Auteur : D. Darimont – ICEDD

 

Notes :

  • mise en page – 1er passage, Sylvie 07.04.2016 (liens, mise page, Antidote).

 

L’insertion d’une unité de cogénération de petite taille dans un système de chauffage centralisé est une question complexe. Chaque système de chauffage a ses spécificités et rend le raccordement hydraulique d’une cogénération unique. En outre, il n’existe pas de prescriptions techniques spécifiques auxquelles un installateur doit ou peut se conformer.
Voici repris une série de critères de dimensionnement et de caractéristiques relatifs aux différentes possibilités de raccordement de la cogénération.
  • Étude de l’installation de chauffage existante
  • Critères généraux
  • Exigences côté cogénération
  • Raccordement en série
  • Raccordement en parallèle
  • Aéro-réfrigérant

Étude de l’installation de chauffage existante

La connaissance et l’optimalisation de l’installation de chauffage existante sont un préalable important au bon fonctionnement futur de l’installation combinée. Un schéma hydraulique à jour de l’installation existante est donc indispensable.
Il faut principalement être attentif à l’adéquation des débits. Si ceux-ci sont surdimensionnés, les températures de retour de l’installation seront plus élevées que la normale. La diminution de la vitesse des pompes ou le placement de pompes à vitesse variable s’imposent donc parfois en préalable à la cogénération.
Cette étude est relativement simple pour les installations de taille modeste.
Par contre, pour les grosses centrales de chauffe, desservant plusieurs utilisateurs (sous-stations), une simulation des flux d’eau dans l’installation peut être nécessaire, pour en connaître le plus précisément possible le comportement : que se passe-t-il lorsque telle vanne s’ouvre, lorsque telle chaudière s’enclenche …

  • Ne pas créer de pertes de charge dans le circuit du client.
  • Assurer le débit d’eau au moteur quel que soit le mode de fonctionnement ou la charge.
  • Ne pas augmenter la température de l’eau à l’entrée du moteur par des mélanges.
  • Rendre possible l’isolation du circuit d’utilisation pour faire fonctionner la chaufferie sans le groupe de cogénération.
  • Prévoir un système de vidange du circuit hydraulique simple.
  • Prévenir les problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement.

Le risque majeur à éviter dans la combinaison chauffage-cogénération est une température d’eau de retour trop élevée vers le moteur. Comme expliqué dans le chapitre relatif à la régulation, une température trop élevée peut entraîner une instabilité de l’enclenchement / déclenchement du moteur.
Concrètement, il faut que la température de l’eau à l’entrée du moteur soit inférieure à 85 °C si on récupère la chaleur uniquement sur l’eau de refroidissement et sur les fumées, à 75 °C si on récupère de la chaleur également sur le circuit d’huile et à 40 °C si on récupère sur le refroidissement du mélange air-gaz après turbocompression (pour les gros moteurs).
Côté refroidissement du moteur, des problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement peuvent engendrer des problèmes aux joints des pompes à eau par exemple. La séparation des circuits de refroidissement du moteur (water jacket) du reste de l’installation hydraulique confine le problème. La solution est alors d’analyser la qualité de l’eau et de définir les additifs qui neutralisent les polluants. L’isolation des échangeurs de refroidissement du moteur et du circuit de lubrification permet de n’ajouter les additifs que dans un circuit local, au contraire d’un circuit unique, qui impose l’ajout des additifs en question au niveau des circuits de chaleur dans leur ensemble. La séparation des circuits de refroidissement du moteur offre en outre l’avantage de minimiser les pertes de charge dans le circuit client.

Configuration série sans ballon de stockage

Raccordement série (dérivation sur retour principal) sans bouteille de mélange :

  • Éviter le recyclage dans le circuit du retour du groupe.
  • Sélectionner une puissance du groupe inférieure à la puissance de la chaudière prioritaire pour garantir un débit suffisant.
  • La priorité est donnée naturellement à la cogénération.
  • Pas de conséquence négative lors de l’arrêt du groupe.
  • Maintien d’une régulation classique des chaudières.

Raccordement en série.

