Un problème résolu
Equilibrage hydraulique : l'artifice de la limitation de la température de retour
Régulièrement réclamée, mais rarement réalisée dans les règles de l'art : L'équilibrage hydraulique est sans doute la mesure d'efficacité énergétique la plus efficace et la moins coûteuse, mais elle n'est généralement réalisée qu'à moitié, notamment dans la rénovation des bâtiments anciens, en raison des différentes inconnues. Une toute nouvelle méthode, qui séduit à la fois par sa simplicité et par son efficacité, vient de passer ses tests sur le terrain pour les chauffages au sol. Entre autres dans la maison d'un conseiller en énergie de l'église en Basse-Franconie.
Lors de la visite de la SHT de l'aumônier, il n'a pas été possible de savoir si l'impératif chrétien de "préserver la création" avait été déterminant dans son engagement en faveur d'une technique du bâtiment efficace sur le plan énergétique. Christof Bärhausen dans la ville franconienne de Maibach. Il y a une trentaine d'années, le Conseil œcuménique des Églises avait en quelque sorte inscrit l'impératif dans le programme des partis, faisant ainsi de l'éthique la pierre angulaire d'une politique environnementale durable. En discutant avec ce théologien du sud de l'Allemagne, il semble que ce soit davantage la physique que la métaphysique qui l'ait poussé non seulement à prêcher l'efficacité, mais aussi à la démontrer avec compétence à sa communauté : Il a tout simplement un fort penchant pour la technique. Un penchant qui ne se contente pas du niveau d'un amateur doué. Christof Bärhausen s'est plongé plus profondément dans la matière. Il a finalement reçu la haute consécration de la chambre des métiers de Basse-Franconie, devant laquelle il a passé "l'examen avec tout ce qu'il faut" (Bärhausen) pour devenir conseiller en énergie (HWK). De ce point de vue, la physique et la métaphysique s'enchevêtrent chez lui : l'homme d'église apporte aujourd'hui sa contribution pratique à la sauvegarde de la création dans sa propre maison et par un travail communal "domotique".
Figure 1 : Au total, neuf circuits de chauffage alimentent la maison, cinq au rez-de-chaussée, quatre pour les étages supérieurs. Chaque circuit de chauffage a son propre limiteur de température de retour (sur la barre de distribution de retour inférieure). Des armatures RTB seront également installées dans les conduites montantes à gauche vers les radiateurs de l'étage supérieur. En outre, il est prévu de raccorder directement les radiateurs surdimensionnés en raison de l'assainissement énergétique des combles au départ et au retour du circuit de plancher, sous forme d'échangeurs de chaleur basse température. Les RTB à régulation dynamique équilibrent hydrauliquement l'installation. Les trois servomoteurs à droite réagissent aux impulsions des thermostats d'ambiance électriques.
Guidé par la méfiance
Tout d'abord, un regard sur le passé : l'intégration insatisfaisante de l'installation solaire via un tampon dans l'ancienne chaudière à mazout de son immeuble d'habitation l'a confronté pour la première fois aux lois de l'hydraulique et à la constatation qu'elle, l'hydraulique, devait être le tout premier point de départ des mesures d'optimisation. Comment structurer la stratification des températures, le chargement et le déchargement afin de gaspiller le moins possible de gains solaires ?
L'agent pastoral catholique romain a étudié les voies d'écoulement dans le mélangeur multivoies "rendeMIX", qui a été mis sur le marché à l'époque, il y a environ 15 ans, et sur lequel un ami ingénieur avait attiré son attention. Il l'a installé. Le développement de Baunach, avec ses dérivations internes, équilibre différents volumes d'eau et permet ainsi, par exemple, de transformer le retour d'un circuit haute température (radiateur) en départ d'un chauffage par le sol. Ou encore, elle prélève d'abord de l'eau non mélangée dans un chauffe-eau à deux ou plusieurs zones - et retient ainsi une exergie précieuse à haute température - avant de mélanger le chaud et le froid. Comme elle s'efforce de stabiliser l'étalement dans un accumulateur à stratification, elle augmente également le rendement solaire, car le réservoir, en raison de sa zone froide, lui prend même encore de la chaleur de collecteur quelques degrés au-dessus du froid.
