La meilleure combustion des bûches
Plus de confort pour l'utilisateur avec les mélangeurs multivoies - Citerne à mazout vers réservoir stratifié
La durabilité à triple sens : Michael Schmitz, propriétaire de la Société Sanitär M. SchmitzRemagen, a découpé une cuve à fioul superflue, l'a soudée à un autre endroit de la chaufferie et l'a couplée à la chaudière à bûches pour sa nouvelle fonction de réservoir tampon. Il a ainsi sauvé de précieux matériaux. En outre, il a installé entre le tampon et le générateur de chaleur deux dispositifs de mélange à plusieurs voies qui permettent d'exploiter le réservoir comme un accumulateur à stratification sans pression. Deuxièmement, les exploitants économisent ainsi de l'énergie et troisièmement, le chargement et le déchargement en deux zones leur offrent un grand confort de chargement. Ils n'ont plus besoin de se rendre chaque jour dans la chaufferie.
La maison trifamiliale à Alfter près de Bonn avec 400 m2 Trois propriétaires se partagent la surface habitable. Lorsque la communauté de trois personnes a repris le bâtiment des années 50, il correspondait encore tout à fait à l'état de la technique de construction et de chauffage de l'époque - c'est-à-dire une isolation médiocre et une chaudière à haute température fonctionnant au fioul. Dans un premier temps, les nouveaux propriétaires ont donc enveloppé les murs d'une isolation en polystyrène de 14 centimètres d'épaisseur, ont également isolé la dalle de sol et ont recouvert le toit d'une couche de PUR de 12 centimètres d'épaisseur.
Dans l'abri antiaérien
Il a été décidé de procéder à une rénovation énergétique complète de la maison. Cela signifiait tout simplement remplacer la chaudière à mazout par une variante écologique. L'objet avait appartenu auparavant à un haut fonctionnaire fédéral. Celui-ci, ou plutôt l'État, avait fait aménager un abri antiaérien supplémentaire au sous-sol. En plus des autres réserves et entrepôts. Mais depuis longtemps déjà, les habitants utilisent le bunker à des fins plus actuelles, de sorte qu'il y avait suffisamment de place pour un entrepôt de bûches.
En effet, le chauffagiste Michael Schmitz a recommandé précisément une chaudière à bois à gazéification avec une grande chambre de remplissage pour des temps de combustion longs et donc un chargement relativement confortable que les trois appartements pourraient se partager. La "Logano S 151" de Buderus, d'une puissance de chauffage de 25 kW, répondait exactement à nos attentes. Selon le prospectus, elle se distingue par son bon rendement de 86 pour cent et par une technique de combustion inversée à faibles émissions avec recyclage des fumées.
Le chargement pratique avec des bûches d'un demi-mètre n'est toutefois vraiment appréciable que si le volume de la réserve d'eau de chauffage est suffisant. 1.000 ou 2.000 litres ne suffisent pas pour passer un week-end de vacances. Michael Schmitz a calculé 5.000 litres, ce qui permet de laisser la maison seule pendant toute une semaine pendant l'intersaison. Avec un delta T utilisable de 50 K - entre 90 et 40 °C - on dispose ainsi de presque 300 kilowattheures. La température de base dans les pièces d'habitation est ainsi garantie pendant la semaine de vacances. A condition que la technique de régulation ne lésine pas sur chaque calorie.
Citerne à mazout comme réservoir tampon sans pression
L'ancienne cuve à mazout offrait 5 000 litres. Les installateurs l'ont démonté au chalumeau, nettoyé, remonté dans la chaufferie, isolé avec une isolation extérieure et séparé le tampon - qui fonctionne à ciel ouvert et absorbe donc de l'oxygène - des circuits de chauffage avec un échangeur de chaleur à plaques anticorrosion. Mais l'échangeur de chaleur a avant tout une autre fonction : Il absorbe la pression statique dans le bâtiment de 10 m de haut situé devant le réservoir. La pression d'au moins 1 bar aurait sans doute dangereusement désossé le réservoir.
