Bien plus qu'une simple robinetterie en bronze
Un mélangeur à quatre voies comme intégrateur de système décisif
Il est sur le marché depuis plus d'une décennie, son utilité et sa rentabilité sont incontestées, mais son acceptation par le grand public n'est toujours pas au rendez-vous. Peut-être parce que la logique de régulation bien pensée et la technique de mélange du mélangeur à quatre voies "rendeMIX" constituent une caractéristique unique. C'est pourquoi la formation et la littérature ne lui accordent que peu d'attention. Le fabricant doit veiller lui-même à la pénétration du marché en organisant des cours et des séminaires. DKZ s'est assis sur les bancs de l'école.
"Le principal problème des chargements et déchargements conventionnels des réservoirs tampons, c'est-à-dire des chargements et déchargements habituels à une seule zone, est le mélange. Celui-ci limite considérablement la quantité de chaleur effectivement utilisable.
Image 1 : Würzburg, été 2013
Il est tout simplement impossible d'éviter que l'eau qui entre et sort du récipient ne provoque une circulation qui fait baisser la température dans la zone chaude et l'augmente dans la zone froide, au bas du récipient. L'avantage du chargement et du déchargement en deux zones avec le 'rendeMIX' réside dans le fait que l'eau chaude, l'eau froide et l'eau mélangée - eau mélangée par utilisation du retour - n'entrent et ne sortent que dans leur zone respective. Au milieu du tampon, une sorte de bouclier de sécurité se met en place. Cela stabilise la séparation entre la moitié supérieure chaude et la moitié inférieure plus froide dans le chauffe-eau. La stratification est maintenue".
Hans-Georg Baunach explique les avantages énergétiques et hydrauliques du mélangeur multivoies "rendeMIX". Lieu : Würzburg à la fin de l'été de l'année dernière. Motif : séminaire hydraulique de HG Baunach GmbH & Co. KG. Thème : l'augmentation de l'efficacité des systèmes de chauffage. "L'efficacité est le résultat de la coopération harmonieuse de plusieurs composants au sein d'un système. Le principe "rendeMIX" vous aide à mettre en place des systèmes de chauffage efficaces. Le séminaire vous révèle les potentiels d'efficacité dormants dans les installations de vos clients - et comment vous pouvez les faire vivre".
Une utilisation polyvalente
C'est précisément pour cette raison que les 16 maîtres artisans ont répondu à l'invitation et sont venus à Würzburg. Il y a environ 15 ans, le L'entreprise Baunach de Hückelhoven, sur la rive gauche du Rhin s'est fait remarquer pour la première fois avec sa technique de régulation spéciale.
Figure 2 : 240 pour cent au lieu de 100 pour cent d'accumulation de chaleur dans un tampon de 100 l, résultat de l'essai Université de Biberach
À l'époque, l'accent était mis sur la connexion en série d'un circuit haute température (radiateurs) avec un circuit basse température (chauffage par le sol). Ce schéma est devenu la norme dans les maisons individuelles de nombreuses régions d'Allemagne. Le procédé breveté fait du retour du circuit haute température le départ du chauffage par le sol, bien que des quantités d'eau très différentes circulent. Les sections d'équilibrage internes dans le mélangeur à quatre voies et la structure de mélange - pour mélanger la température de départ au degré près et en économisant de l'énergie, la technique recourt à différents niveaux de température - résolvent cette tâche de commutation pratiquement impossible à réaliser à la main (image 2).
"Pour vous, cela ne signifie pas que vous avez maintenant suivi un cours avancé de science thermique pour comprendre l'appareil. Il fait la plupart des choses tout seul. La commande se fait automatiquement par les températures uniquement. Vous n'avez pas besoin de régler les débits. Cette formation ne vise qu'à vous faire comprendre la philosophie", explique le conférencier pour dissiper la crainte d'une trop grande théorie.
Entre-temps, le spectre d'utilisation s'est sensiblement élargi, comme en témoignent les ventes de la robinetterie. Des entreprises d'installation innovantes utilisent ce composant dans différents systèmes. Tout d'abord, bien sûr, pour le couplage d'un circuit haute température et d'un circuit basse température. Deuxièmement, pour le chargement de ballons tampons à deux zones. Dans ce cas, le rendeMIX veille à ce que la stratification dans le ballon soit maintenue aussi longtemps que possible. Troisièmement, il charge et décharge les réservoirs de manière aussi habile que le développement de Baunach, ce qui a pour conséquence de prolonger de manière économique la durée de fonctionnement (heures d'utilisation annuelles) des installations solaires ainsi que des petites centrales de cogénération.
