Planification des stations de transfert du chauffage à distance

Guide de planification des stations de transfert pour le chauffage à distance

Étant donné que des stations de transfert appropriées sont importantes pour l'efficacité économique des réseaux de chauffage à distance et qu'il n'existait pas jusqu'à présent d'outil de planification complet à cet effet, un «Guide de planification des stations de transfert pour le chauffage à distance» [10] a été élaboré sur mandat de l'Office fédéral de l'énergie afin d'approfondir les connaissances spécialisées sur la conception et la planification des stations de transfert. Le guide s'adresse aux planificateurs de chauffage et aux techniciens du bâtiment, au personnel technique des entreprises de chauffage, aux experts de la conception et de la gestion des réseaux de chauffage à distance et des stations de transfert, ainsi qu'aux personnes responsables de l'exploitation des réseaux de chauffage à distance. Ce guide complète le «Guide de planification du chauffage à distance», qui couvre les bases de la planification du réseau. Le contenu du guide est basé sur l'expérience des auteurs et des membres du groupe d'experts et des associations professionnelles.  

Structure

La première partie de ce guide pour la planification des stations de transfert de chaleur pour le chauffage à distance décrit les normes et les directives applicables. Elle concerne essentiellement les réseaux avec des températures de départ primaire allant jusqu'à 110 °C et des pressions nominales allant jusqu'à PN 25. Comme il existe également des réseaux dont la température de départ est supérieure à 110 °C, les normes et directives applicables pour ces réseaux sont également présentées et répertoriées séparément.

Ensuite, les bases du raccordement de l'installation de chauffage du bâtiment à un réseau de chauffage à distance sont abordées. Il est montré qu'en principe, tout bâtiment peut être raccordé à un réseau de chauffage à distance, à condition qu’un système de chauffage et, si nécessaire, de production d'eau chaude ou de réchauffement de l’air soit disponible ou en cours de construction.

Après la présentation des notions de base, les différents types de stations de transfert de chaleur pour chauffage à distance sont présentés. Pour une meilleure orientation dans le large éventail de fabricants et de fournisseurs, les stations de transfert sont ensuite classées selon trois catégories et leur fonctionnement est décrit.

Ensuite, les différents composants et fonctions de la station de transfert de chaleur sont expliqués. Pour chaque composant de la station, les exigences techniques à respecter sont listées et la méthode de dimensionnement est décrite.

Le chapitre suivant décrit les exigences minimales à respecter pour une station de transfert de chauffage urbain indirect, afin de garantir un système facile à exploiter, à réviser et à entretenir.

Le dernier chapitre décrit les étapes les plus importantes pour la planification et l'exploitation des stations de transfert du chauffage à distance.

Une annexe complète le guide avec des informations pratiques. Il contient un questionnaire destiné aux clients potentiels du chauffage et renvoie à un tableau d'évaluation qui permet de comparer les offres de différentes stations de transfert de chauffage à distance (http://www.verenum.ch/Dokumente_QMFW.html). En outre, la procédure de planification d'une station de transfert de chauffage à distance est illustrée à l'aide d'une étude de cas.

Principes de base

Les termes les plus importants sont décrits à l'aide de la figure 3. Par rapport au manuel de planification du chauffage à distance, les différents thèmes sont traités de manière plus approfondie et actualisée dans le guide. Par exemple, la mise à jour de la norme SIA 385/1 [11] est prise en compte pour la production d'eau chaude sanitaire. En outre, la circulation et son intégration sont décrites et les variantes de la production d'eau chaude sanitaire avec des stations de production instantanée, des accumulateurs d'eau chaude avec des échangeurs de chaleur internes ou externes et le circuit prioritaire sont traitées plus en détail.

Comme la chaleur fournie doit être utilisée le plus efficacement possible, il est intéressant pour le fournisseur de chaleur de connaître la situation technique du côté secondaire du consommateur de chaleur. Par conséquent, les exigences relatives au côté secondaire constituent une partie importante des éléments de base du dimensionnement. Le tableau 1 présente un extrait des exigences relatives aux installations techniques du bâtiment, à la distribution de la chaleur et à l'intégration hydraulique dans le bâtiment.