Concernant le problème actuel
Le compteur de chaleur de l'installation Bärhausen a montré le succès de la mise à niveau du mélangeur à l'époque. Il fonctionnait plus lentement. Les expériences positives ont confirmé au conseiller en énergie l'importance d'une hydraulique correcte et sensible. Mais en même temps, cela l'a rendu méfiant quant aux effets d'économie d'autres mesures mises en œuvre, comme une façade suspendue en bois avec 21 cm d'isolation entre le coffrage et la pierre, la rénovation du toit, le vitrage isolant, la réduction des ponts thermiques, qui devaient élever la maison individuelle datant d'avant la première ordonnance sur l'isolation thermique au standard KfW 55. Comment réguler les flux d'eau dans un bâtiment ancien avec une multitude de circuits pour le salon, la chambre à coucher, les enfants et le bureau, pour la cuisine et la salle de bains, pour les pièces sous le toit avec des radiateurs désormais surdimensionnés, pour le chauffage au sol dans la zone d'habitation en fonction des besoins réduits ?
Photo 2 : Typique de l'architecture du sud de l'Allemagne : chauffage par le sol en bas, chauffage par radiateurs aux étages supérieurs.
Figure 3 : Réglage de la température de retour sur les RTB entre 17 et 22 °C environ, selon la pièce et la taille de l'échangeur de chaleur, l'utilisation et la température souhaitée. Le réglage fin est du ressort de l'utilisateur.
Avec d'anciens robinets thermostatiques sans possibilité de préréglage du débit ? Mais même les robinets à préréglage réagiraient de manière relativement statique "à l'ouverture" et "à la fermeture" et ne réguleraient pas de manière efficace et dynamique, en fonction du volume d'eau, les influences et les conditions changeantes. Les dispositions relatives aux subventions KfW prescrivent l'équilibrage hydraulique - et, comme nous l'avons vu, Christof Bärhausen le considérait de toute façon comme une nécessité.
Dynamique plutôt que statique
Comme le hasard fait parfois bien les choses, Hans-Georg Baunach, contrôleur de robinetterie et directeur de la société HG Baunach GmbH & Co. KG de Hückelhoven, près d'Aix-la-Chapelle, depuis quelque temps déjà. Ses tests et ses succès avec le "rendeMIX" lui ont appris que l'équilibrage hydraulique effectué manuellement n'est qu'un mélange d'essais et d'erreurs, voire d'essais tout court. La méthode classique doit en outre vivre avec la faiblesse que l'introduction d'un débit rigide fait perdre une partie du potentiel de gain. La robinetterie multivoies "rendeMIX" de Baunach ne sert toutefois pas à cela. Elle doit mélanger des eaux de températures différentes, et non pas réguler les débits d'eau. L'ingénieur a donc cherché une autre solution au problème de régulation. Elle devait être à la fois optimale et simple.
"Simple" à deux égards : l'artisanat doit l'accepter et le prix, exprimons-le ainsi, doit augmenter son acceptation. Il ne faut pas faire le calcul en comparant le temps de travail économisé et le temps consacré à la comparaison habituelle. Pratiquement aucune entreprise ne ferait un tel calcul. Il ne devait s'agir que d'un produit à deux euros. Le pari de la limitation de la température de retour en tant qu'équilibrage thermo-hydraulique a été réussi. Depuis environ un an, différents projets pilotes sont en cours, dont l'installation de Bärhausen fait partie. Il s'agit ni plus ni moins, comme son nom l'indique, d'un limiteur de température de retour : une vanne RTB à installer sur le retour d'un circuit de chauffage, en aval de l'échangeur de chaleur.
Figure 4 : les ponts thermiques potentiels au niveau des fenêtres et des portes de balcon sont minimisés par un remplissage isolant de telle sorte qu'ils ne compromettent pas la norme KfW 55.
Figure 5 : La surface habitable chauffée est de 160 m au total.2dont 120 m2 Chauffage au sol et radiateurs dans les combles. Près des fenêtres, les vannes d'aération des appareils d'aération et de ventilation décentralisés. Sur la photo, Christof Bärhausen.
Le paramètre de conception est uniquement le diamètre nominal du retour. La robinetterie fonctionne de manière thermo-dynamique. En d'autres termes, elle adapte en permanence le débit à la valeur de consigne de la sonde de température de retour réglable : si la température augmente, elle réduit le débit à travers les serpentins de chauffage dans le sol, si elle diminue, elle assure un débit de circulation plus élevé. Elle se charge ainsi de manière totalement autonome et en fonction de la température ambiante de l'équilibrage hydraulique des circuits ou de la régulation du débit par le radiateur basse température ou les serpentins de plancher. Orientée sur la température ambiante : Celle-ci peut toujours être réglée à l'aide de la vanne thermostatique du radiateur ou d'une régulation alternative pièce par pièce, mais le volume de débit est désormais harmonisé avec la valeur de consigne de l'air ambiant via la température de retour. Les deux robinets correspondent entre eux sans aucun lien physique.