Cela semble beaucoup de travail. Mais selon Schmitz, cette transformation n'a pas coûté aussi cher qu'une batterie tampon, d'autant plus que le réservoir ne devait pas rester dans la maison, mais être éliminé. Les frais de démontage auraient de toute façon été engagés. Schmitz a calculé que la soudure et l'isolation coûteraient "au moins 2.000 euros de moins que l'installation d'un nouveau réservoir de 5.000 litres. Et celui-ci aurait été composé de plusieurs réservoirs. Les relier de manière à ce que l'eau puisse se stratifier aurait été un problème. Nous avons isolé la tôle avec les briques d'isolation qui restaient lors de l'isolation de la façade. De ce point de vue, nous n'avons même pas eu à dépenser quoi que ce soit pour l'isolation thermique".
Les maîtres d'ouvrage ont conservé les radiateurs en fonte haute température existants dans les pièces. En raison de l'isolation de la maison, le chauffage fonctionne toutefois à basse température, au maximum 70/50 au lieu de 90/70 °C auparavant. Pour transmettre la chaleur aux chambres, la surface de chauffe des ailettes en fonte généreusement dimensionnées est plus que suffisante.
Températures élevées prescrites
Le réservoir tampon, quant à lui, nécessitait un système hydraulique particulier en raison des températures de départ économiques possibles depuis peu. L'installation ne veut pas perdre de température, c'est-à-dire qu'elle ne doit pas mélanger en permanence de l'eau de chaudière chaude avec de l'eau de chauffage à 35 ou 45 degrés en fonction des conditions climatiques. En outre, elle doit garantir une température de retour élevée de l'eau de chaudière pour des raisons de risque de pourrissement : La température du circuit de chaudière de 95 °C maximum ne doit pas descendre en dessous de 65 °C de retour. Les températures mentionnées font partie des conditions de garantie et doivent être "assurées par une commutation et une régulation de circuit de chaudière appropriées", exige le "guide de planification chaudière à gazéification de bois Logano S 151".
Schéma électrique Weidenstraße 7, Alfter
Dans l'objet Alfter, deux technologies sont réunies, à savoir le principe des deux zones pour le chargement et le déchargement via les deux unités rendeMIX, ainsi qu'une séparation du système entre les circuits de chauffage et le réservoir (à l'extrême droite, l'échangeur de chaleur ST). Le découplage était nécessaire, car l'ancienne citerne à mazout ne peut pas supporter la pression statique supplémentaire de l'installation d'environ 1 bar. Le groupe de mélangeurs multivoies à gauche, celui de la chaudière à combustible solide "Logano", assure le chargement de deux zones, celui de droite vers les radiateurs ou l'échangeur de séparation assure le déchargement de deux zones. Les deux zones dans le tampon se trouvent entre le raccordement supérieur (85 °C) et le raccordement intermédiaire (45 °C) ainsi qu'entre le raccordement intermédiaire et le raccordement inférieur (30 °C). En dehors de la période de pleine charge, ce réservoir de 5 m3-Le réservoir de stockage est le véritable générateur de chaleur en ce qui concerne les radiateurs et la régulation. La chaudière à bois ne fournit alors une température élevée relativement constante de 85 °C que pendant quelques heures, à des intervalles d'un jour, de deux jours ou de trois jours. L'idée de base est donc de mélanger le moins possible les 85 °C de qualité supérieure à une température plus basse pour les circuits de chauffage en cas de fonctionnement à charge partielle. Un mélange irréversible, donc irréversible. 5.000 litres d'eau à 50 degrés ont certes un contenu thermique plus élevé que 1.000 litres d'eau à 85 degrés, mais dans le premier cas, la chaudière devrait tout de même chauffer si le départ exige 65 °C. Dans le second cas, elle pourrait peut-être rester éteinte un jour de plus, en fonction de la charge partielle nécessaire. Cela signifie qu'un chargement et un déchargement par zones du ballon via un mélangeur à plusieurs voies et la configuration de raccordement correspondante permettent de contourner la faiblesse du mélangeur conventionnel à trois voies. Si les températures extérieures ne nécessitent qu'un écart de 40/35 °C par exemple, seul l'ancien réservoir de mazout effectue le travail de chauffage : le rendeMIX droit prélève par exemple 45 °C (au milieu du réservoir) et les tempère au degré près à la température de départ du radiateur via la régulation de débit vers l'échangeur de chaleur. Les 85 °C ne sont pas