L'hydraulique rendue visible
Sans comparaison, c'est comme un orchestre sans chef d'orchestre - Un séminaire à Arnsberg
Le besoin d'information dans la SHK-Le secteur de la formation est vaste. Il n'est pas nécessaire de présenter la formation continue sous la forme d'une soirée conviviale somptueuse. Si le thème est la zone problématique standard - l'hydraulique - et qu'une institution non orientée vers la vente, comme une chambre des métiers ou les nouvelles communautés énergétiques, invite, la salle de formation se remplit. Si, en plus, une expérience dans le laboratoire de chauffage confirme la théorie, les auditeurs demandent à la fin à l'hôte, presque dans l'expectative : "Quel est votre prochain thème ?"
La zone problématique de l'hydraulique. Celle-ci se développe de plus en plus avec la numérisation en réseau et l'Internet des objets. À l'avenir, les grossistes qui achèteront des composants individuels pour une installation sanitaire, de chauffage ou de climatisation achèteront des pièces de puzzle. Comme chacun sait, elles ne se complètent pour former une image parfaite que si elles sont placées au bon endroit. Transposé à l'hydraulique, le bon endroit signifie la bonne adaptation. Les différents composants ne jouent leur rôle que s'ils sont parfaitement adaptés les uns aux autres. Personne n'est en mesure de construire un système efficace avec des composants inefficaces. En revanche, combiner des composants efficaces pour créer un système inefficace n'est pas la règle, mais ce n'est pas non plus l'exception. "Bien que chaque musicien soit un virtuose, un concert d'orchestre sans chef d'orchestre ne serait pas un plaisir pour les oreilles", c'est ainsi que le conférencier a affiché la nécessité d'un équilibrage professionnel lors du séminaire sur l'hydraulique qui s'est tenu début février au centre de formation professionnelle de la chambre des métiers de Westphalie du Sud à Arnsberg.
Chargement et déchargement de réservoirs tampons
Figure 1 : Dispositif d'essai de chargement et de déchargement à deux zones avec un malaxeur multidirectionnel Chambre des métiers d'Arnsberg
Les réservoirs tampons et leur chargement et déchargement les plus performants, par exemple, devront à l'avenir assumer la responsabilité non seulement de l'approvisionnement des bâtiments, mais aussi de la transition énergétique. Ce n'est pas une formulation exagérée. Actuellement, le stockage de la chaleur joue également le rôle de soupape de surpression : parce que les parcs éoliens et les fermes solaires se développent plus vite que l'infrastructure. Que le développement des routes. Pour l'extension, les experts calculent une période de transition de dix bonnes années. Cela signifie que pour que le réseau ne devienne pas incandescent, il faudrait retirer les énergies renouvelables de la ligne au cours de la prochaine décennie. Ce n'est pas dans l'esprit du tournant énergétique. "C'est pourquoi", a récemment déclaré Stefan Kapferer, président de la direction générale de la Fédération allemande de l'industrie de l'énergie et de l'eau, "nous devons utiliser chaque petite mesure qui permet de soulager la situation actuelle. Parmi ces possibilités, il y a l'utilisation du surplus dans les ménages, à savoir la transformation en chaleur". Le tournant énergétique est une chose, rendre l'infrastructure apte au tournant en est une autre. Et cela implique, entre autres, le power-to-heat. Le monde allemand de l'énergie et de la chaleur est désormais électrique avec de l'électricité éolienne et photovoltaïque. Le découplage naturel de l'offre et de la demande qui en résulte doit être compensé de manière systémique. Le chauffage confortable et efficace avec de l'énergie fluctuante permet le power-to-heat, c'est-à-dire, entre autres, le couplage sectoriel avec une pompe à chaleur, avec une installation solaire thermique et avec un réservoir tampon pour stocker temporairement la chaleur jusqu'au soir ou dans une autre plage horaire. Plus la régulation exploite la capacité d'un tel réservoir de stockage, plus le rendement global de l'installation augmente.