Photo 6 : La maison est chauffée par une (ancienne) centrale de cogénération à l'huile végétale, qui devait à l'époque alimenter un réseau de chaleur local, mais qui n'a pas été réalisé. Un poêle à bois avec une poche d'eau, qui pourrait également chauffer toutes les pièces, est également relié au réservoir tampon combiné sans pression (1.000 l). La surpression dans le ballon ne doit pas dépasser 0,1 bar. C'est pourquoi il est découplé hydrauliquement de l'installation de chauffage par un échangeur de chaleur (tout à gauche). Le "rendeMIX" inférieur est responsable de la charge en deux zones du ballon tampon combiné avec échangeurs thermiques intégrés. La stratification garantit suffisamment d'eau chaude pour la cuisine et la salle de bains. Le mélangeur multivoies supérieur a servi à intégrer efficacement l'installation solaire thermique en collaboration avec la chaudière de charge de pointe de l'époque.
Idéal, car sans aucun calcul
Comment cela fonctionne-t-il ? Pour le réglage de base, le RTB doit également utiliser des valeurs empiriques liées à la pièce, comme c'est généralement le cas pour les vannes thermostatiques. Prenons un exemple : La température dans la chambre à coucher doit être de 18 °C. Le robinet thermostatique est supposé être réglé sur le niveau 3. Du point de vue du débit, le niveau 5 ou 23 °C sur l'échelle du RTB suffisent peut-être pour ces 18 °C. Comme nous l'avons dit, le réglage dépend des caractéristiques thermiques du bâtiment. En fin de journée, la température extérieure et la température ambiante baissent. La vanne du radiateur s'ouvre. Sans RTB, le débit nominal complet se précipiterait presque spontanément à travers la surface de chauffe, affectant ainsi d'autres circuits. Le RTB, quant à lui, attend.
Caractéristiques techniques des vannes
Les limiteurs de température de retour pour les circuits de chauffage par le sol (RTB-Fbh) ainsi qu'une version pour l'équilibrage thermo-hydraulique des échangeurs de chaleur sur les ballons d'eau chaude sanitaire, les réchauffeurs d'air, les échangeurs de chaleur pour piscines et les installations de ventilation des locaux (kit d'équilibrage RTB) sont actuellement disponibles dans le commerce. Des robinets exclusivement destinés aux chauffages par radiateurs sont actuellement à l'essai. La variante pour le chauffage au sol, comme dans l'objet Bärhausen, se compose d'une partie inférieure en laiton et d'une tête thermostatique avec sonde de température intégrée. Comme c'est généralement le cas avec les robinets thermostatiques, on règle la valeur de consigne du retour, adaptée à la température de l'air ambiant, à l'aide du capuchon rotatif situé sur la partie supérieure. Le RTB soutient et accélère l'effet d'autorégulation du chauffage par le sol. La température de retour augmente lorsque la température ambiante augmente, c'est-à-dire lorsque la surtempérature de la surface chauffante diminue par rapport à la température ambiante. Dans ce cas, le régulateur individuel habituel à deux points, qui ne peut qu'activer et désactiver le circuit, bloque le débit. Si le régulateur s'ouvre, il fait passer la totalité de la quantité d'eau à travers le circuit, il n'intervient donc pas sur le débit. C'est pourquoi tous les circuits de chauffage par le sol doivent être calculés de manière complexe, puis les volumes d'eau calculés doivent être régulés par un organe de réglage. C'est une méthode qui prend beaucoup de temps. Et bien sûr, tous les réglages s'influencent mutuellement : lorsque les trois dernières boucles sont en place, le courant qui devrait circuler dans le premier circuit a certainement changé. Le procédé ressemble à une équation à plusieurs inconnues. Le point optimal est aléatoire.
En revanche, avec la limitation de la température de retour sous la forme d'une vanne RTB proportionnelle, la puissance qui circule à travers les surfaces partielles est toujours exactement celle que la surface partielle doit fournir. La température de retour, en tant que grandeur de régulation, règle le débit de manière dynamique. Pour une application pratique, la société Baunach recommande d'installer les RTB directement sur les collecteurs de retour des distributeurs. Diamètre nominal de la vanne DN 15, perte de charge de 100 mbar pour un débit de 0,40 m3/h, valeur Kvs de 1,3 m3/h, plage de réglage de la consigne de retour de 0 à 40 °C, surpression de service admissible de 10 bar. Le deuxième modèle, le kit d'équilibrage RTB pour l'autorégulation thermique et hydraulique des débits des échangeurs de chaleur des réservoirs d'eau potable, des réchauffeurs d'air, des échangeurs de chaleur de piscine et des installations de ventilation, est disponible en trois tailles : DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 et 6,7, puissance à 20 K Delta T 18, 42 et 49 kW. Plage de température de retour de 20 à 70 °C.