Les exigences les plus importantes pour le côté secondaire doivent être définies contractuellement dans le contrat de fourniture de chaleur et dans le règlement technique de raccordement (RTR). L'objectif du règlement technique de raccordement est d'assurer un standard technique minimal, de garantir la qualité de la fourniture de chaleur et d'éviter les erreurs grossières. Pour le règlement technique de raccordement, il faut trouver une voie médiane dans laquelle on fixe le moins de contraintes possibles mais autant que nécessaire. Des exigences inutiles augmentent les coûts, alors que au contraire des exigences insuffisantes peuvent réduire la qualité et la longévité des installations. Pour garantir la qualité requise, il est également nécessaire de vérifier si les exigences convenues sont respectées.

Comme base de la planification, il est nécessaire d'effectuer une analyse quantitative de l'état actuel du consommateur de chaleur, qui comprend la demande d’énergie de chauffage, la puissance de chauffage, le niveau de température, le profil de charge et l'intégration hydraulique. Cela permet d'évaluer la situation existante du côté secondaire chez le consommateur de chaleur dans la phase de planification.

Systèmes de stations de transfert pour le chauffage à distance

Les stations de transfert du chauffage à distance sont disponibles selon différentes catégories de produits et désignations, dont certaines sont spécifiques à un fabricant. Pour une meilleure compréhension, les stations de transfert sont réparties selon les trois catégories suivantes : Stations de transfert standard, stations de transfert personnalisées et stations de conceptions spéciales. Cela couvre une grande partie des applications possibles et simplifie la procédure de planification.

En règle générale, tous les composants, y compris l'installation électrique, sont prémontés, testés et livrés prêts à l'emploi, de sorte qu’une fois sur place, il suffit de raccorder la station de transfert au chauffage à distance et au circuit de chauffage du bâtiment. L'alimentation électrique est généralement assurée par une prise CEE. L'assemblage sur site des stations de transfert est utilisé pour des grande puissance de chauffage, ou lorsque l'insertion d'ensembles (modules) n’est pas possible.

Composants et fonctions des stations de transfert et leur conception

Les différents composants doivent porter le marquage CE (si le marquage obligatoire est applicable) et être conformes aux normes, directives et règlements applicables. Les fabricants et les fournisseurs doivent être en mesure de prouver que les composants sont simples à entretenir et à remplacer et qu'ils remplissent les fonctions pour lesquelles ils ont été conçus. Les pièces de rechange doivent être disponibles pendant au moins cinq ans après la livraison et la durée de vie des composant ne doit pas être inférieure à dix ans dans des conditions normales. Le dimensionnement doit être effectué en respectant les exigences des exploitants et des clients ([12] page 20 et suivantes). Pour les installations dont la température de fonctionnement est supérieure à 110 °C, il faut également tenir compte de l'ordonnance sur les équipements sous pression [13] pour le calcul de la résistance et la déclaration de conformité des différents composants. Les composants et les fonctionnalités suivants sont abordés plus en détail dans le guide:

• Général
• Salle de connexion de la maison des équipements
• Échangeur de chaleur
• Vanne de régulation
• Technique de régulation
• Acquisition de données et surveillance à distance
• Compteur de chaleur
• Protection contre la pression et la température
• Robinetterie d'arrêt
• Vidange et ventilation
• Filtres
• Affichage de la température et de la pression
• Matériaux et techniques raccordement
• Isolation thermique
• Liaison équipotentielle

Exigences minimales pour les stations de transfert du chauffage à distance

Les stations de transfert du chauffage à distance doivent toujours être conçues de manière à être faciles à exploiter, à réviser et à entretenir, et doivent être construites conformément au règlement technique de raccordement et respecter les normes et directives applicables. À cette fin, le guide de planification définit les exigences minimales à respecter pour une station de transfert de chauffage à distance indirecte. Les composants de la station de transferts sont présentés, la plage de perte de charge admissible ainsi que la vitesse d'écoulement maximale sont également précisées. Les exigences en matière de documentation sont également établies. Enfin, les prix indicatifs pour une station de transfert de chauffage à distance de 10 kW à 200 kW sont présentés.