Cela vaut d'ailleurs pour toute intégration d'un ballon tampon dans un circuit de chauffage, quel que soit le fournisseur de chaleur : une chaudière à condensation, du bois ou des pellets, le capteur, la cogénération ou la pompe à chaleur. Mais comment s'approcher de l'optimum ? C'est précisément le sujet qui a été abordé à Arnsberg.
Figure 2 : Forces de flottabilité : plus l'eau est chaude, plus elle est légère
Comment se rapprocher de l'optimum ?
Commençons par une question : quelle est l'importance des forces ascensionnelles qui stratifient l'eau chaude et l'eau brûlante ? Le cours sur l'hydraulique donné par Hans-Georg Baunach de la société HG Baunach GmbH & Co. KG, a présenté des chiffres peu connus. La poussée d'Archimède provient des différences de densité. L'eau à 0 °C pèse 1 000 grammes pour 1 litre, l'eau à 100 °C, directement au point d'ébullition, ne pèse que 950 grammes. La différence de 50 grammes signifie que dans un réservoir de 50 cm de diamètre - et donc d'une surface d'environ 2.000 cm² - une couche d'eau d'un centimètre d'épaisseur, d'un volume de deux litres, s'élève grossièrement vers le haut avec une force de pression de 100 grammes - la flottabilité de l'eau bouillante dans l'eau glacée. Ce n'est pas beaucoup. Même la plus petite perturbation de cette faible dynamique peut priver le contenu de sa volonté de se stratifier. Modeste compensation : la légèreté de l'eau augmente de manière disproportionnée dans la bande de température supérieure, à partir de 50 °C environ. En revanche, dans la zone froide, entre 0 °C et 20 °C, il se passe relativement peu de choses en termes de différence de densité. En d'autres termes : plus l'eau est chaude, plus la stratification est stable, et donc le contenu thermique exploitable d'un tampon ou sa capacité de stockage exploitable : considérons le chargement. Lors d'un mélange complet à 50°C, la chaleur circule pour ainsi dire à l'envers, ce qui va à l'encontre de l'idée de système. A savoir du tampon vers la saumure à 45 degrés de l'installation solaire raccordée, si celle-ci n'offre pas plus de 45 °C. En revanche, si le contenu s'accumule de 30 à 70 °C, ce qui signifie la même quantité de chaleur que dans le cas précédent, le capteur peut transmettre son gain solaire à la zone froide du chauffe-eau.
Des turbulences destructrices
Il est vrai que tout cela n'est pas inconnu. Mais, de l'aveu de la majorité des auditeurs, on ne se rend pas compte de manière aussi drastique des conséquences d'un mauvais chargement et déchargement des accumulateurs. Ou plutôt, on n'en tire pas la conclusion que la température de retour d'un système de chauffage doit être aussi froide que possible. Elle détermine en grande partie la quantité de chaleur utilisable. Elle doit donc être très basse, le retour doit s'écouler très loin dans le tampon et à faible vitesse. Pour ne pas créer de turbulences. Le mieux est de ne pas dépasser dix centimètres par seconde. Cette valeur ne constitue toutefois pas une grandeur de régulation. Car bien sûr, toute turbulence détruit la stratification. Nous avons déjà parlé des forces de portance. Elle, la turbulence, vient littéralement bercer le mauvais comportement du réservoir, car la puissance thermique du départ dépend du débit et de la température. Si le départ doit être de 60 °C et que l'on ne dispose que d'eau de stockage à 70 degrés, il faut faire circuler plus d'eau mélangée par rapport à un fluide à 80 degrés. Un volume plus élevé implique une augmentation nécessaire de la vitesse de circulation. Une vitesse de circulation plus élevée signifie une augmentation de l'impulsion de l'eau entrant dans le réservoir - et donc une augmentation des turbulences. L'expert en hydraulique Baunach a calculé l'effet : L'énergie cinétique augmente au carré de la vitesse d'écoulement, par conséquent, la turbulence grimpe de 77 pour cent pour une augmentation de débit de 33 pour cent. Elle agit comme un grand tourbillon. Elle mélange toutes les zones de chaleur pour ne former qu'un faible delta T entre le haut et le bas. Conséquence pratique : "Si la température de mélange dans le chauffe-eau ne dépasse pas, disons, 50 °C, la chaudière se met en marche au bout de quelques minutes lors de la douche, malgré l'installation solaire. En revanche, si l'écart est de 90/30, la chaudière reste éteinte pendant la douche et le capteur peut même encore se charger", explique Hans-Georg Baunach.