Contrairement au RTB-Fbh, une sonde à distance avec tube capillaire est suspendue à la tête du thermostat pour placer la sonde à n'importe quel endroit dans le retour d'un échangeur de chaleur. Les deux variantes, celle pour le chauffage par le sol comme celle pour différents échangeurs de chaleur et réchauffeurs d'air, fonctionnent exclusivement de manière thermo-hydraulique sans énergie extérieure. Elles ne se ferment pas complètement. Un débit minimal de 1 % de la valeur nominale est garanti, de sorte que la sonde est toujours immergée dans l'eau de retour.
Il s'ouvre légèrement lorsque la température de retour a tendance à baisser en raison de la baisse de la température extérieure et il réduit le débit lorsque le thermostat d'ambiance est complètement ouvert et que la valeur mesurée sur la sonde RTB veut maintenant dépasser la valeur de consigne. Les autres circuits de chauffage ne sont donc pas privés d'eau de chauffage. Leurs RTB réagissent naturellement aussi en ouvrant les sections. L'ensemble du système s'adapte automatiquement. Le principe de régulation de la puissance des pompes de circulation autorégulées à haut rendement ne change pas. Elles adaptent automatiquement leur nombre de watts à la pression différentielle. Christof Bärhausen s'enthousiasme : "Avant, nous n'arrivions pas à maîtriser la situation. Dans les pièces supérieures, les thermostats d'ambiance ne faisaient qu'osciller entre l'ouverture et la fermeture complètes, et les grandes surfaces de chauffe aspiraient l'eau des autres ou les surchargeaient. Nous n'avons jamais réussi à chauffer toutes les pièces de la même manière, malgré une tentative d'équilibrage hydraulique.
Avec le RTB, la quantité d'eau reste limitée. Nous avons effectué nous-mêmes le réglage fin. Il suffit d'ajuster légèrement et une seule fois la partie supérieure de la vanne à un réglage qui donne la température ambiante souhaitée. Il faut certainement y toucher. Mais il faut le faire pour chaque vanne thermostatique".
Un succès audible
Pour les autres mesures d'assainissement prévues sur et dans la maison, le conseiller en énergie renonce donc aux vannes de radiateur préréglables, "car elles ne laissent passer qu'une quantité constante. Elles ne fonctionnent pas de manière dynamique. Pour le préréglage, je devrais effectuer un calcul de la charge de chauffage pour chaque pièce. Le RTB m'évite cela. Maintenant, des thermostats de radiateur tout à fait classiques suffisent". Le propriétaire de la maison est certain que, rien qu'avec l'équilibrage thermo-hydraulique, la facture d'huile végétale pour sa centrale de cogénération sera nettement moins élevée. Au départ, celle-ci devait alimenter quelques voisins du réseau de chaleur local. Mais ceux-ci se sont désistés par la suite, ce qui n'a pas empêché le remplacement de la chaudière à mazout par le coupleur de chaleur. Celui-ci avait déjà sensiblement diminué lors de la première phase du reboisement énergétique, pendant les six mois où seuls les RTB avaient été installés. "Au moins, quelque chose avait changé de manière audible.
Figure 7 : Test du limiteur de température de retour dans une usine chimique du Limbourg belge, avec un RTB en aval de chacun des 30 ventilateurs alimentés en eau chaude. Le thermocouple empêche la température de retour de grimper à plus de 45 °C en raison d'une faible absorption de chaleur de l'échangeur de chaleur, car la pression différentielle accrue adapte le débit de la pompe de circulation. L'eau de retour devient ainsi apte à la condensation.
Je ne peux pas fournir de correction des degrés-jours, mais la situation est telle que, selon l'expérience générale, une meilleure répartition de la chaleur permet d'économiser en moyenne statistique 10 à 15 % d'énergie de chauffage. Ce sera également le cas pour nous, car juste après le réglage des RTB, la centrale de cogénération a démarré beaucoup moins souvent. Nous avons d'ailleurs enregistré cet effet une deuxième fois. Nous l'avions également constaté au moment de la chaudière à mazout, à l'époque, après l'installation de l'armature "rendeMIX" dans le circuit solaire. Le volume du ballon tampon combiné a été mieux exploité, il a fourni de la chaleur beaucoup plus longtemps, la chaudière s'est rechargée moins souvent".