Les composants suivants doivent être inclus dans l'équipement minimum d'une station de transfert du chauffage urbain (voir aussi figure 4) :

1. Robinetterie d’arrêt dans l’amenée et le retour
2. Affichage de la température (thermomètre) dans l’amenée et le retour
3. Affichage de la pression (manomètre) dans l’amenée et le retour
4. Purge dans la conduite d’amenée (en haut) et vidange dans la conduite de retour (en bas)
5. Filtre dans la conduite d’amenée avant l’échangeur de chaleur (circuit primaire) et filtre dans la conduite de retour avant l’entrée dans l’échangeur de chaleur (circuit secondaire)
6. Echangeur de chaleur
7. Vanne combinée avec mécanisme d’entraînement
8. Compteur d’énergie thermique (mesure du volume et de la température, organe de calcul, sonde de température dans l’amenée et le retour)
9. Vanne de sécurité à ressort
10. Vase ou ballon d’expansion
11. Dispositif de régulation de la température d’amenée côté secondaire :
    a.  Sonde de température dans l’amenée côté secondaire
    b.  Sonde de température dans le retour côté primaire
    c.  Sonde pour la température extérieure (si sonde atmosphérique)
    d.  Connexion avec vanne combinée
12. Sonde pour la température extérieure

La perte de charge de la station de transfert entre les vannes d'arrêt sur l’aller et le retour est principalement due aux pertes de charge des composants suivants: Filtre, échangeur de chaleur, vanne combinée, compteur de chaleur, tuyaux, coudes et raccords. La perte de charge d'une station de transfert est de l'ordre de 50 kPa à 100 kPa (0,5 bar à 1,0 bar). Les détails des pertes de charge pour les différents composants peuvent se trouver dans le tableau 2.

Tab. 2 Composition de la perte de pression d'une station de transfert de chauffage à distance.

Afin d'éviter les bruits gênants et de garantir le fonctionnement et la durabilité de l’installation, les vitesses d'écoulement maximales selon le tableau 3 doivent être respectées dans les conduites de raccordement domestiques et la station de transfert de chaleur.

Tab. 3 Vitesses d’écoulement maximales dans les conduites de raccordement domestique et dans les stations de transfert.

Pour garantir une exploitation et une maintenance correctes, une documentation détaillée doit être rédigée et maintenue à jour. Une organisation comprenant les cinq parties suivantes est recommandée pour la documentation: Partie générale, instructions de montage, instructions pour l'utilisation, instructions de maintenance et autres documents. (voir [14] page 15 et suivantes).

Sur la base des exigences minimales définies pour une station de transfert de chauffage à distance, les coûts d'investissement pour des capacités de raccordement de 10 kW, 25 kW, 50 kW, 100 kW et 200 kW ont été collectés auprès des entreprises suivantes (état mars 2020): Fahrer AG, Hoval AG, isoplus (Schweiz) AG, PEWO Energietechnik Schweiz GmbH et SYSBO AG. Les coûts d'investissement sont détaillés comme suit:

• Composants selon la liste de l'équipement minimum - sans les composants du côté secondaire tels que la vanne de sécurité (9), l'expansion (10) et filtre (5)
• Testé, livré et assemblé
• Sans les installations électriques et les conduites vers le réseau primaire et secondaire
• Y compris la mise en service

En plus de l'exigence minimale définie pour les équipements, les exigences correspondent aux spécifications techniques de raccordement présentées dans l’exemple de dimensionnement annexé au guide de planification et sont définies comme suit:

