Aussi bon que prévu
La technique de chauffage particulière de Richter + Frenzel à Kassel a valeur de modèle
Le credo de l'entreprise en préambule : "L'avenir réside dans les technologies innovantes et modernes. Nous devons nous en occuper de manière compétente et transmettre nos connaissances à notre clientèle - artisans, planificateurs, architectes. Bien sûr, nous pouvons argumenter de manière particulièrement convaincante lorsque nous disposons de notre propre expérience, par exemple en ce qui concerne les économies d'énergie de l'ancien contre le neuf". Markus Ortlauf, qui tient ces propos, est conseiller technique de la maison de commerce de gros Richter + Frenzel. Il y a un an et demi, il s'était prononcé en faveur d'une installation de chauffage inhabituelle dans l'immeuble de Kassel du grossiste. Les résultats d'exploitation après un peu plus d'un an l'ont récompensé, lui et sa maison, pour cette décision qui n'était pas sans risque.
Fig. 1 : La distribution tubée sur place avec les mélangeurs rendeMIX (à gauche de Stefan Dornemann, collaborateur de R + F) et une installation modèle parallèle à des fins de formation avec un distributeur Magra en arrière-plan.
La chaudière modulaire "Ecocraft" de Vaillant est au centre de la technique rénovée. Dans la succursale de R + F dans le nord de la Hesse, les anciennes chaudières atmosphériques avaient du mal à atteindre des taux d'utilisation acceptables et devaient être remplacées. Il ne pouvait toutefois pas s'agir de produits standard, car en Hesse, la patrie de Viessmann et Buderus, il faut avoir quelques atouts en main si l'on veut s'imposer comme fournisseur de générateurs de chaleur, entre autres, aux côtés de ces deux puissants concurrents.
Fig. 2 : Installation de chauffage Ecocraft dans la salle technique/de formation chez R + F à Kassel.
Markus Ortlauf a vu et voit encore dans la chaudière gaz à condensation en cascade "Ecocraft" l'un de ses atouts. Cascade signifie : l'unité se compose de modules autonomes bridés en parallèle les uns aux autres, chaque module ayant une puissance allant jusqu'à 40 kW. La plus petite unité se compose de deux cellules, la plus grande de sept. On dispose ainsi d'une puissance allant jusqu'à 280 kW, selon l'objet. Chaque brûleur peut en outre être réglé de manière glissante entre 12 et 40 kW, ce qui permet d'obtenir une plage de réglage de 12 à 280 kW.
Perturbation sans conséquences perceptibles
Autonome signifie que si l'un des blocs de la cascade tombe en panne, ses voisins travaillent à sa place. La chaudière ne tombe pas en panne. L'avarie n'est pas visible de l'extérieur. L'"Ecocraft" ressemble ainsi à un solide diesel qui peut également supporter la défaillance d'un cylindre. Ortlauf : "Cette particularité de ce modèle nous donne la chance de jouer un rôle plus important avec Vaillant dans le secteur des chaudières. Nous devons bien sûr le faire savoir. C'est pourquoi nous avons immédiatement agrandi le local technique avec l'"Ecocraft" pour en faire un centre de formation".
Fig. 3 : Gain de chaleur de condensation et rendement thermique à Kassel. Pour les explications, voir le texte.
Comme deuxième atout, qui parle surtout en faveur de la compétence de planification et de conseil du service extérieur de Richter + Frenzel, la succursale de Kassel renvoie à la commutation particulière des trois circuits de chauffage du complexe de bâtiments en association avec le système "rendeMIX" de la société HG Baunach de Hückelhoven à la frontière belgo-allemande. Ce système connecte les réseaux haute température et basse température l'un derrière l'autre, faisant ainsi du retour de l'un des systèmes de distribution de chaleur le départ de l'autre, optimisant ainsi le rendement énergétique, surtout en combinaison avec des chaudières à condensation. Il y a environ sept ans, cette architecture basée sur un mélangeur multivoies très spécial a été lancée sur le marché sous forme de cœur. Depuis, elle a fait ses preuves dans de nombreuses références, c'est-à-dire qu'elle a démontré ses effets en termes d'économies : parce qu'elle garantit des températures de retour très basses et donc des gains de chaleur de condensation très élevés.
