Le mois dernier, nous avons étudié un moyen de combiner un réservoir de stockage thermique non pressurisé avec un échangeur de chaleur à plaques brasées en acier inoxydable, deux circulateurs et deux vannes motorisées pour créer un système de stockage thermique réversible. Ce système est illustré à la figure 1.
Le débit réversible est d’une importance cruciale pour maintenir la stratification de la température dans le réservoir de stockage.
« Entrées » et « Sorties »
La figure 2 développe le sous-système de stockage thermique réversible pour inclure une source de chaleur (c'est-à-dire une pompe à chaleur air-eau, une pompe à chaleur géothermique eau-eau ou une chaudière électrique) et une charge.
Image gracieuseté de John Siegenthaler. Source de chaleur en mode stockage
Le mode de fonctionnement illustré à la figure 2 permet à la source de chaleur d'envoyer de la chaleur au ballon de stockage thermique. Les émetteurs de chaleur ne fonctionnent pas. Ce mode s'appliquerait lorsque les tarifs d'électricité en fonction des heures d'utilisation sont bas, généralement la nuit, le week-end et certains jours fériés.
Le robinet à tournant sphérique motorisé (MV1) est ouvert et le robinet à tournant sphérique motorisé (MV2) est fermé. Ce dernier force tout le flux de la source de chaleur vers le stockage thermique. Les circulateurs et les vannes situés sous l'échangeur de chaleur créent un flux depuis le bas du réservoir de stockage thermique, à travers l'échangeur de chaleur (à contre-courant du flux de la source de chaleur) et vers la partie supérieure du réservoir de stockage thermique.
En plus de faire du circuit traversant la partie supérieure de l'échangeur thermique une boucle fermée, l'échangeur thermique permet au fluide du circuit contenant la source de chaleur d'être une solution antigel. Ceci est souvent nécessaire lorsque la source de chaleur est une pompe à chaleur air/eau monobloc.
Stockage en mode chargement
La figure 3 montre la même tuyauterie, mais dans le mode où la chaleur est envoyée du stockage à la charge.
Image gracieuseté de John Siegenthaler. La vanne (MV1) est fermée, bloquant le flux à travers la source de chaleur, qui est désactivée dans ce mode. La vanne (MV2) est ouverte et le circulateur de distribution fonctionne. L'eau chaude provenant du stockage thermique traverse l'échangeur de chaleur à contre-courant, transférant la chaleur à la charge.
Les sens d'écoulement à travers les deux côtés de l'échangeur thermique se sont inversés, mais le contre-courant a été maintenu. Les sens d’écoulement entrant et sortant du ballon de stockage thermique se sont également inversés. La stratification de la température à l'intérieur du réservoir est maintenue.
Mode de chargement direct
Image gracieuseté de John Siegenthaler. Ce mode peut être utilisé si le stockage thermique est trop froid pour alimenter la charge, ou par défaut si le système de stockage thermique est hors ligne pour service.
L'un des avantages uniques de ce mode est que la partie supérieure de l'échangeur thermique assure une séparation hydraulique entre le circulateur de la source de chaleur et le circulateur de distribution. Cependant, pour maximiser cet effet, la perte de charge dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur combinée à la perte de charge de la tuyauterie le reliant aux deux tés (par exemple, les composants illustrés en orange dans la figure 4) doit être aussi faible que possible. Heureusement, les échangeurs de chaleur à plaques brasées peuvent être dimensionnés pour une très faible perte de charge.
Attentes tempérées
Considérez ce système combiné à des émetteurs de chaleur à basse température d’eau, comme certains types de chauffage par le sol. Il y aura des moments où l’eau stockée sera trop chaude pour les exigences (ou les limitations) des émetteurs de chaleur. Un certain type de contrôle de la température d'alimentation est nécessaire entre le stockage et les émetteurs de chaleur.
Une façon d'y parvenir est de faire varier la vitesse du circulateur (Phot). En faisant varier le débit à travers le côté « chaud » de l'échangeur de chaleur, la température de l'eau sortant du côté « froid » de l'échangeur de chaleur et fournie aux émetteurs de chaleur peut être régulée. Cette option est illustrée à la figure 5.
Image gracieuseté de John Siegenthaler. La méthode utilisée pour contrôler le circulateur de vitesse (Pchaud) dépend du circulateur. Certains circulateurs ECM en acier inoxydable sont équipés d'une entrée 0-10 VDC pour le contrôle de la vitesse. Certains disposent également d’une entrée PWM (pulse wide modulation) pour le contrôle de la vitesse. L'une ou l'autre de ces entrées devrait provenir d'un contrôleur distinct qui mesure la température de l'eau fournie aux émetteurs de chaleur et fait varier le signal de sortie si nécessaire pour maintenir cette température aussi proche que possible d'une valeur cible. La température d'alimentation cible peut être un point de consigne ou basée sur une réinitialisation extérieure. Il existe également des circulateurs dotés d'une logique de contrôle de température intégrée ainsi que de bornes d'entrée pour un capteur de température à thermistance.
Il serait également possible de remplacer la vanne motorisée (MV2) par une vanne mélangeuse à 3 voies, comme le montre la figure 6.
Image gracieuseté de John Siegenthaler. Circulateur (Pchaud) fonctionnerait à une vitesse fixe. La vanne mélangeuse mélangerait l'eau chaude provenant du côté supérieur de l'échangeur de chaleur avec l'eau plus froide revenant des émetteurs de chaleur pour atteindre la température cible de l'eau d'alimentation. Lorsque la source de chaleur charge le stockage et qu'il n'y a aucune demande de chaleur au niveau des émetteurs de chaleur, le port « A » de la vanne mélangeuse sera complètement fermé.
Diviser et conquérir
Un autre mode possible est lorsque la source de chaleur charge le stockage en même temps qu'une certaine charge existe. Cela pourrait être géré en ouvrant la vanne (MV1) et en modulant le débit à travers la vanne à 2 voies (MV2) dans la figure 2. Cela pourrait également être fait en régulant le débit d'eau chaude dans la vanne à 3 voies illustrée à la figure 5. Des contrôles seraient nécessaires pour diviser le débit de la source de chaleur entre le stockage et les émetteurs de chaleur. Étant donné que le maintien du confort est probablement la priorité, le flux vers le stockage serait limité jusqu'à ce que la charge soit satisfaite. À ce stade, tout le flux provenant de la source de chaleur serait dirigé vers le stockage.
Comme indiqué dans la première partie, les systèmes de stockage non pressurisés présentent des avantages et des limites. Dans les applications où le coût par gallon de stockage est critique, ou où il est autrement peu pratique d'introduire un ou plusieurs réservoirs sous pression, un réservoir non pressurisé combiné aux concepts de tuyauterie et de contrôle discutés représente une solution viable pour tirer parti de la combinaison des tarifs électriques en fonction du temps d'utilisation, des pompes à chaleur et du confort inégalé rendu possible par la technologie hydronique moderne.