touchés dans un premier temps. Si la température moyenne tombe en dessous de la température de départ de consigne, la régulation commute automatiquement sur le soutirage supérieur à l'aide des mesures de température. Lorsque le "Logano" démarre enfin, il se contente de réchauffer l'eau chaude du raccordement central à la valeur réglée sur le régulateur de valeur fixe et de l'envoyer dans les appartements. Cette montée en puissance est rapide en raison de la température de départ relativement élevée, de sorte que les bûches restantes dans le foyer servent à remplir à nouveau complètement le ballon. La régulation décide en outre de manière autonome de la manière dont elle garantit les 60 °C pour le retour de la chaudière. Si la zone centrale atteint par exemple 70 °C, elle se sert dans les raccords du milieu et du bas. Le rendeMIX ne mélange jamais que du chaud avec du chaud ou du chaud avec du froid. Cela peut sembler compliqué à installer, mais ce n'est pas le cas. Le mélangeur multivoies a seulement besoin d'une seule conduite de plus entre la station de chargement et la station de déchargement. Pour le reste, la technique de régulation reste traditionnelle : un régulateur à trois points avec sonde de départ ou de retour, avec sonde météo pour le déchargement et régulateur à valeur fixe pour le chargement. Cela suffit à maintenir la stratification stable et à ne rien perdre du facteur utile de chaleur stocké. La société HG Baunach GmbH & Co. KG, Hückelhoven, développeur du brevet rendeMIX, est bien entendu à vos côtés lors de la planification. Elle établit le schéma d'installation. Le succès est ainsi garanti : utilisation maximale des températures accumulées au profit d'un cycle de chargement extrêmement étiré. À gauche : rendeMIX 2×3 RR 5 FWR = 2 raccords à la source de chaleur (chaudière à bois), 3 raccords au puits de chaleur (circuits de chauffage, accumulateur), RR rotation à droite (raccords), 5 avec bride de pompe, FWR régulateur à valeur fixe pour le réglage de la température de consigne retour chaudière intégré au servomoteur. À droite : rendeMIX 3×2 RR 5-sys = 3 raccords vers la source de chaleur, 2 raccords vers le puits de chaleur, sys = commande de débit optimale pour les basses températures de retour avant la séparation du système. Quelle est la différence entre le type pour la séparation du système (avec le suffixe sys, module de droite) et le rendeMIX habituel ? Prenons les températures de stockage de 85 et 45 °C, que le module mélange à pleine charge au départ de 70 °C. En revanche, à charge disons partielle 25 % - dans le circuit du radiateur, ce serait 33 °C de départ et 28 °C de retour - le "sys" ne réduit pas les 45 °C fournis par le ballon à 33 °C à l'aide du retour, mais il dirige les 45 °C directement vers l'échangeur de chaleur. Il réduit toutefois la quantité et donc la puissance thermique. Alors que le rendeMIX normal fonctionne en principe comme deux mélangeurs à trois voies dans un boîtier, c'est-à-dire qu'il mélange le chaud avec le chaud et le chaud avec le froid, la version "sys" correspond en revanche à un mélangeur à trois voies plus une vanne à deux voies avec les tâches de mélange et d'étranglement. Comme nous l'avons vu, l'avantage énergétique se manifeste principalement en mode de charge partielle, lorsque le tampon joue le rôle de générateur de chaleur. Comment se présente cet avantage ? Restons-en à l'exemple de la charge partielle 25 %. La température du réservoir de 45 °C suffit comme source de chaleur, par rapport à l'étalement côté secondaire de 33/28 °C. Les 45 °C se refroidissent à 30 °C dans l'échangeur. Delta T donc côté primaire 15 K. Cela signifie qu'en raison du grand delta T et donc de la grande utilisation de la chaleur, le mélangeur doit prélever 60 litres d'eau de stockage à 45 degrés dans le tampon pour un kilowattheure de chauffage, qu'il restitue à 30 °C "froids". C'est précisément à ces 60 l spécifiques que le modèle "sys" réduirait la circulation côté primaire (60 x 15 K = 900 kcal = environ 1 kWh). L'alternative théorique : le retour du départ secondaire et 28 °C de retour - le "sys" n'abaisse pas les 45 °C fournis par le ballon à 33 °C à l'aide du retour, mais il dirige les 45 °C directement vers l'échangeur de chaleur. Il réduit toutefois la quantité et donc la puissance thermique. Alors que le rendeMIX normal fonctionne en principe comme deux mélangeurs à trois voies dans un boîtier, c'est-à-dire qu'il mélange le chaud avec le chaud et le chaud avec le