Plus il y a de condensat, plus c'est efficace
Pour presque chaque déclaration, il a une diapositive correspondante sous la main. Il ne s'attend pas à ce que tout soit compris immédiatement en direct. "Dans de nombreuses formations de ce type, nous enregistrons au début de grands yeux, des rides sur le front et de l'étonnement. D'où notre partie pratique. Ce qui peut paraître très compliqué pour l'un ou l'autre, l'expérience en laboratoire l'éclaire. Il rend la théorie compréhensible", a déclaré Hans-Stefan Albers en résumant les réactions des auditeurs. Albers dirige le département de plomberie et de chauffage de la chambre des métiers de Westphalie du Sud. Il organise des séminaires sur l'hydraulique à tour de rôle. Les installations sont certes démontées de temps en temps pour faire place à d'autres démonstrations, mais elles sont à nouveau disponibles, affinées, pour le cours suivant. Affinée, cela signifie par exemple que la caméra thermographique qui rend actuellement la stratification transparente sera prochainement complétée par un enregistreur de données avec dix points de mesure au-dessus de la hauteur du réservoir. "Nous pourrons alors présenter aux participants des températures très précises", explique Albers.
Gain de chargement et de déchargement à deux zones
Figure 1 : Principe du chargement et du déchargement en deux zones avec un mélangeur multidirectionnel
Lorsque la température de la couche violette est supérieure à la valeur de consigne réglée pour ce capteur, celui-ci signale à la chaudière 'ça suffit'. Le brûleur s'arrête donc. Dans la pratique, seule la course est donc disponible pour le chauffage dans le cas du principe monozone. Les deux graphiques pour le principe à une zone à gauche et le principe à deux zones à droite indiquent les conditions de température lors du remplissage et de la consommation. Les deux carrés en pointillés - avec les températures de l'eau en abscisse et la hauteur de la colonne d'eau dans le réservoir en ordonnée - représentent la capacité de stockage théorique. Les surfaces partielles indiquées représentent le volume de chaleur réellement utilisable.
Figure 2 : Résultats de l'université de Biberach
Nous renonçons ici à expliquer leur géométrie et les différents points de mesure T de l'essai de longue durée à Biberach, l'élément décisif étant la différence de surface : les stratégies de chargement et de déchargement avec les deux mélangeurs multivoies du graphique de droite sont axées sur un étalement élevé dans le réservoir. Ainsi, à titre d'exemple, dans une construction avec chauffage par radiateurs et par le sol, seul le retour à 30 degrés du chauffage à basse température entre par le bas dans le réservoir, tandis que le retour du radiateur de 50 °C est dirigé vers la zone de mélange. De manière similaire, les températures restent bien stratifiées dans le tiers supérieur. Il se peut même que le mélangeur de départ n'ait pas recours à la température la plus élevée, car la température de la zone centrale lui suffit. La centrale de cogénération à chaleur dirigée reste donc éteinte. Si le "Rendemix" prélève de l'eau de chauffage dans la zone centrale, celle-ci s'amincit et laisse la place à l'eau chaude provenant du "Dachs". En revanche, dans le cas standard du mélangeur à trois voies, le retour mélangé des radiateurs et du chauffage de surface a déjà une température de plus de 40 °C, selon la puissance des deux circuits de chauffage. Cela se fait d'abord au détriment de l'étalement. Rien ne peut être prélevé directement de la zone chaude violette. Deuxièmement, cela rétrécit l'espace de stockage pour l'eau chaude. Et troisièmement, pour chaque température de départ, le mélangeur doit recourir à la précieuse réserve d'eau chaude que la machine doit ensuite fournir lors de l'essai.