Trois cercles comme un seul cercle
A Kassel, le "rendeMIX" a trouvé un terrain particulièrement captivant, à savoir trois zones de température : premièrement, le complexe administratif en tant que circuit de radiateurs avec un départ d'environ 60 °C, deuxièmement, l'exposition avec un chauffage au sol pour une température maximale de 40 °C et troisièmement, enfin, l'entrepôt avec également des serpentins dans le sol pour une température de départ jusqu'à 30 °C. Cette troisième section doit en principe être maintenue hors gel uniquement. Le schéma de l'installation est donc basé sur les écarts suivants : Bureaux 62/42 °C, Exposition 40/30 °C, Entrepôt 39/20 °C. Avec "rendeMIX", pratiquement tout le complexe est chauffé en version monocircuit. Dans le passé des deux anciennes chaudières atmosphériques, trois mélangeurs mélangeaient trois températures pour chaque sous-secteur, et le retour commun n'est donc jamais descendu en dessous de 42 °C.
Voilà pour l'installation. Elle a été mise en service au début de la saison de chauffage 2005/2006 et, quelques semaines plus tard, au printemps, les cours de formation continue pour les entreprises artisanales et les bureaux d'études ont démarré sur "Ecocraft" et "rendeMIX". Outre la fonction, les premières formations ont dû se contenter de résultats ponctuels. La stabilité de la température et le degré d'utilisation des différents flux volumétriques qui se sont glissés dans les serpentins, dans les radiateurs et dans les échangeurs de chaleur de l'"Ecocraft" n'ont pu être évalués qu'à partir des valeurs instantanées du thermomètre et du bilan de quelques semaines, mais pas à partir du bilan de deux périodes de chauffage en tant que comparaison avant/après.
Une telle évaluation est désormais disponible. Au cours des deux années précédant "Ecocraft" et "rendeMIX", de juillet 2003 à juin 2004 ainsi que pendant la même période de 2004 à 2005, la consommation d'énergie de chauffage chez Richter + Frenzel à Kassel s'élevait respectivement à 506.000 et 499.000 kWh. Juste à temps avant l'hiver 2005/2006, le chauffagiste local, la société Günter Tromp Haustechnik de Kassel, a installé le générateur de chaleur modulaire Vaillant et a raccordé les trois circuits de chauffage en série avec l'armature Baunach. Le résultat : seulement 356 000 kWh. Cette valeur n'est pas corrigée des conditions météorologiques, mais relevée sur le compteur de gaz. Mais cela ne change pas grand-chose à la proportionnalité, car les données climatiques ne différaient pas particulièrement les unes des autres au cours de ces trois années considérées.
Structure Ecocraft
La chaudière gaz à condensation se compose de deux à sept modules maximum de 40 kW chacun. A Kassel, cinq blocs d'une puissance totale de 200 kW suffisent. Chaque module mesure environ 14 cm de large, est équipé d'un brûleur inversé assisté par un ventilateur et est réglable entre 12 et 40 kW. Les différents éléments de la cascade fonctionnent de manière autonome. En cas de panne, l'unité répartit automatiquement la puissance sur les autres cellules. En fonctionnement normal, la régulation enclenche autant de modules que possible avec une émission de chaleur réduite. Le schéma de principe illustre le mode de fonctionnement : Pour 12 kW, seul le module 1 fonctionne. Pour 48 kW par exemple, deux modules de 24 kW chacun suffisent. En réalité, les cellules 1, 3, 5 et 7 couvrent ce cas avec 12 kW chacune. La charge de la chambre de combustion est ainsi réduite et les températures des gaz d'échappement diminuent au profit d'un rendement élevé de l'installation.
Sur l'image ci-dessous, la route du gaz. Chaque élément se compose d'un brûleur de surface modulant pour une plage de puissance de 12 à 40 kW, d'un ventilateur, d'une robinetterie gaz et d'un échangeur de chaleur compact à haut rendement en forme de V en aluminium coulé sous pression. Ce matériau permet de limiter le poids de l'installation, ce qui la rend particulièrement adaptée aux cas de modernisation, notamment dans les hôtels, les immeubles d'habitation/commerciaux à usage mixte, les maisons de retraite, les hôpitaux et autres bâtiments similaires qui doivent accorder une grande importance à la sécurité de fonctionnement.
