fig. 4 : Une masse inerte comme tampon : l'artisan spécialisé Freß a posé un chauffage par le sol dans toute la maison avec un espacement des boucles de 10 cm (7 cm dans les salles de bains). La pompe à chaleur utilise le chauffage par le sol comme tampon et ne mélange donc pas la stratification sensible dans le réservoir.
De plus, le chef d'entreprise et ingénieur en développement a conçu un concept de chauffage individuel permettant d'obtenir une utilisation élevée de l'énergie solaire tout en garantissant une longue durée de fonctionnement de la pompe à chaleur. La solution consistait à séparer clairement les deux systèmes, c'était la seule façon de satisfaire les deux. Ainsi, le réservoir tampon existant de 2.000 litres a été entièrement mis à disposition de l'utilisation solaire et une zone chaude a été créée uniquement dans la partie supérieure pour la production d'eau chaude via une station d'eau fraîche. Pour la pompe à chaleur, le chauffage par le sol a été conçu comme une masse thermiquement inerte par rapport au tampon. Pour cela, la régulation en fonction de la température extérieure a été placée sur le retour du bâtiment, ce qui entraîne des temps de fonctionnement nettement plus longs : La pompe à chaleur fonctionne toujours jusqu'à ce qu'il y ait une augmentation de la température dans le retour. "L'avantage dans la combinaison de la pompe à chaleur et du chauffage par le sol réside dans le fait que les deux sont des systèmes à basse température : Les deux présentent un grand débit volumétrique avec un faible écart et s'accordent donc parfaitement", explique Baunach. De cette manière, on évite que la pompe à chaleur s'allume et s'éteigne en permanence, ce qui entraînerait un gaspillage d'énergie inutile.
Harmonie et efficacité grâce à une répartition claire des tâches
Fig. 5 : Le cœur du système de chauffage : le collecteur mélangeur multivoies rMIX 3 x 3 L 35 constitue la centrale de commande de l'installation de chauffage : Grâce à lui, l'installation solaire et la pompe à chaleur se complètent au lieu de se nuire en termes de performance.
Outre la séparation des deux systèmes, il s'agissait de garantir qu'il n'y ait pas de perturbations au sein de la répartition des tâches. Pour éviter que la pompe à chaleur ne se mette en marche alors qu'il y a encore suffisamment de chaleur solaire dans le tampon, la courbe de chauffe de la régulation du circuit mélangeur a été réglée légèrement plus haut que celle de la pompe à chaleur. Dès que la pompe à chaleur se met en marche, la vanne mélangeuse s'ouvre complètement. Un circuit de relais empêche la vanne mélangeuse de se refermer en raison de l'augmentation de la température de départ, ce qui entraînerait une baisse du débit et donc une coupure de la haute pression. Dès que la pompe à chaleur s'est arrêtée, la régulation du circuit de mélange de l'installation solaire reprend la commande de la vanne mélangeuse. Le mélangeur est fermé, ce qui empêche la chaleur du tampon du bâtiment d'atteindre le tampon solaire. La chaleur solaire peut ainsi être stockée à tout moment au niveau de température le plus bas, ce qui permet de l'utiliser au maximum. En outre, un circuit de temporisation a été intégré dans le régulateur d'énergie à l'aide d'un relais dit de cage d'escalier, qui laisse tourner la pompe pendant trois minutes après la production d'eau chaude. Pendant ce temps, la vanne mélangeuse peut à nouveau s'ouvrir, car le régulateur d'énergie tente toujours, immédiatement après une phase de production d'eau chaude, de mettre l'installation en mode chauffage afin de minimiser le démarrage.
Le rendeMIX en tant qu'intermédiaire
Fig. 6+7 :Câblage astucieux : deux circuits de relais assurent une ouverture et une fermeture régulées du mélangeur.