froid, la version "sys" correspond en revanche à un mélangeur à trois voies plus une vanne à deux voies avec les tâches de mélange et d'étranglement. Comme nous l'avons vu, l'avantage énergétique se manifeste principalement en mode de charge partielle, lorsque le tampon joue le rôle de générateur de chaleur. Comment se présente cet avantage ? Restons-en à l'exemple de la charge partielle 25 %. La température du réservoir de 45 °C suffit comme source de chaleur, par rapport à l'étalement côté secondaire de 33/28 °C. Les 45 °C se refroidissent à 30 °C dans l'échangeur. Delta T donc côté primaire 15 K. Cela signifie qu'en raison du grand delta T et donc de la grande utilisation de la chaleur, le mélangeur doit prélever 60 l d'eau de stockage à 45 degrés dans le tampon pour un kilowattheure de chauffage, qu'il restitue à 30 °C "froids". C'est précisément à ces 60 l spécifiques que le modèle "sys" réduirait la circulation côté primaire (60 x 15 K = 900 kcal = env. 1 kWh). L'alternative théorique : le retour du circuit secondaire (radiateurs) de 28 °C abaisse dans un mélangeur la température primaire (du réservoir) de 45 °C au même départ de 33 °C et, maintenant réchauffé lui-même à 35 °C, retourne au réservoir. Dans cette architecture, le delta T n'est que de 10 K. Pour 1 kWh de chauffage, la régulation doit donc tirer 50 % d'eau à 45 degrés en plus, soit 90 l. Conséquence : l'eau de retour est certes plus chaude, mais la stratification diminue globalement pour le même volume de chaleur. Le surplus de calories dans la zone du fond manque désormais dans la zone à haute température. On aurait pu chauffer avec le volume perdu en haut, mais pas avec le dépôt en bas. En d'autres termes, le deuxième rendeMIX, celui situé du côté du déchargement du réservoir, offre aux habitants de la maison Weidenstraße 7, Alfter, une période encore plus longue.
de ne pas avoir à s'occuper de leur chaudière à bois.
In Realo, le "Logano" fait donc d'abord circuler l'eau dans ses registres jusqu'à 65 °C au moins. Ce n'est qu'au-delà de cette température limite qu'elle envoie de la chaleur dans le tampon ou dans les radiateurs. Mais comment transformer une chaudière haute température en chauffage basse température ? Justement par le biais du tampon décrit et de deux mélangeurs multivoies de type "rendeMIX" de la société HG Baunach GmbH Co. KG, Hückelhoven. Ils permettent d'économiser l'eau chaude fournie par la chaudière. Mais l'inventeur Schmitz a d'abord dû équiper son accumulateur en conséquence : à savoir des tubes plongeurs perforés qui chargent et déchargent de manière ciblée les zones de température correspondantes de l'accumulateur et empêchent ainsi un mélange thermique.
Chaleur résiduelle pour la production d'eau chaude
18.000 euros figuraient plus tard sur la facture pour la transformation. Ce prix comprend les mesures de modernisation complètes, y compris la chaudière à bûches, y compris la transformation de la citerne, y compris la nouvelle tuyauterie en cuivre. Ce prix ne comprend pas la pompe à chaleur pour l'eau sanitaire ni le système de ventilation pour l'aération et la ventilation contrôlées des pièces par appartement.
La pompe à chaleur et le système de conduits d'air forment une unité. Comme chacun le sait, la ventilation contrôlée produit de l'air sortant chauffé et riche en énergie. Soit il s'écoule à l'extérieur sans autre utilisation, soit il préchauffe l'air entrant via un échangeur de chaleur. Ou bien - comme dans le cas de l'objet décrit - il sert de source d'énergie pour la pompe à chaleur pour eau sanitaire. Dans cette constellation, la pompe à chaleur, en tant que modèle compact, remplace le traditionnel réservoir d'eau sanitaire ainsi que la récupération de chaleur :
L'air frais circule de manière décentralisée dans les différentes pièces ; une unité de ventilation l'extrait de la cuisine et de la salle de bain via un système de canaux d'évacuation et l'achemine vers la pompe à chaleur. L'air vicié refroidi s'échappe vers l'extérieur. En cas de besoins en eau chaude très élevés, un chauffage électrique de 1,5 kW se met en marche. Le volume d'eau à l'intérieur de l'accumulateur est de 300 l, le fabricant indique le temps de chauffage pour une température de chaleur perdue de 20 °C, une humidité relative de 40 % et environ 200 m3/h de débit volumétrique avec environ 10 heures pour une température de stockage de 55 °C. On obtient ainsi 4,1 kWh pour un remplissage complet, pour une puissance absorbée indiquée de 410 watts.