Fig. 4 : Ligne de gaz avec chaque unité autonome de brûleur/ventilateur.
Fig. 5 : Exemple de répartition des charges.
L'avantage de la large plage de modulation n'est pas seulement l'adaptation exacte de la puissance en combinaison avec des températures de retour basses pour une utilisation efficace de la condensation. Elle permet également de charger des ballons de stockage relativement petits pour l'alimentation en eau potable, qui ne seraient normalement pas compatibles avec une grande puissance de chaudière. La régulation de l'"Ecocraft" permet de faire fonctionner en parallèle la pompe de chauffage et la pompe de charge du ballon. Le programme tient en outre compte d'une désinfection thermique régulière.
La chaudière n'est pas seulement discrète en termes d'espace et de poids. Elle ne se fait pas non plus remarquer sur le plan acoustique. Même à charge maximale, l'unité de 200 kW n'émet pas plus qu'un chuchotement. Et bien sûr, la cascade peut être facilement surveillée, réglée ou paramétrée à distance, par exemple à l'aide d'un téléphone ou d'une télécommande, ou encore avec la technologie Vaillant vrnetDialog.
30 % d'économies prouvées
Fig. 6 : Appareil de mesure de condensat BrennCon www.consoft.de.
La chaudière moderne et la disposition des circuits de chauffage ont donc permis de réduire les coûts de gaz naturel d'environ 30 %. En gros, deux tiers de ce succès sont à mettre sur le compte du générateur de chaleur et le troisième tiers sur le schéma de l'installation. Pour la réalisation de ce dernier, HG Baunach a dû faire un travail de persuasion auprès du planificateur et de Vaillant. Si l'on considère les trois écarts individuels et que l'on tient compte de certaines tolérances, l'écart total s'élève à 40 K. Au début, Vaillant ne voulait pas imposer cette différence entre le départ et le retour au générateur de chaleur, par crainte qu'un seul module ne souffre d'un manque d'eau en cas de conditions défavorables. Au départ, la société de Remscheid insistait sur une surintensité, sur un court-circuit hydraulique. En effet, l'Ecocraft fait partie de la famille des chauffe-eau à circulation, et ceux-ci ont besoin de débits minimums.
Les techniciens ont résolu ce problème du côté de l'installation. Ils ont mis en place une hiérarchie de régulation équilibrée de manière à ce que certains circuits garantissent toujours le débit minimum de circulation lorsque les modules sont en service, et donc qu'ils ne se dérégulent pas complètement.
Les trois niveaux de température chez Richter + Frenzel se contentent d'un total de 200 kW. C'est pourquoi un Ecocraft avec cinq modules (5 x 40 kW) est installé dans le local de formation/technique. Les opérateurs ont compté la fréquence des démarrages et ont constaté une durée moyenne de fonctionnement de la chaudière de 2,5 jours par démarrage. Cette valeur ne devrait pas être particulièrement surprenante pour une installation de chauffage modulante, qui peut descendre jusqu'à quelques kilowatts. En cas d'hiver rigoureux, les besoins en chaleur et la puissance thermique devraient s'équilibrer et l'installation devrait pratiquement tourner à plein régime, mais si l'on considère l'ensemble d'une période de chauffage, 2,5 jours sont un signe de configuration très solide de l'installation.
Maintenant distributeur Magra pour rendeMIX
Fig. 7 : rendeMIX avec distributeur Magra.
Si l'on regarde l'installation chez Richter + Frenzel, on remarque la tuyauterie encore très coûteuse des différents groupes de mélangeurs. Cela coûtait cher. Dans le cas de Richter + Frenzel, cela n'a pas joué un rôle essentiel dans la décision, d'abord parce que l'on voulait mettre en place une installation de démonstration et ensuite parce que des négociations étaient déjà en cours avec le fabricant de robinetterie Magra pour couler un distributeur spécial pour le "rendeMIX". Celui-ci permettrait de réduire les coûts dans le commerce et de rendre l'architecture particulière du montage en série plus attrayante du point de vue des coûts et du montage.
