CHAUFFAGE  
Install Magazine 940 – mai 2017

Développement de grands ballons tampons pour espaces confinés

Tests de terrain réussis pour un nouveau processus de production

Quiconque désire exploiter de manière efficace un grand chauffe-eau solaire ou une cogénération, a besoin d’un grand ballon tampon. Dans les bâtiments existants, ces ballons (ou accumulateurs) ne passent toutefois pas toujours à travers les embrasures de porte qui existent. C’est pourquoi un ballon tampon compact a été développé ; il se compose de plusieurs modules, qui sont montés les uns aux les autres dans la chaufferie. Les déperditions thermiques sont inférieures à celles des dispositifs en cascade. Il n’est donc plus nécessaire de relier des réservoirs séparés.

Un concept compact

Le nouveau ballon tampon peut être associé à des énergies soit fossiles soit renouvelables. Il est résistant à la pression (pression de fonctionnement de 3 bars) et peut être relié directement à l’installation de chauffage. Les conduites de raccordement entre les différents modules se trouvent dans le ballon même. Cela permet d’économiser de la place et du temps lors du montage, et cela réduit également les déperditions thermiques par rapport à des dispositifs en cascade usuels. Ces derniers se composent de réservoirs séparés qui sont isolées individuellement et qui sont ensuite reliés entre eux. Le nouvel accumulateur UniSto possède une surface plus petite pour un volume donné, et délivre donc moins de chaleur. Un exemple : les déperditions d’une cascade d’un volume de 5.300 litres s’élèvent à 430 W, sans tenir compte des pertes dues au réseau de conduites. Pour un même contenu, le nouveau modèle de ballon tampon affiche des déperditions thermiques de seulement 200 W. Dans les deux cas, nous partons d’une différence de température de 45 K entre le contenu de l’accumulateur et l’environnement.

Le ballon tampon se compose de modules en acier ovales distincts d’un contenu de 1.350 litres chacun. L’habillage consiste en une plaque en acier, qui absorbe la pression radiale. Sur cette plaque sont soudées des plaques d’extrémité à paroi mince, qui servent à étanchéifier le module. Celles-ci n’absorbent pas de pression, mais la transmettent au module situé juste à côté. Les modules distincts sont réunis en un seul ensemble lors du montage à l’aide d’un système de rails. Les conduites de charge et de décharge se trouvent à l’intérieur du réservoir. Résistants à la pression, les modules situés aux extrémités sont reliés les uns aux autres, des deux côtés, à l’aide de quatre bielles. Ces éléments robustes sur la face externe, font en sorte que la pression soit absorbée dans la direction de la longueur. L’isolation du ballon consiste en des coques dures en EPS (polystyrène expansé) qui, via un système de tenon et mortaise, s’assemblent entre elles. Dans les coques, sont prévues des cavités, au sein desquelles des panneaux isolants sous vide peuvent être posés. Si on le désire, on peut aussi isoler complètement le ballon après le montage.

Stratification uniforme du vecteur de chaleur

Ce qui est original dans ce nouveau concept, c’est la position horizontale du réservoir. « Comme dans le cas de ballons tampons usuels, la chaleur est puisée centralement. Avec 213 cm, le ballon tampon UniSto possède à peu près la même hauteur qu’un réservoir tampon traditionnel. La stratification ne pose donc pas de problème. Les différences de chaleur sont faibles entre les modules » ajoute le chef de projet Dr. Stefan Fischer de l’institut de thermodynamique et de technique de chauffage (ITW) de l’université de Stuttgart. Les conduites internes pour la charge et la décharge parcourent toute la longueur du réservoir et permettent ainsi une stratification thermique uniforme. Afin d’éviter que des niveaux de température différents ne se mélangent durant la charge et/ou la décharge, les orifices d’alimentation et d’évacuation dans les tubes sont placées à hauteur des raccordements entre les modules. On se trouve ici en présence de cinq conduites de charge/décharge qui passent à travers des manchons en inox, fonctionnant comme des briseurs de flux d’eau. « Le courant est dévié, passe à travers la fente dans le sens de la longueur du tube, via l’espace situé entre le manchon et le tube, avant d’aboutir dans le réservoir. On peut ainsi aussi réduire les dimensions de la fente d’alimentation, en évitant que l’eau n’arrive dans le réservoir à une vitesse élevée et avec pas mal de turbulences » explique Fischer.