Que signifie "stockage efficace de la chaleur" ?
À quoi pourrait ressembler le stockage optimal de la chaleur dans l'ancienne cuve à mazout ? Tout d'abord, il faut obtenir une stratification stable, car c'est le seul moyen de garantir une grande utilité de la chaleur stockée. Prenons l'exemple de la fête et des bouteilles : L'utilité de la bière non consommée peut être mesurée par sa répartition dans les bouteilles. En règle générale, on vide les bouteilles à moitié ou au quart pleines. Il est plus intelligent de verser d'abord entièrement les bouteilles entamées et de ranger ensuite les bouteilles encore pleines. Il en va de même pour la chaleur dans le récipient. Elle est d'autant plus précieuse qu'elle est concentrée dans le tampon.
Au lieu de la répartir uniformément et à température moyenne sur l'ensemble du contenu de l'accumulateur, il convient de créer des zones chaudes et par conséquent des zones froides aussi nettement délimitées que possible. En revanche, si un mélangeur à trois voies mélange en permanence l'eau chaude du raccordement supérieur avec le retour froid de l'installation, comme c'est le cas pour la décharge habituelle à une zone, non seulement la réserve chaude diminue inutilement, mais seule une petite quantité d'eau froide parvient dans le retour vers le tampon. En l'absence de zone froide, le tampon ne peut par exemple pas emmagasiner de chaleur à basse température environnementale.
La décharge à deux zones, en revanche, prend d'abord l'eau chaude du raccordement du milieu et puise dans le retour froid de l'installation. Ainsi, le coussin d'eau chaude en haut n'est pas touché et davantage d'eau froide retourne au raccordement tampon le plus bas. Si l'offre du raccordement central est inférieure à la température de départ souhaitée, il suffit d'augmenter la température jusqu'à la consigne avec quelques litres d'eau chaude du raccordement supérieur et d'envoyer la totalité du retour dans le tampon. Dans les deux cas, l'eau reste chaude plus longtemps en haut et se refroidit plus rapidement en bas.
Outre le déchargement, le chargement est également décisif
Considérons maintenant l'augmentation nécessaire de la température de retour (RLA) d'une chaudière à bois. Buderus prescrit une température minimale de 60 °C. La chaudière commence par augmenter son circuit interne jusqu'à ce niveau de retour. Ce n'est qu'au-delà de 60 °C qu'elle ouvre le départ vers les consommateurs. En association avec le réservoir tampon, un circuit qui, pour la RLA, mélangerait l'eau chaude du départ de la chaudière avec l'eau froide du raccordement inférieur du tampon équivaudrait à un gaspillage d'énergie. La "Logano" ne pourrait pousser que peu d'eau chaude dans le tampon, car elle devrait la consommer en majorité pour la RLA.
La régulation à deux zones, quant à elle, utilise avec modération le départ chaud de la chaudière pour la RLA, plus l'eau chaude du raccordement central tant que celle-ci est inférieure à la température de retour souhaitée de la chaudière. Ainsi, davantage d'eau chaude arrive dans la zone tampon supérieure. Si la température du raccord central dépasse la température de retour de chaudière souhaitée, une partie de l'eau chaude du raccord central plus une partie de l'eau froide du raccord inférieur maintiennent le retour au degré près à la température requise de 60 °C. L'eau chaude du départ de la chaudière n'est pas touchée. Le "rMIX 2×3", avec deux raccords pour la source de chaleur et trois raccords pour le prélèvement de chaleur, la dirige entièrement vers la zone tampon supérieure. En cas de déchargement et de chargement parallèles de deux zones, le tampon devient même simultanément plus chaud en haut et plus froid en bas, ce qui conduit de manière autonome à une stratification idéale par étapes.