Temps de fonctionnement de la chaudière doublé
Figure 3 : Principe de mélange dans les installations à deux circuits
Question à l'auditoire : "À quel rythme devez-vous recharger une chaudière à bûches ?" "Au plus tard au bout de deux jours". "Oui, et c'est pourquoi vos clients ne peuvent pas partir en week-end aussi facilement. Le mélangeur ici double pour ainsi dire le confort d'une chaudière à bûches. Le générateur de chaleur ne brûle pas son remplissage en deux jours, comme c'était le cas auparavant, mais le 'rendeMIX' exploite si habilement le volume de stockage du tampon que les sondes de la régulation d'air primaire signalent 'pas encore de besoin de chaleur'. La chaudière chauffe pendant quatre jours en mode économique. En hiver, la famille peut aller skier en toute tranquillité le week-end, sans devoir rentrer le dimanche soir dans un appartement froid ou, au contraire, faire appel au voisin. Cela s'est confirmé à plusieurs reprises". (photo 3)
Le chef d'entreprise explique de manière convaincante le gain de deux jours à l'aide du schéma d'écoulement à l'intérieur du boîtier en fonte rouge.
Figure 4 : Quantité d'eau de condensation et rendement des chaudières gaz à condensation en fonction de la température de retour (photo : Ruhrgas AG)
Son public écoute attentivement. Hans-Georg Baunach sait comment présenter de manière vivante, divertissante et compréhensible la matière aride et compliquée qu'est l'hydraulique. La gestuelle et la diction rendent la théorie presque visible.
Et bien sûr aussi les faiblesses des techniques d'installation habituelles : "Ce qui compte, ce n'est pas la quantité de chaleur contenue dans le réservoir tampon, mais l'utilité qu'elle apporte. Nous faisons la différence entre l'exergie précieuse et l'anergie peu précieuse.
Un réservoir mélangé n'est pas seulement trop froid pour préparer de manière satisfaisante de l'eau potable ou de l'eau de bain, avec pour conséquence que la chaudière doit en fait fonctionner inutilement à des cadences élevées, il est en même temps trop chaud pour pouvoir absorber par exemple la chaleur solaire - il y a donc un double dommage". Le dommage réside dans le gaspillage de la chaleur (solaire) et de la capacité offertes.
La physique décisive
Une formule toute faite se décline en variations tout au long de la manifestation de cinq heures :
Figure 5 : Utilisation du retour dans la technique de condensation : inverseur hydraulique et pompe de radiateur économisés plus 8 % de rendement en plus (d'après la figure 4)
"Veuillez noter que 1 kWh correspond en gros à 1 m3 Eau de stockage x 1 Kelvin Delta T". Un delta T de 10 Kelvin ou degrés Celsius permet d'alimenter un tampon de 1 m3 volume, il est déjà possible de prélever ou d'alimenter 10 kWh. "Plus le delta T est grand, plus la capacité de puissance est importante dans un sens ou dans l'autre. C'est pourquoi la règle suivante s'applique : plus la température de retour est basse, plus le ballon peut être petit. Dans le tableau, vous voyez quelle doit être la taille, en fonction du delta T, d'un tampon qui doit fournir 15 kW pendant 8 heures". Avec "rendeMIX", l'accumulateur peut être deux numéros plus petits dans l'exemple.
L'armature s'efforce d'obtenir un écart de température élevé afin d'obtenir des modèles plus compacts ou d'augmenter la capacité de stockage de la capacité installée. L'université des sciences appliquées de Biberach a calculé concrètement dans quelle mesure le chargement et le déchargement en deux zones avec utilisation du retour, que permet le principe de mélange, génère un rendement supplémentaire. Un ballon tampon de 1 000 litres a été mis à l'épreuve. Celui-ci alimentait une centrale de cogénération avec une température de départ de 90 °C. Avec une température de retour du circuit haute température de 50 °C, on a calculé une capacité de stockage théorique de 47 kWh. Mais en réalité, le raccordement standard de l'armature de soutirage (décharge à zone unique) ne permettait de prélever que 17 kWh : Dans ce cas, la capacité théorique est réduite d'un facteur 2,7.
Résultats de l'université de Biberach
Figure 6 : Avec une température de retour de 43 °C, la technique de mélange conventionnelle ne permet guère de gain de condensation.
La faute de cette faible efficacité - c'est ce qu'a démontré l'université de Biberach - est le mélange inévitable dans le réservoir tampon lors d'une alimentation conventionnelle. Il réduit considérablement la quantité de chaleur utilisable, car il détruit la stratification. Dans la deuxième partie de l'essai, les encadrants ont modifié la stratégie de chargement pour passer au mode de fonctionnement chargement/déchargement à deux zones avec le rendeMIX. Les servomoteurs ne mélangeaient plus l'eau chaude avec l'eau froide, mais l'eau chaude avec l'eau chaude et - selon la valeur de consigne - l'eau chaude avec l'eau froide. Du côté du chargement, la zone tampon supérieure ne recevait que de l'eau chaude et se réchauffait donc plus rapidement, tandis que la zone inférieure restait froide plus longtemps. Pour le déchargement, la régulation prélevait d'abord de la chaleur dans la zone tampon inférieure à partir de la connexion centrale du réservoir. Celle-ci s'est donc refroidie plus rapidement. La zone tampon supérieure est donc restée à un niveau de température élevé.