Un défi au niveau de la production : un ballon ovale et non rond

Dans la mesure où le ballon devait occuper aussi peu de place que possible, la forme cylindrique usuelle était exclue. Il fallait en outre garantir une résistance suffisante à la pression. « Le défi consista à produire la peu usitée forme ovale de l’habillage ainsi que les embouts voûtés », ajoute le coordinateur de projet Dr. Ulrich Leibfried de Consolar, le fabricant de systèmes thermiques solaires. L’habillage est pour ce faire d’abord cintré sur un laminoir programmable. Dans l’étape suivante, l’embout doit être soudé sur le logement en étant le moins déformé possible. Le fabricant a à cet effet maximalisé la vitesse de soudage et le refroidissement ; et l’épaisseur de la soudure a été réduite autant que possible. Le résultat optimal fut atteint en appliquant en même temps deux profils de renforcement sur la face intérieure du réservoir. La procédure a été exécutée sur une toute nouvelle table de soudage rotative. « Il est surtout important que le dispositif garantisse une vitesse de soudage uniforme et reproductible, et que la chaleur puisse rapidement s’évacuer », ajoute Leibfried. Après le montage, le réservoir subit un test d’écrasement. Les tests sur le banc d’essai durant le projet et les calculs suivant la méthode des éléments finis (FEM) ont démontré que la déformation se maintenait dans des limites acceptables, lors d’un test d’écrasement d’une pression deux fois supérieure à la pression de fonctionnement.

Deux tests de terrain

Une entreprise énergétique germano-suisse a installé le ballon tampon pour la première fois dans une maison de repos à Rheinfelden. L’installation se composait d’une cogénération au gaz d’une puissance de 40 kW électrique et de 100 kW thermique, ainsi que d’une chaudière gaz à condensation de 400 kW pour l’appoint. L’installation gère le chauffage de 74 logements et couvre une partie de l’approvisionnement en électricité. La nouvelle installation a remplacé deux chaudières gaz basse température de 280 kW chacune. « Le modèle UniSto était intéressant pour nous parce que nous sur-dimensionnons habituellement nos cogénérations. Lors de rénovations, nous avons parfois trop peu de place dans la chaufferie, ou alors l’embrasure de la porte est trop petite », explique Klaus Nertz, responsable de la division Chaleur et Énergie de l’entreprise. Le ballon tampon à Rheinfelden se compose de trois modules et a une contenance de 4.050 litres. Il est hydrauliquement relié à l’installation, de sorte qu’il stocke la chaleur résiduelle de la cogénération et peut approvisionner tant le chauffage que la production d’ECS. L’installation affiche une pression de fonctionnement de 2 bars. Le coût du ballon tampon prototype s’élève à 5.000 euros. Une fois que la production en série aura démarré, le prix diminuera logiquement.

À l’université de Stuttgart, on a étudié le comportement du ballon tampon dans la pratique. Des températures ont à cet effet été mesurées dans le module médian, au niveau des raccordements supérieurs et inférieurs, ainsi que le débit. De ces mesures, il ressort que le ballon tampon ne s’arrête quasiment jamais durant le fonctionnement de l’installation. Cela démontre l’importance centrale du ballon tampon pour l’alimentation en chaleur de la maison de repos. La cogénération a chargé le réservoir à un débit relativement faible, d’environ 2.000 l/h ; la décharge s’effectuant à un débit d’au moins 3.000 l/h. Même avec des cycles courts et variables de charge et décharge, on obtient une bonne stratification thermique. L’étude démontre qu’on peut également tabler sur une bonne stratification thermique avec de grands débits.

À l’aide de rubans de dilatation, on a mesuré la déformation du matériau du réservoir en phase de fonctionnement. Les rubans ont été placés à dix endroits différents sur la paroi. Pendant toute la période de mesure, la dilatation du matériau est clairement restée inférieure à la valeur limite de 0,2%. Le ballon tampon fonctionne sans problème depuis l’été 2015. La conclusion de Klaus Nerz : « Nous allons cette année encore construire des installations avec ce type de ballons tampon. Sur base de ces expériences, nous déciderons alors si nous intégrerons de série ce modèle dans de nouvelles installations. »

Un deuxième projet de démonstration fut mené dans un atelier de menuiserie avec deux habitations attenantes. Ici aussi les résultats se sont révélés favorables : il y a une stratification thermique claire et un équilibrage hydrauliques efficace entre les quatre modules. Le ballon tampon est chargé par une chaudière biomasse de 100 kW. De la chaleur est par ailleurs fournie par 10 m² de capteurs solaires, qui sont reliés à un ballon tampon mixte. Tout comme à Rheinfelden, il n’y avait ici non plus pas assez de place pour réaliser le volume tampon exigé de 5,4 m² au moyen de techniques traditionnelles. En avril 2016, les modules furent toutefois amenés sur place sans problème à l’aide de deux rails qui furent montés sur le sol.

