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Vitesse de la pompe et température de départ

Moins d'efforts pour plus d'efficacité au niveau du réservoir tampon

Certains générateurs de chaleur régénératifs, comme les chaudières à bois ou à pellets ou les centrales de cogénération, ne peuvent fonctionner qu'avec une température de retour fixe. Pour cela, on utilise une augmentation du retour (RLA) qui injecte une partie du départ du générateur de chaleur dans son retour. Très souvent, la vitesse de rotation de la pompe est alors inutilement élevée, ce qui réduit l'efficacité du chargement du réservoir tampon.

Température de départ déterminante

La quantité de chaleur qui peut finalement être absorbée par le réservoir tampon dépend notamment de la température de départ : si, par exemple, un réservoir tampon d'un mètre cube est chauffé de 30°C à 75°C, il peut absorber jusqu'à 52,5 kWh ; à une température de départ de 90°C, ce serait 70 kWh - un plus considérable de 33% ! Une chaudière de 35 kW aurait donc une durée de fonctionnement maximale de 2 h à une température de départ de 90°C, mais de 1,5 h seulement à 75°C.

Quantité de chaleur = 7/6 × volume tampon × Delta-T
Quantité de chaleur = 7/6 × 1 m³ × (75-30)K = 52,5 kWh
Quantité de chaleur = 7/6 × 1 m³ × (90-30)K = 70,0 kWh

Le débit volumétrique est décisif

Comment peut-on augmenter la température de départ d'un générateur de chaleur avec RLA ? Tout simplement en réduisant le débit d'air ! Si un générateur de chaleur d'une puissance de 35 kW est traversé par 1 m³/h, sa température de départ est supérieure de 30 K à la température de retour ; pour 2 m³/h, elle n'est que de 15 K. Si la température de retour fixée est de 60°C, le débit de 2 m³/h donne une température de départ de 75°C, celui de 1 m³/h une température de 90°C. En outre, la réduction de moitié du débit volumétrique permet d'économiser 7/8 ou 87,5% de la puissance de la pompe utilisée électriquement.

Delta-T = 6/7 × puissance : débit d'air
Delta-T = 6/7 × 35 kW : 1 m³/h = 30 K
Delta-T = 6/7 × 35 kW : 2 m³/h = 15 K

Au final, c'est la stratification qui fait la différence

Mais ce n'est pas tout : pour que le tampon puisse absorber toute la quantité de chaleur, l'eau froide à 30°C qu'il contient ne doit pas être mélangée à de l'eau chaude provenant du générateur de chaleur. En effet, le chargement ne peut être effectué que jusqu'à ce que le tampon atteigne 60°C en bas. Ensuite, la température de retour ne peut plus être régulée à 60°C ; le générateur de chaleur doit être arrêté. Le responsable du mélange d'eau chaude et d'eau froide dans le réservoir tampon est le débit volumétrique à travers le réservoir tampon : plus il est important, plus le tourbillonnement et le mélange d'eau chaude et d'eau froide sont importants. Il vaut donc la peine de jeter un coup d'œil aux débits volumétriques.

Figure 1a

La figure 1a montre un réservoir tampon moins qu'à moitié plein, chargé par une chaudière de 35 kW de chaleur. L'eau sort du raccord tampon inférieur à une température de 30°C. Le système d'élévation du retour (RLA), qui maintient la température de retour de la chaudière à 60°C, est traversé par la pompe avec un débit de 1 m³/h. La température de l'eau de la chaudière est donc de 60°C. Le Delta-T est donc de 30 K et la température de départ de 90°C. La RLA mélange donc de l'eau à 30°C et à 90°C à parts égales, à raison de 0,5 m³/h chacune, dans le circuit de retour. Par conséquent, le débit d'eau à travers le réservoir tampon est également de 0,5 m³/h.

Figure 1b

Dans l'illustration 1b, la pompe de la RLA a été réglée sur le double du débit volumétrique de 2 m³/h. Le delta T au niveau du générateur de chaleur est donc de 15 K et la température de départ de 75°C. Il faut maintenant mélanger deux parts de 75°C (1,33 m³/h) avec une part de 30°C (0,67 m³/h) pour obtenir les 60°C souhaités dans le retour. Le débit d'eau à travers le ballon tampon est donc maintenant de 0,67 m³/h, soit également un plus de 33%. Seulement, ce plus est un gros moins pour la stratification ! Car 33% de débit d'eau en plus signifie aussi 33% de vitesse d'écoulement en plus, ce qui entraîne 78% d'énergie cinétique en plus, car : Celui qui roule 33% plus vite a une distance de freinage plus longue de 78%.

Figure 2a

La figure 2a montre le réservoir tampon plus qu'à moitié plein. L'augmentation de la température de retour (RLA) maintient la température de retour de la chaudière à 60°C ; elle est traversée par la pompe avec un débit de 1 m³/h. Le delta T est donc toujours de 30 K et la température de départ de 90°C. La chaudière de 35 kW prélève maintenant de l'eau à une température de 45°C sur le raccord tampon inférieur. Le RLA mélange donc maintenant deux parties d'eau à 45°C (0,67 m³/h) avec une partie à 90°C (0,33 m³/h) dans le retour. Par conséquent, le débit d'eau du ballon tampon est désormais de 0,67 m³/h.

Figure 2b

Dans l'image 2b, la pompe de la RLA a de nouveau été réglée sur le double du débit volumique de 2 m³/h. Le delta T est donc de 15 K et la température de départ de 75°C. Il faut maintenant mélanger 75°C et 45°C à parts égales (1,0 m³/h chacun) pour obtenir les 60°C souhaités dans le retour. Le débit d'eau à travers le réservoir tampon est donc maintenant de 1,0 m³/h, ce qui correspond à un plus de 50%. Celui qui roule 50% plus vite a cependant une distance de freinage plus longue de 125%.

Tout en un coup d'œil

Le résumé est absolument sans équivoque :

Tout plaide en faveur d'un débit volumétrique aussi faible que possible à travers le générateur de chaleur. Une question se pose alors : jusqu'à quel point le débit volumétrique peut-il être faible ? Pas au point de dépasser la température de départ maximale autorisée du générateur de chaleur ! Donc aussi petit que possible, mais aussi grand que nécessaire. Le mieux est de tester cela lors de la mise en service de l'installation, en portant le générateur de chaleur à sa puissance maximale et en réglant ensuite la vitesse de rotation de la pompe de manière à atteindre la température de départ la plus élevée possible, qui garantit un fonctionnement sans problème.