Associatie voor de Thermische Technieken in België

Association pour les Techniques Thermiques en Belgique

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Les unites satellites reduisent le pas vers l'énergie renouvelable

ASPECTS HYDRAULIQUES LORS DE LA CONCEPTION D’INSTALLATIONS AVEC DES UNITES SATELLITES

Ces dernières années, l’unité satellite (ou ‘Heat Interface Unit’ ou ‘Flat Station’) est en plein essor et devrait dans le futur aussi être de plus en plus la norme. Et bien que le principe de fonctionnement soit relativement simple, on ne peut pas en dire autant du dimensionnement et de l’ingénierie de telles installations. C’est dès lors souvent là que le bât blesse. Dans cet article, nous nous attardons sur les aspects hydrauliques qui détermineront le bon fonctionnement de l’installation et la consommation d’énergie finale.

Principe de fonctionnement d’une unité satellite (figure 1)

Principe de fonctionnement d’une unité satellite (figure 1)

Principe de fonctionnement

Les unités satellites sont intégrées dans les appartements et ressemblent à première vue à une chaudière murale, mais sans raccordement de gaz ou cheminée.

Comme l’illustre la figure 1, l’unité satellite est, en revanche, alimentée avec de l’eau chaude depuis une chaufferie ou un réseau thermique central. A l’aide d’un échangeur thermique à plaques, la chaleur du réseau de conduites primaire est transmise à l’eau sanitaire pour assurer ainsi la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Pour le chauffage, l’eau de chauffage primaire est directement couplée aux radiateurs ou autres unités terminales dans l’appartement. Pour réguler la température ambiante, une valve de zone est parfois prévue en option, commandée depuis le thermostat d’ambiance. En Belgique, on utilise quasiment exclusivement des unités avec une ‘commutation prioritaire’. Cela signifie que la production d’ECS est toujours prioritaire sur le chauffage. Pour cela, la valve de commutation coupe le chauffage pendant une prise d’ECS. Grâce à la masse thermique du bâtiment, la température ambiante souhaitée peut être maintenue sans problème pendant les prises d’eau relativement courtes.

Il existe bien sûr différentes variantes à ce principe de base général. Un échangeur thermique supplémentaire est p.ex. prévu pour la séparation entre le réseau de conduites primaire et le réseau de radiateurs secondaire. En cas de chauffage par le sol, un circuit de mélange est aussi souvent intégré dans l’unité.

Pourquoi utiliser des unites satellites?

L’atout majeur des unités satellites, c’est qu’elles sont alimentées avec de la chaleur depuis une chaufferie ou un réseau thermique central. Des sources d’énergie plus durables et futures peuvent ainsi être utilisées comme des pompes à chaleur, la cogénération, et même la chaleur résiduelle et la géothermie. Une chaudière à gaz murale individuelle par appartement n’offre pas cette flexibilité et hypothèque en fait l’avenir de l’installation ou du bâtiment. Par rapport à la chaufferie ‘traditionnelle’ avec l’ECS distribuée depuis un boiler central, le système de conduites d’un système d’unités satellites se compose de seulement 3 conduites au lieu de 5 (voir figure 2). Grâce au nombre plus limité de conduites chaudes, les pertes de distribution thermiques sont plus ou moins deux fois moins élevées.

Débit primaire de l'échangeur thermique

Le calcul du réseau de conduites primaire est indissociablement lié aux performances de l’échangeur thermique. Une connaissance et une compréhension correctes du fonctionnement d’un échangeur thermique sont donc primordiales pour la conception de systèmes avec des unités satellites. Il règne toutefois ici une certaine confusion. La puissance d’un échangeur thermique ne dit ainsi en fait rien si on ne mentionne pas les conditions de température et de débit correspondantes. Et on ne parle pas non plus du ‘rendement’ d’un échangeur thermique – il est, en effet, toujours de 100% (ce qui y entre, en ressort aussi) – mais bien de son ‘efficacité’ pour décrire ses performances thermiques.

Pour le calcul du débit nécessaire du côté primaire de l’échangeur thermique, on peut utiliser les exemples et tableaux de calcul dans les spécifications techniques de la notice explicative de l’appareil, du moins tant que les conditions de conception correspondent à celles du fabricant.

Un système avec des unités satellites n’a que 3 conduites d’amenée (figure 2)

Pour toutes les autres conditions de température ou de débit, il faut en principe résoudre un système de 3 équations. Les équations nous mèneraient trop loin, mais voici quelques principes importants d’application:

  • Le débit nécessaire du côté primaire de l’échangeur thermique n’équivaut pas au débit de tirage secondaire! La conversion entre le débit de tirage secondaire et le débit primaire dépend notamment de la taille de l’échangeur thermique.
  • La température d’amenée primaire a une grande influence sur le débit primaire nécessaire et donc le coût de tout le réseau de conduites. Plus la température d’amenée primaire est basse, plus le débit doit être élevé pour transmettre une même puissance. Une température d’amenée primaire trop basse donne donc lieu à un réseau de conduites coûteux.
  • Le ΔT du côté primaire de l’échangeur thermique n’est pas un libre choix. La température d’amenée peut, elle, être choisie librement, mais la température de retour et le débit primaire dépendent de la taille de  l’échangeur thermique et sont calculés avec le système d’équations évoqué. Sans les données nécessaires de l’échangeur thermique, le régime primaire ne peut pas être calculé.