Figure 3 : Cycles de démarrage/arrêt réduits de la centrale de cogénération pour une durée de fonctionnement identique
Résultat : le volume de stockage utilisable est exactement 2,4 fois plus important pour un chargement et un déchargement à deux zones avec un mélangeur multidirectionnel dans une configuration d'installation comme celle de la thèse par rapport à la version à une zone. Une chaudière aurait pu remplacer le "toit" qui était à portée de main à Biberach. Dans le cas d'une combinaison chaudière-accumulateur, les rapports sont identiques. En outre, les cycles de démarrage et d'arrêt du "toit" ont également été réduits d'un facteur 2,4.
Il est très impressionnant "de voir et de pouvoir calculer à l'aide de la quantité de condensat comment de faibles températures de retour augmentent l'efficacité d'un système à condensation et, en combinaison avec une stratégie de chargement et de déchargement à deux zones au lieu de systèmes à une zone, la capacité de stockage d'un tampon d'eau chaude", admet le chef de section. Les personnes qui lui sont confiées au centre de formation professionnelle sont en premier lieu des élèves de maîtrise. Pour prouver en pratique l'efficacité de l'hydraulique particulière selon le procédé Baunach - "Il suffit presque de poser les mains sur les tuyaux. On sent alors ce qui se passe" - il avait également invité la communauté énergétique de Westphalie du Sud, amie de la chambre des métiers. Les directeurs et propriétaires d'entreprises, bien qu'en pleine vie professionnelle et donc largement familiarisés avec l'hydraulique, ont été tout aussi impressionnés par les résultats que les élèves-maîtres.
Figure 3 : Image thermographique du réservoir : début de la stratification
Trop compliqué à la main
Comme nous l'avons dit, le développement de Baunach permet de réaliser les trois tâches d'optimisation hydraulique, à savoir l'efficacité du système dans l'utilisation de la chaleur, l'efficacité du système dans la distribution de la chaleur et l'efficacité du système dans l'accumulation de la chaleur, avec une seule armature. Le montage manuel de cette architecture à partir de composants individuels demande beaucoup d'efforts et de connaissances. Avec le "rendeMIX", il suffit de visser les conduites d'alimentation et de retour. L'origine du bloc mélangeur réside dans l'idée de transformer les systèmes à deux circuits prédominants, coûteux et gaspilleurs d'énergie, qui envoient le retour à haute température des radiateurs dans la chaudière au lieu de l'envoyer dans les serpentins de plancher, en un système à circuit unique économe en combustible. Cela suppose de compenser les différents volumes d'eau dans la robinetterie. L'entreprise a ensuite étendu l'application à la charge et à la décharge optimales de ballons tampons à deux zones et au raccordement d'installations solaires. L'université des sciences appliquées de Biberach a déterminé le gain d'un raccordement optimal dans le cadre d'un travail de diplôme avec un ballon tampon et une centrale de cogénération : Le chargement et le déchargement de deux zones avec chacune un mélangeur augmente le contenu thermique utilisable d'un réservoir de 240% par rapport au principe d'une seule zone (voir encadré). Le bref test en laboratoire à Arnsberg n'a naturellement pas permis d'atteindre cette valeur étonnante. Ni l'équipement ni le temps n'étaient suffisants. Les températures et les performances thermiques mesurées ont cependant tendance à confirmer les résultats de Biberach.
Figure 4 : Mesure des condensats (en bas au milieu de la photo) après réduction de la température de retour de la chaudière à condensation. Responsable de l'essai Hans-Stefan Albers.
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