Résultat : la capacité de stockage effective a augmenté d'environ 60%, passant de 17 kWh à 27,4 kWh. Si l'on optimisait l'emplacement des capteurs sur l'accumulateur qui activent et désactivent la centrale de cogénération, l'efficacité de la mémoire tampon pourrait encore être augmentée d'environ 30 à 50 % dans le cas de Biberach (figure 4).
Hans-Georg Baunach condense la conclusion du rapport Biberach en ces termes : "Le principe du mélange est pourtant très simple à expliquer. Imaginez que vous ayez un seau d'eau à 55 degrés et un seau d'eau à 45 degrés. Vous pouvez les verser ensemble pour former deux seaux à 50 °C. Maintenant, vous prenez deux seaux de 30 et 70 °C, vous pouvez également les mélanger pour obtenir deux seaux de 50 °C. De ce côté-là, rien n'est gagné. Seulement, dans le premier cas, vous disposez d'une température maximale de 55 °C, dans le second de 70 °C. Si, en hiver, vous avez besoin d'une température de départ de 65 °C quelque part, le faible delta T ou les 45 °C dans le ballon ne vous seront d'aucune utilité. La chaudière doit réchauffer. À 70 °C, vous pouvez recourir à l'accumulateur. C'est ainsi que se présente la 'pensée' du rendeMIX".
La différence avec l'accumulateur à stratification
Comme le conférencier s'y attendait déjà, la question habituelle tombe à un moment donné : "Quelle est donc la différence entre un accumulateur à stratification et votre procédé, Monsieur Baunach ?"
Réponse simple : "Le mien fonctionne". Le principe de l'accumulateur à stratification idéal, dit le développeur, est le même. Seulement, l'accent est mis sur l'idéal, c'est-à-dire sur une stratification propre. Mais cela n'est guère possible avec les commandes à clapet et autres artifices. "En revanche, le 'rendeMIX' prélève l'eau chaude du ballon lors de la décharge d'une seule zone, au milieu entre le haut chaud et le bas froid, et la mélange soit avec l'aller, soit avec le retour. Du point de vue énergétique, il est plus logique de refroidir l'eau chaude au lieu de l'eau chaude ou de chauffer l'eau chaude au lieu de l'eau froide (de retour), selon la situation". En outre, cette forme de décharge depuis le centre du tampon stabilise les zones chaudes et froides.
Description de la fonction
Le système breveté rJET 3×4 assure, avec ses trois raccords, une stratification optimale dans le réservoir tampon lors du déchargement, en alimentant d'abord le retour des radiateurs dans la séparation de système du chauffage par le sol avant d'accéder au départ chaud de la chaudière. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'installer un inverseur hydraulique ou une pompe supplémentaire avant la séparation du système. La soupape de décharge intégrée maintient la pression différentielle à environ 60 mbars au-dessus de la séparation de système. L'excédent plus chaud du retour des radiateurs est réinjecté au milieu du tampon, séparément du retour froid du circuit de plancher. Le tampon reste chaud plus longtemps en haut et se refroidit plus rapidement en bas, ce qui augmente à la fois le rendement solaire et le confort en eau chaude. Les avantages en bref :
- installation très simple grâce à un module compact
- Jusqu'à 100 % de rendement solaire en plus grâce à la zone froide du réservoir tampon
- jusqu'à 100 pour cent de confort d'eau chaude en plus grâce à la zone chaude dans le réservoir tampon
- pas d'aiguillage ni de pompes supplémentaires nécessaires dans le circuit de chauffage et avant la séparation du système
Le classique, l'utilisation des retours, ne profite pas seulement au raccordement d'un circuit basse température à un circuit haute température. Les retours froids et les débits plus faibles optimisent la rentabilité des chaudières à condensation, des installations solaires, des pompes à chaleur, des stations de transfert et des réseaux de distribution. La condensation produit en outre de l'eau de lavage : cela réduit l'encrassement et la corrosion des échangeurs de chaleur à condensation du côté des gaz d'échappement et augmente donc leur espérance de vie. Cela aussi est prouvé.
À partir de quand y a-t-il un gain de condensation ?