Le raccordement en série est la solution la plus simple. C’est elle qui présentera le moins de difficultés au niveau de la compatibilité hydraulique avec l’installation de chauffage existante. Elle est donc à conseiller pour les petites installations pour lesquelles une simulation du comportement hydraulique de l’ensemble serait trop coûteuse par rapport à l’investissement total.
Dans ce type de raccordement, une partie de l’eau est préchauffée par le cogénérateur. Si celui-ci ne développe pas une puissance thermique suffisante par rapport aux besoins instantanés, l’eau sera postchauffée par les chaudières.
L’inconvénient du raccordement en série provient du fait qu’une des chaudières est en permanence parcourue par de l’eau chaude même lorsqu’elle est à l’arrêt. On subit donc ses pertes à l’arrêt (y compris en été si le cogénérateur est dimensionné pour produire de l’eau chaude sanitaire). Elles peuvent être importantes sur des anciennes chaudières mal isolées et dont le brûleur est en permanence ouvert vers la cheminée (brûleurs sans clapets, chaudières atmosphériques).
Par contre, l’avantage est de pouvoir profiter du volume de la chaudière pour réaliser un stockage lorsque la demande instantanée de chaleur est fluctuante et inférieure à la production du cogénérateur. Ce volume de stockage est cependant limité par rapport à un ballon tampon séparé.
Le by-pass du cogénérateur sera dimensionné pour qu’un débit suffisant traverse le cogénérateur.
Une attention particulière devra être portée à ce problème si le circuit primaire est conçu pour fonctionner à débit variable (circuit avec une pompe d’alimentation par chaudière, circuit primaire ouvert sans pompe primaire et circuits secondaires avec vannes mélangeuses, …). Par exemple, si chaque chaudière possède sa propre pompe, le débit d’une chaudière doit être plus élevé que le débit du cogénérateur, faute de quoi celui-ci sera insuffisamment refroidi.

Configuration série sans ballon avec by-pass

Une autre configuration qui évite les pertes à l’arrêt dans les chaudières est le placement avantageux d’un by-pass. Attention toutefois au coût des vannes 3 voies par rapport à l’avantage que l’on retire de ne pas générer des pertes à l’arrêt dans une des chaudières.

Configuration série avec ballon

Quelques constructeurs proposent une configuration série avec ballon tampon. Le débit total de retour du collecteur traverse le ballon. On ne peut pas vraiment parler de ballon de stockage vu qu’il n’y a pas de stratification. On parlera plutôt d’augmentation de l’inertie du réseau. Pour autant que les conduits d’entrée et de sortie du ballon soient bien dimensionnés, le ballon tampon agit comme un large collecteur à faibles pertes de charge et perturbant peu les équilibres hydrauliques de la chaufferie existante. On peut comprendre que cette configuration soit intéressante, car hydrauliquement elle est simple et peut donner de bons résultats en termes de courts cycles du cogénérateur.

Raccordement série (dérivation sur retour principal) avec bouteille de mélange

Il est impératif de :

  • Placer la bouteille verticalement pour garantir l’indépendance hydraulique des circuits.
  • Placer la pompe en série avec le circuit hydraulique de refroidissement du moteur pour garantir le débit.
  • La priorité est donnée naturellement à la cogénération.
  • Pas de conséquence négative lors de l’arrêt du groupe.
  • Maintien d’une régulation classique des chaudières.

Le raccordement du cogénérateur en amont de la bouteille (B) est préférable au raccordement en aval (A) étant donné la possibilité de retour d’eau chaude vers les chaudières au travers de la bouteille, ce qui réduirait le refroidissement du moteur.

Cogénérateur raccordé en série sur les chaudières dans un circuit avec bouteille casse-pression
(principe applicable à un raccordement en parallèle)

  • Pas de perte par irrigation des chaudières lorsque la cogénération suffit.
  • La priorité n’est pas donnée naturellement à la cogénération.
  • Gestion spécifique de séquence des chaudières.
  • Un dimensionnement précis de la pompe dont le calcul est délicat est nécessaire (alternative : un variateur de vitesse).

Raccordement en parallèle

L’intégration hydraulique en parallèle dans une chaufferie existante demande plus de modifications de la « tuyauterie » qu’une intégration en série et une régulation plus fine. Cependant, on peut pointer plusieurs avantages importants de la mise en parallèle d’une cogénération : à l’inverse de la configuration série classique (sans by-pass des chaudières), il n’y a pas de passage de l’eau chaude dans les chaudières lorsque la cogénération seule fonctionne. On n’a donc pas de pertes à l’arrêt au niveau des chaudières si elles ne sont pas irriguées. Mais cela nécessite naturellement de dimensionner les conduites de raccordement du ballon de stockage de manière à laisser passer le débit total.
De plus, dans des chaufferies modernes équipées de chaudières à condensation, pour autant que la température de retour au circuit primaire soit bien maîtrisée, la configuration parallèle permet de valoriser la chaleur de condensation lorsque les chaudières viennent :

  • En support de la cogénération en période froide.
  • En remplacement de la cogénération en période chaude lorsque les besoins de chaleur deviennent trop faibles, et ce pour éviter les courts

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be