• Pression nominale PN 16
• Température maximale de fonctionnement: 110 °C
• Température de départ hiver: 80 °C
• Température de départ en été: 70 °C
• Température maximale de retour primaire en mode chauffage: 50 °C
• Gradient maximal du débit de retour en mode chauffage: 3 K
• Pression différentielle maximale du réseau: 500 kPa (5 bar)

Les principales différences entre les différentes marques concernent la conception (montage mural dans un boîtier ou ouvert sur un rack) et le choix des différents composants (régulateur, sonde de température extérieure, etc.). Les coûts d'investissement indiqués sont des prix indicatifs (prix bruts) pour une première estimation, les coûts réels pouvant varier en fonction de la situation et des besoins.

La figure 5 montre les coûts d'investissement en fonction de la puissance raccordée avec les valeurs minimales, maximales et moyennes des données collectées. La figure 6 montre les coûts d'investissement spécifiques en fonction de la puissance raccordée. Les économies d'échelle sont clairement visibles dans cette illustration.

Déroulement du projet

La planification et l'exploitation d'un réseau de chauffage à distance sont basées sur la procédure recommandée dans le guide de planification du chauffage à distance ([2], page 102 et suivantes). Une distinction est faite entre la phase de planification et la phase d'exploitation. La planification et l'exploitation des stations de transfert du chauffage à distance sont traitées plus en détail dans le guide. Il convient de noter que les différentes étapes du travail ne sont souvent pas réalisées par une seule personne ou une seule entreprise. C'est pourquoi une coordination globale, une documentation maintenue à jour et une bonne communication sont importantes.

Dans la phase de planification, il faut veiller à une analyse détaillée de la situation réelle des consommateurs de chaleur (enregistrement de la demande en énergie et en puissance de chauffage ainsi que type de connexion hydraulique). A partir de cette analyse ainsi que du règlement technique de raccordement, il est possible de mettre en évidence les exigences individuelles et d’établir les documents d'appel d'offres pour les stations de transfert.

La phase d'exploitation doit être considérée comme un processus continu et commence après réception de l’installation par le consommateur de chaleur, le propriétaire du bâtiment, l'exploitant et/ou leurs représentants. Les points suivants doivent être particulièrement respectés:

1.  Ajustements et optimisations
   Les ajustements ou l'optimisation de la station de transfert a lieu au début, pendant la période de chauffage et, si possible, périodiquement ou en continu grâce à l'évaluation des paramètres les plus importants, par exemple via un système de supervision centralisé.
   a. Comparaison des valeurs de consigne/réelles avec les valeurs de référence (éventuellement ajustement des valeurs de consigne et des paramètres de contrôle tels que la température, la pression, etc.)
   b. Détection et interprétation des éventuels écarts (diagnostic des défauts et des dommages)
   c. Identification du potentiel d'optimisation.
2. Service et entretien
   a. Mettre en œuvre l'étalonnage obligatoire des compteurs de chaleur
   b. Contrôles périodiques
   c. Dispositifs de sécurité
   d. Qualité de l'eau
   e. Débourbage
   f. Fonction de dégazage
   g. Fuite
3. Facturation de la quantité de chaleur consommée.

Conclusion

Le guide de planification des stations de transfert pour le chauffage à distance sert de base à la planification des stations de transfert en tant que composante importante des réseaux de chauffage à distance. Avec les documents existants (guide de planification de QM Chauffage à Distance ainsi que les documents de l'Association suisse du chauffage à distance (ASCAD), de la SSIGE et d'autres associations), il aide à garantir une planification optimale et une bonne exploitation des stations de transfert et contribue ainsi à améliorer la rentabilité et l'efficacité énergétique des réseaux de chauffage à distance.

Le guide et les informations qui l'accompagnent, comme un questionnaire pour le raccordement au chauffage à distance et un outil d'évaluation des services offerts par les stations de transfert du chauffage à distance, sont disponibles sur le site web de QM Chauffage à Distance: http://www.verenum.ch/Documents_QMCAD.html