Le centre de commande du système de chauffage et l'intermédiaire entre l'installation solaire et la pompe à chaleur est le distributeur mélangeur multivoies rMIX 3 x 3 L 35. L'armature a été fixée directement sur le réservoir tampon et y assure une stratification idéale et donc l'utilisation de la chaleur solaire. Le dernier produit de la maison Baunach avec sortie de charge possède trois entrées vers le réservoir tampon, ce qui permet une décharge optimale en deux zones. Tant que le raccordement du milieu est encore alimenté par une température suffisamment élevée, le mélangeur n'accède pas à l'entrée supérieure, dans la liaison avec le tampon de laquelle se trouve la pompe à chaleur. Dès que le mélangeur s'ouvre vers l'entrée supérieure, l'entrée inférieure se ferme et dirige ainsi tout le retour du chauffage par le sol vers la partie inférieure du tampon. Si la partie centrale du tampon est également déchargée, le mélangeur s'ouvre complètement et tire maintenant tout le flux du plancher à travers la pompe à chaleur, qui peut alors démarrer. Le circuit de relais permet d'éviter que la température de départ excessive ne provoque la fermeture du mélangeur. La pompe à chaleur fonctionne jusqu'à ce que, dans le retour du plancher, la température de l'eau soit inférieure à la température ambiante. du bâtiment, un Temde la température est mesurée. La réouverture du mélangeur entraîne sa fermeture, ce qui permet de conserver la chaleur de la pompe à chaleur dans le bâtiment. Pendant la phase de refroidissement qui suit, le mélangeur s'ouvre à nouveau lentement, valorisant chaque kWh solaire, avant de s'ouvrir à nouveau complètement et de recommencer le cycle.
Un partenariat sans faille
Fig. 8 : Approvisionnement sûr en eau sanitaire : Un module d'eau fraîche solaire assure la sécurité et le confort de l'approvisionnement en eau chaude. Il fonctionne selon le principe du débit : la quantité d'eau fraîche souhaitée est chauffée à la demande via un échangeur de chaleur. Le bouton du thermostat permet de régler la température de l'eau sanitaire correspondante. (Toutes les photos et tous les graphiques : Baunach)
"La solution est à la fois simple et géniale", s'enthousiasme Freß. Le rendeMIX permet de combiner deux systèmes quelconques et assure un système de chauffage extrêmement efficace. Grâce à ce distributeur mélangeur multivoies, Freß peut sans problème faire fonctionner simultanément sa pompe à chaleur Vaillant et son installation solaire Sonnenkraft. De cette manière, toute sa maison - avec une surface de chauffage de 410 mètres carrés - est désormais alimentée en chaleur produite de manière renouvelable. Lors de la planification de l'eau sanitaire nécessaire, Freß était parti d'un besoin journalier total de 200 litres, qui sont désormais chauffés par le soleil du printemps à l'automne. Un module d'eau fraîche se charge de produire de l'eau chaude fraîche à tout moment, ce qui permet d'éviter les légionelles. En hiver, l'installation solaire contribue encore au chauffage à un niveau de température peu élevé. Ce n'est que lorsque l'installation solaire ne peut pas fournir une température suffisante de l'eau sanitaire ou du sol que la pompe à chaleur prend le relais. Pour cela, la surface des capteurs de l'installation solaire est suffisamment grande, avec plus de 40 mètres carrés. Les capteurs sur toiture du fabricant autrichien Sonnenkraft ont une orientation optimale vers le sud sur le toit incliné à 45° et assurent ainsi des rendements solaires élevés. La pompe à chaleur de Vaillant, de type VWS 22 /1P, a une puissance de chauffage de 22,6 kW. Avec 25 % d'énergie d'entraînement, elle obtient les 75 % restants à partir de l'énergie solaire stockée dans l'environnement. Les sources de chaleur utilisées sont le sol, l'eau souterraine et l'air extérieur. Dans un processus circulaire - appelé processus de Carnot - la chaleur extraite de l'environnement est amenée à un niveau de température plus élevé et peut ainsi être utilisée à des fins de chauffage. "Ma décision d'opter pour une pompe à chaleur était prise dès le départ. C'est à mon avis la meilleure façon, tournée vers l'avenir, d'assurer le confort en matière de chaleur et d'eau, et elle permet de se chauffer de manière écologique et économique, ce qui me rend indépendant des fournisseurs d'énergie", explique Freß pour expliquer ses motivations.
Happy end
Le maître d'ouvrage et artisan Freß est extrêmement satisfait de la solution trouvée pour son système de chauffage : "Le rendeMIX a résolu tous mes problèmes d'un coup, en permettant une utilisation intelligente des rendements solaires grâce à un couplage hydraulique spécial des voies d'écoulement", résume Freß. Il s'est surtout réjoui des conseils complets de Baunach, qui - comme il le sait en tant que spécialiste - ne vont malheureusement pas toujours de soi. Ainsi, les experts de Hückelhoven ne se sont pas contentés de livrer leur produit unique, mais ont développé l'ensemble du concept de chauffage, y compris le plan hydraulique et électrique en couleur, ont discuté avec le fabricant de la pompe à chaleur et se sont assurés sur place du bon fonctionnement de l'installation, qui fonctionne depuis sans problème.
L'installation solaire thermique et la pompe à chaleur assurent ensemble un approvisionnement en chaleur fiable
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