Principe du chargement et du déchargement
Lors de la décharge d'une zone, la régulation mélange, pour un écart de 45/30 °C, un quart d'eau tampon de 90 g avec trois quarts d'eau de retour de 30 g. Le mélange s'effectue dans la zone de décharge. Un quart de l'eau de retour de 30 g retourne dans le réservoir. Malgré un départ à 45 °C seulement, la réserve chaude est puisée en haut du tampon. La stratification dans le tampon s'affaiblit à 60/45/30. L'absorption de chaleur à basse température devient plus difficile.
Avec le déchargement à deux zones, l'eau reste chaude jusqu'à 30 % de plus en haut du tampon. Un zonage est conservé. Il facilite l'absorption de la chaleur à basse température.
Dans le cas d'un chargement à une zone avec augmentation du retour. Une quantité relativement faible d'eau chaude ne parvient que très tard dans le tampon. Le processus de charge s'étire. L'absorption de chaleur à basse température est plus difficile.
Avec le chargement à deux zones avec élévation du retour, le temps de chargement de l'eau chaude est raccourci. La zone à 30 degrés reste froide plus longtemps. L'absorption de la chaleur à basse température est facilitée.
Les armatures rendeMIX assurent une stratification idéale par paliers et optimisent ainsi l'utilisation de la chaleur de l'eau tampon.
Un confort élevé, preuve de l'efficacité du stockage
Ce que l'efficacité du stockage signifie pour l'exploitant peut se résumer en quelques mots : au lieu de devoir rajouter plus souvent de petites quantités de bois pendant la période de transition, c'est-à-dire en cas de fonctionnement à charge partielle, il peut se contenter d'attendre tranquillement que le tampon soit complètement vide pour rajouter ensuite une charge complète de bois moins souvent. Pour cela, seule la bonne stratification est déterminante, car la chaudière doit être alimentée lorsque la température de départ nécessaire n'est plus disponible au niveau du raccordement supérieur du tampon.
Comme nous l'avons mentionné, cela ne dit en principe rien sur la quantité de chaleur (éventuellement inutilisable) qui se trouve encore en dessous. Seule une bonne stratification et une décharge stratifiée permettent de vider complètement le tampon, condition sine qua non pour pouvoir stocker à nouveau une quantité maximale de chaleur. Une zone chaude stable et durable est en outre la garantie d'une zone froide également bien formée. Cela s'avère particulièrement utile pour les installations avec chauffage solaire d'appoint. En effet, une température trop élevée dans la zone tampon inférieure est un obstacle que le soleil ne peut guère franchir en hiver pour stocker un niveau de température modéré.
Les bûches coûtent aussi
Schmitz a réalisé le chargement et le déchargement "en couches" dans le bâtiment d'Alfter. Sans mélangeur multivoies rendeMIX, la "Logamatic" de Buderus devrait toujours mélanger de l'eau chaude de chaudière ou de ballon avec un retour froid pour réguler précisément la température de départ. Le chauffage ne pourrait pas avoir accès à une offre de température moyenne lorsque les conditions météorologiques sont plus douces. Le générateur de chaleur devrait inévitablement se mettre en marche plus souvent. D'une part, le confort de l'utilisateur est affecté. Les exploitants doivent remplir plusieurs fois la chaudière de peu de bois, l'allumer et le brûler, au lieu de remplir le foyer une seule fois pour avoir ensuite la paix pendant toute une journée. D'un point de vue physique, le fonctionnement par cycles nuit au générateur de chaleur lui-même ainsi qu'à l'efficacité et à l'environnement : les pertes augmentent pendant la phase de démarrage.
L'encadré ci-contre, intitulé "Schéma électrique Weidenstraße 7, Alfter", décrit en détail le fonctionnement de la régulation dans l'objet. Notons au passage que les prix actuels du bois se situent actuellement (valeur moyenne de février 2010) à environ 80 € par mètre cube, soit environ 3,8 centimes par kWh. À titre de comparaison, avec le mazout comme avec le gaz naturel, on aurait au moins 55 % de coûts énergétiques en plus avec 6 centimes d'euro par 1 kWh à la même date.
Bernd Genath