Il doit toujours y avoir une différence de température suffisante entre le côté primaire et secondaire de l’échangeur thermique pour la température de départ comme celle de retour. Sans cette différence de température, l’échangeur
thermique devrait en théorie être infiniment grand (voir figure 3).

Simultanéité

Pour le calcul d’installations sanitaires, nous nous basons sur une ‘simultanéité’, un principe statistique selon lequel tous les points de tirage ne sont pas utilisés en même temps. Le ‘facteur de simultanéité’ peut être calculé selon différentes normes et diminue au fur et à mesure qu’il y a plus de points de tirage en aval.

Vu que le réseau de conduites primaire doit assurer le chauffage comme la production d’ECS, ce principe de simultanéité est étendu aussi au réseau de conduites primaire. Pour calculer le débit de conception primaire, on prend soit le débit maximum de production de chauffage et d’ECS, soit on utilise une moyenne pondérée des deux. Avec la dernière méthode, on obtient des diamètres de conduite un peu plus grands.

Les situations impossibles sont détectées par le logiciel Hysopt (figure 3)

Fonction de maintain à température

La fonction de maintien à température a pour but de pouvoir fournir quasiment directement de l’eau chaude aux points de tirage, sans longs temps d’attente. Pour cela, la conduite d’amenée primaire est maintenue constamment à température grâce au déversement, avec un réglage thermostatique, d’eau chaude de la conduite de départ vers la conduite de retour. Ce déversement thermostatique peut être installé au bout d’un tuyau (voir figure 4), mais est aussi souvent intégré dans l’unité satellite même.

En hiver – quand beaucoup d’unités fonctionnent en mode chauffage, la fonction de maintien à température est moins sollicitée, car le réseau de conduites primaire est de toute façon chaud. Et bien que le déversement d’eau chaude dans la conduite de retour ne soit pas vraiment souhaitable d’un point de vue énergétique, notons que le débit y étant lié, est très faible (uniquement pour la compensation de pertes de conduites thermiques). L’impact sur la température de retour générale est donc plutôt limité. Il est toutefois important que la température souhaitée de la fonction de maintien à température soit réglée quelques degrés (habituellement 5...7 °C) plus bas que la température de production dans la chaufferie.

Sinon, la fonction de maintien à température reste active en continu (la valve reste ‘en demande’, et donc ouverte). La température de retour générale augmente, de ce fait, considérablement. Dans la pratique, on oublie souvent de régler correctement la fonction de maintien à température.

Maintien à température avec déversement thermostatique au bout du tuyau (figure 4)

Reservoir tampon

Lors de l’utilisation d’unités satellites, un réservoir tampon est généralement prévu dans la chaufferie. Il a pour but d’absorber les pointes de puissance pour la production d’ECS, afin que la puissance de production installée puisse rester limitée. Dans le cas de systèmes avec un petit nombre d’unités, la puissance pour la production d’ECS est typiquement bien plus importante que la puissance pour le chauffage. Il faut donc des réservoirs tampons elativement grands.

Dans le cas d’unités plus nombreuses, la puissance d’ECS est, en raison du facteur de simultanéité diminuant, inférieure à la puissance de chauffage et des réservoirs relativement plus petits peuvent être utilisés. Comme le réservoir tampon est déchargé en cas de demande de chauffage comme d’ECS, le réglage doit garder le réservoir chargé constamment. Un cycle de charge et décharge, comme pour un boiler à ECS traditionnel, ne peut donc pas être utilisé ici.

Equilibre hydraulique

Il y a beaucoup d’idées fausses concernant l’équilibrage hydraulique d’unités satellites. Cela est dû au fait que le réseau de conduites primaire ne peut pas non plus être équilibré de la manière traditionnelle. Les débits de conception souhaités sont, en effet, des débits ‘fictifs’ basés sur une simultanéité ‘supposée’ des tirages. Il est impossible de reproduire cette situation de tirage fictive pendant l’équilibrage. En raison de la simultanéité, l’addition arithmétique des débits de conception dans le réseau de conduites primaire ne tombe plus juste non plus. On ne peut donc pas utiliser de valves d’équilibrage dans le réseau de conduites primaire. Les unités satellites ne peuvent ainsi être équilibrées que dans ou juste avant l’unité satellite même. Cela est possible, soit à l’aide d’une valve d’équilibrage statique – les préréglages ne peuvent alors être calculés qu’avec un logiciel, soit en utilisant un dispositif d’équilibrage dynamique (à compensation de pression) comme une DPCV (Differential Pressure Control Valve) ou une PICV (Pressure Independant Control Valve).

Logiciel Hysopt

Conception de systèmes à unités satellites dans le logiciel Hysopt avec des composants propres au fabricant (figure 5)

Le logiciel Hysopt est un logiciel de conception basé sur des modèles. Ici, tous les aspects évoqués sont repris correctement dans les calculs de conception automatisés. Le comportement dynamique du système peut, en outre, être simulé pour prédire la consommation d’énergie finale en fonction des décisions de conception. Les unités satellites sont aussi intégrées dans le logiciel, soit comme composant générique (l’utilisateur peut alors spécifier l’unité lui-même), soit comme composant propre au fabricant (tous les paramètres de l’unité sont alors déjà prêts à l’emploi)

Source : Sanilec / Hysopt sa – Auteur : Roel Vandenbulcke

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