Ajustement fin par les résidents
Le Français d'adoption a retroussé ses manches. Il a du travail. Il faut isoler les tuyaux de la chaufferie. "Ce que vous voyez ici n'est vraiment pas un chauffage moderne dans le sens où on l'entend. Tout est assemblé et bricolé, et pourtant tout fonctionne à merveille". Au répartiteur du premier étage, il explique les réglages : "Nous voyons maintenant ici les quatre chambres : la grande chambre, la chambre sud et la salle de bain, la chambre nord. Cette dernière n'a jamais atteint la température ambiante que nous voulions.
Les servomoteurs électriques ici dans l'armoire de distribution sont couplés aux thermostats d'ambiance des trois chambres. La salle de bain doit toujours être un peu plus chaude, c'est pourquoi elle est complètement ouverte du côté de l'arrivée. Grâce aux possibilités de réglage sur les RTB, nous obtenons enfin les températures des chambres au degré près. Comme nous utilisions autrefois la grande pièce comme chambre à coucher, les tuyaux de chauffage sont relativement éloignés les uns des autres dans le sol. C'est pourquoi j'ai réglé le retour à 20 degrés. Pour les deux autres pièces, 15 ou 16 degrés suffisent, et la salle de bains a une température de retour de 22 à 23 degrés. La température de départ est de 30 °C pour toutes les pièces. En augmentant la température moyenne entre le départ et le retour dans la salle de bains à 26 °C, je la ramène à une température d'environ 24 °C. Un raisonnement similaire concernant la température moyenne s'applique également à la "grande chambre".
Juste un peu de patience
Monsieur Bärhausen, d'après votre expérience, que doit-on dire à un planificateur ou à un constructeur d'installations en ce qui concerne la limitation de la température de retour ? "En fait, rien. Comme je l'ai dit, le système se règle de lui-même. Il n'y a pas de préréglage sous cette forme. Il faut y aller avec un peu de sensibilité et regarder la pièce, son utilisation, son orientation nord/sud, ses échangeurs de chaleur/radiateurs et les prérégler sur une valeur.
Figure 8 : deux systèmes de ventilation individuels décentralisés avec récupérateur de chaleur en céramique sont installés dans chaque pièce. Ils fonctionnent alternativement comme appareils d'air entrant et d'air sortant, en passant du mode air sortant au mode air entrant toutes les 70 secondes. Pour le type Vento-Expert, le fabricant Blauberg indique un débit jusqu'à 50 m3/h et un degré de récupération de chaleur de 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Chaque utilisateur ou propriétaire peut alors ajuster les réglages de sa propre main. Soyez plus prudent avec le chauffage au sol. C'est un système lent, donc cela prend un peu plus de temps. Si l'on modifie le RTB de deux degrés, il faut patienter un ou deux jours avant d'observer les effets. Mais il n'y a pas besoin de calcul. A ma connaissance, c'est le seul système qui fonctionne ainsi. Avec tous les autres procédés d'équilibrage hydraulique, je dois tenir compte de la taille des radiateurs et d'autres éléments et les faire interagir afin d'ajuster les vannes préréglables ou les vannes de zone en conséquence. Ensuite, elles sont presque réglées. Il n'est pas garanti que ça marche. Ici, c'est l'exploitant qui procède au réajustement, mais il les règle sur une valeur de consigne de la température, et non sur une valeur de consigne de la section et donc du débit. C'est le RTB qui la cherche lui-même".
Modèle de confirmation pour la KfW
La KfW s'est mise d'accord avec la VDZ, l'association de pointe de la technique du bâtiment, sur une procédure d'équilibrage hydraulique qui doit être documentée dans un formulaire correspondant. La KfW ne s'oppose toutefois pas aux innovations. Elle fait savoir qu'il est possible de s'écarter de la procédure définie si l'alternative peut être attribuée au point 5.25 "Clause d'ouverture pour les technologies innovantes" de la fiche technique compétente pour les mesures d'efficacité du chauffage (publication KfW 600 000 3140). Pour les chauffagistes dont les clients souhaitent bénéficier d'une aide KfW/Bafa et qui demandent la confirmation de l'équilibrage hydraulique, la société Baunach a préparé un modèle correspondant.
Bernd Genath
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