Dans le courant de 2017, les membres du consortium industriel qui est à l’origine de l’UniSto continueront à tester l’accumulateur.

Étiquette énergétique pour le stockage d’eau chaude

Les fabricants de ballons de stockage pour ECS avec un volume maximal de 500 l doivent apposer une étiquette énergétique sur leur produit. Sur cette étiquette sont indiqués la classe d’efficacité, le volume de stockage et les pertes à l’arrêt de l’appareil. Cette dernière indication fournit les déperditions thermiques d’un accumulateur à une température d’eau et à une température ambiante déterminées. Pour des ballons de stockage allant jusqu’à 500 l, il est obligatoire de mentionner la classe d’efficacité. Pour les accumulateurs jusqu’à 2.000 l, la classe d’efficacité doit être déterminée, afin de pouvoir, à l’aide de celle-ci, calculer le rendement de l’installation globale. Apposer une étiquette énergétique est dans ce cas interdit. Les ballons tampons usuels affichent la plupart du temps la classe d’efficacité C et D. La valeur la plus élevée pour des ballons de stockage est la classe A.

À côté de cela, l’écoconception détermine également des exigences relatives à la conception éco-énergétique des appareils. Il peut par exemple s’agir de valeurs limites en termes de rendement ou d’émissions nocives. Les produits qui satisfont à ces exigences, reçoivent le label CE. Les exigences de l’étiquette énergétique et de l’écoconception sont intimement liées, mais reposent sur une base légale différente.

Stocker de la chaleur en dehors du bâtiment

Le choix du type de ballon tampon le mieux adapté dépend de l’application et du contexte architectural. Le volume du ballon tampon UniSto peut aller jusqu’à 10.800 litres. Pour d’éventuels volumes plus élevés, seuls les barres et conduites de liaison doivent toutefois être adaptées. Pour de très grands volumes de stockage, il peut néanmoins s’avérer censé d’opter pour un ballon tampon installé en dehors du bâtiment. Cela présuppose naturellement qu’il y ait suffisamment de place sur le terrain, et que le volume tampon ne gêne pas trop la vue. Les accumulateurs qui sont installés en dehors du bâtiment doivent être très bien isolés. Contrairement à des accumulateurs situés au sein du volume protégé, les déperditions thermiques des ballons placés à l’extérieur ne contribueront pas au réchauffement du bâtiment.

La durée souhaitée du stockage décide du ballon tampon qui est le mieux adapté. Dans le cadre du projet StoEx, on a développé à l’université de Stuttgart une série de grands réservoirs capables de stocker de l’énergie durant des semaines voire des mois. Ce type de réservoirs s’installe en dehors du bâtiment. Une méthode d’isolation innovante doit accroître les performances thermiques par rapport à des réalisations usuelles, tout en réduisant les coûts. De tels réservoirs peuvent par exemple être intégrés dans un réseau de chaleur, ou peuvent servir d’appoint au chauffage de grands bâtiments comme des crèches, des centres de soins ou des hôpitaux.

Comme isolant, on a ici utilisé du matériau sous vide dans un ballon tampon à double paroi. L’espace intermédiaire a été rempli avec un mélange déversable de 70% de granules de perlite expansée et de 30% de silice pyrogénée. Le volume a ensuite été mis en dépression entre 0,4 et 1 mbar. Sous une certaine dépression relativement élevée, le mélange isolant atteint une faible conductibilité thermique. L’étude a confirmé que la densité était suffisante pour conserver le vide durant 50 ans.

La pertinence d’une isolation sous vide dépend aussi de l’application spécifique. Des simulations effectuées, il ressort que plus on vise un niveau de couverture élevé d’énergie solaire, plus cette technologie est économiquement avantageuse par rapport aux méthodes habituelles. L’avantage consiste alors à pouvoir clairement sous-dimensionner le volume de stockage.

Par Birgit Schneider

Participants au projet:

Université de Stuttgart, section ITW: Stephan Fischer, Harald Drück, Jens Ullmann

Consolar: Ulrich Leibfried, Michael Sütterlin.

Source: BINE Projektinfo 03/2017, repris avec autorisation.

Photos: Bine

www.bine.info

www.forschung-energiespeicher.info

1) Habillage.

2) Fine plaque d’acier.

3) Rails.

4) Module terminal résistant à la pression.

5) Conduites de charge et de décharge.

6) Barres de liaison.

7) Étanchéité.