A propos de la condensation. Question : "Quelle est la quantité d'eau de condensation produite à une température de retour de 50 °C, qu'en pensez-vous ?" L'auditoire se garde bien de donner une indication en millilitres. Mais sans doute pas mal, alors que le point de rosée des gaz d'échappement du gaz naturel est légèrement inférieur à 60 °C. "Rien, zéro, ce n'est qu'à environ 47 °C qu'il y a tout juste des gouttes. La température théorique du point de rosée de 58 °C ne tient pas compte de l'excédent d'air, avec lequel nous roulons pourtant régulièrement, et vous devez encore calculer le delta T nécessaire dans l'échangeur de chaleur à condensation entre les gaz d'échappement et le retour".
Via Power Point, des diagrammes de Ruhrgas AG s'allument sur l'écran. Le premier montre que le point zéro de la condensation se situe à 48 °C de température de retour. Et également qu'à 45 °C, seuls 30 grammes d'eau par kilowattheure transpirent - sur les 110 grammes possibles pour un retour de 20 grammes. Avec "rendeMIX", la température du retour de chauffage devrait se stabiliser à 30 °C, soit 90 grammes de condensat pour 1 kWh. "Et le rendement de la chaudière augmente ainsi de 8 % par rapport à 50 °C. Ce n'est pas moi qui l'ai calculé, c'est Ruhrgas qui le dit", constate le conférencier Hans-Georg Baunach.
Figure 7 : Test de longue durée. Chargement et déchargement du tampon selon le principe des deux zones
Les diagrammes de Ruhrgas
Figure 8 : Combinaison d'une installation solaire et d'une chaudière à gaz
Le diagramme suivant de l'exposé indique la dépendance du point de rosée par rapport au nombre d'air. "Des fluctuations dans l'offre d'air ne sont pas à exclure pour différentes raisons. Le foyer ne doit pas produire de suie, c'est pourquoi le brûleur fonctionne avec un excédent d'air, pour ainsi dire comme réserve. Ainsi, comme le montre l'image, le point de rosée et par conséquent le gain de condensation diminuent également. Entre les indices d'air lambda 1 et lambda 2, pour ne citer que des valeurs de référence, la différence est de 10 K, le point de rosée passe donc de 58 °C à 48 °C. Et de cela, il faut encore déduire les degrés d'écart nécessaires dans le condensateur. Utilisez donc si possible des brûleurs à faible indice d'air, par exemple des brûleurs à prémélange, afin d'obtenir une utilisation de la condensation même avec des températures de retour un peu plus élevées".
Figure 9 : Le matériel
Le séminaire est à moitié une révision. Il déterre des éléments perdus et clarifie à nouveau les relations. L'explication de la technique des poussins dans le mélangeur à quatre voies de Baunach ne prend que peu de temps, l'accent étant mis sur la problématique des systèmes de chauffage actuels. Leur rentabilité est de plus en plus remise en question, car le rapport entre les dépenses et le gain d'efficacité n'est plus guère justifiable. "Mais ce n'est pas la faute de la technique ou du prix des composants. C'est l'absence d'une vision globale du système qui est à l'origine de cette disproportion. On ne peut pas le dire autrement, le simple fait d'assembler des pièces les unes aux autres, sans réfléchir aux interactions, élimine tout simplement de nombreux points de pourcentage de gain d'efficacité".
Viser l'unité du système
Le principe de mélange à quatre voies contribue de manière notable et rentable à l'amélioration de l'efficacité du système dans la production de chaleur (utilisation de la condensation), dans la distribution de chaleur (couplage des circuits haute et basse température) et à l'efficacité du système dans le stockage de la chaleur (chargement et déchargement à deux zones avec utilisation du retour). Les chaudières à gaz et à fioul et les thermes en profitent tout autant que les générateurs de chaleur à biomasse, les installations de pompes à chaleur et les capteurs solaires ou les combinaisons correspondantes. C'est essentiellement du côté de l'installation que se décide si le rendement optimal est atteint. Les schémas électriques et les images de flux de chaleur présentés lors du séminaire expliquent pourquoi.
Hans-Georg Baunach résume : "L'une des erreurs du passé a été de relier les retours froids et chauds et de les renvoyer ensemble, comme un seul brin, vers la chaudière, en pensant que le brûleur n'aurait alors pas besoin de pousser autant. Malheureusement, ce type de circuit ne permet pas de récupérer plus efficacement la chaleur résiduelle d'un fluide plus chaud à l'aide d'un fluide plus froid, éventuellement même suffisamment pour chauffer une section complète. Et inversement : si un départ de 50 degrés est suffisant à midi et que le mélangeur multivoies ne prélève effectivement que ces 50 degrés, le bâtiment dispose encore de 80 degrés le soir à partir de la zone supérieure. En revanche, si la régulation avait puisé dans les 80 degrés et les avait réduits à 50 degrés avec de l'eau froide, la chaudière devrait chauffer le soir".
www.baunach.net
Bernd Genath
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