En 2006, Magra et Baunach ont présenté la robinetterie au salon SHK d'Essen. Elle combine le schéma "rendeMIX" avec le principe de la barre de distribution bien connue. La particularité réside toutefois dans le fait que trois raccords sont prévus par groupe de mélangeurs et non deux comme dans la version standard, à savoir départ chaud, retour chaud, retour froid. Le distributeur permet de raccorder jusqu'à cinq groupes. Pour éviter toute confusion, les différents raccords sont clairement marqués. Il suffit de respecter l'ordre des circuits de chauffage et de les raccorder au générateur de chaleur avec une température de retour décroissante. Pour le reste, il n'y a aucune différence avec le système Magra qui a fait ses preuves.
Grande utilisation du pouvoir calorifique
Cela s'exprime également dans l'utilisation du pouvoir calorifique. Les fabricants promettent des taux d'utilisation de 105 % en général. Mais il y a souvent un écart considérable entre la théorie et la pratique ou entre le banc d'essai et le terrain. Cela est dû à des températures de retour trop élevées. Avec une valeur d'environ 40 °C, la quantité d'eau de condensation est deux fois plus faible que le "gain" à 20 °C. Au final, cela revient à perdre cinq pour cent de taux d'utilisation par rapport à ce qui est réalisable. Dans la succursale de Richter + Frenzel, il ne devrait pas y avoir de différence entre le rendement de la chaleur de condensation prévu et celui mesuré, en raison de la triple utilisation du départ jusqu'à 20 °C. En effet, le rendement de la chaleur de condensation est plus élevé que celui de la chaleur de condensation mesurée.
Les conseillers et les responsables de la formation ont toutefois voulu s'appuyer ici aussi sur des preuves tangibles et ont suggéré l'installation d'un appareil de mesure BrennCon. Celui-ci permet d'évacuer l'eau de condensation. Il s'agit en principe d'un collecteur de condensat avec une pompe de relevage intégrée qui vide le réservoir plein dans le réseau d'eaux usées et détermine le volume de condensat à partir du nombre de courses. Le calcul ultérieur effectué par Richter + Frenzel a donné des résultats extrêmement réjouissants : la consommation de gaz de 4182 m3 soit 43 284 kilowattheures pour la période du 20.12.2005 au 12.01.2006, contre 94 g/kWh de condensat spécifique. La figure 3 indique une température moyenne de retour d'environ 25°C. oC et un rendement thermique de la chaudière de 104% sur la période considérée. À 42 oC de retour - comme par le passé - l'"Ecocraft" aurait dû se contenter d'environ 4 % d'efficacité en moins - et aurait ainsi gaspillé 16 000 kWh.
Quelques retouches
Au moins 16 000 kilowattheures gaspillés. En effet, dans les premières semaines de mise en service, l'installation s'appuyait encore sur un ancien logiciel de régulation qui n'était pas adapté sur mesure à l'architecture à trois circuits. Vaillant l'a amélioré. Le succès est également attesté par la figure 3 : à partir de janvier, la quantité d'eau de condensation s'est stabilisée à environ 98 g/kWh, ce qui signifie encore au moins un demi-point de pourcentage de plus ou 2000 kWh.
Encore un bémol au départ : une erreur d'installation s'était glissée. Celle-ci a probablement eu un impact négatif sur le coefficient de performance de l'installation au sens de l'ordonnance sur les économies d'énergie. L'une des sondes extérieures signalait malheureusement, comme on l'a découvert plus tard, des températures de gel permanentes. Conséquence : même par temps doux, l'eau de départ s'écoulait dans les radiateurs avec une température de chaudière limitée à 67 °C maximum. On en restait malgré tout à un retour de 22-25 °C, mais selon la norme DIN 4701 partie 10 "Évaluation énergétique des installations de chauffage et de ventilation", la perte de chaleur de la distribution de chaleur augmente avec la température du système. Mais comme le niveau de distribution à Kassel se trouve majoritairement à l'intérieur de l'enveloppe thermique de l'objet, les réductions ne devraient se faire sentir que de manière minime en euros et en centimes.
Bernd Genath
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