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Ballon tampon : histoire et principe

Principe du ballon tampon

Un ballon tampon est un ballon de stockage rempli de liquide (généralement de l’eau) qui sert à stocker la chaleur à l’interface entre une ou plusieurs sources de chaleur (d’origine solaire, biomasse ou thermodynamique) et un circuit de distribution de chaleur, en général un chauffage central à boucle d’eau chaude (radiateurs ou plancher chauffant) ou un circuit d’eau chaude sanitaire.

Le ballon tampon permet le découplage entre la source (production) et la distribution (consommation) de chaleur.

Historique du ballon tampon

Les premiers stockages de chaleur dans un ballon tampon sont liés au développement de l’énergie solaire thermique aux Etats-Unis.

Les premiers capteurs solaires pour la production d’eau chaude sanitaire se sont généralisés d’abord dans le Maryland puis en Californie dès les années 1890, mais ces premiers systèmes, notamment mis au point par Clarence Kemp, n’étaient pas équipés de ballons tampons : l’eau était stockée directement sous les capteurs et soumise à un rapide refroidissement nocturne.

Le premier ballon tampon, stockage indépendant de la source de chaleur et isolé pour garder la chaleur pendant la nuit, apparaît véritablement en 1909 en Californie, invention de l’ingénieur américain William J. Bailey appelée le « Day and Night ». C’est le premier système qui permet de stocker l’énergie solaire d’une journée pour la restituer le lendemain matin.

L’apparition de nouvelles énergies bon marché telles que l’électricité et le gaz dans les années 1930 transforme les ballons de stockage en chauffe-eau électrique à accumulation (le fameux « cumulus », inventé en 1915 par l’industriel français Frédéric Sauter) ou en chauffe-eau à gaz. Les ballons de stockage d’eau chaude sanitaire perdent leur fonction de tampon, puisque la production de chaleur (à base de gaz ou d’électricité) est directement régulée en fonction des besoins.

Développement récent

C’est le choc pétrolier de 1973 qui redonne de l’essor au solaire thermique et donc au ballon tampon, mais cet essor reste limité en ampleur et en durée.

Dans les années 1990, le ballon tampon trouve un autre support d’application que le solaire thermique : la production de chaleur par les chaudières à combustible solide, notamment les chaudières à bûches de bois. En effet, les chaudières à bois bûches, comme les systèmes solaires thermiques, sont des sources de chaleur intermittentes produisant beaucoup de chaleur en peu de temps. L’intérêt de la répartition de la consommation de chaleur dans le temps redonne au ballon tampon sa raison d’exister.

Les pompes à chaleur et les chaudières à granulés qui se développent parallèlement dans les années 1990 et 2000 trouvent aussi dans le ballon tampon un élément de nature à améliorer leur performance, en augmentant l’inertie du système et en créant des cycles de chauffe plus longs de nature à réduire les contraintes physiques sur le matériel.

Depuis les années 2000, les systèmes combinant plusieurs sources de chaleur alternatives (solaire thermique, bois énergie, pompe à chaleur et même électricité par éolienne ou mini centrale hydraulique) se développent et font du ballon tampon le cœur d’un système de chauffage moderne pouvant combiner plusieurs sources de chaleur indépendantes.

Dans les prochaines décennies, il se pourrait bien que le ballon tampon redevienne un élément majeur du développement de l’énergie domestique, avec l’énergie solaire thermique comme source principale et le bois énergie ou l’électricité comme source complémentaire.

Applications du ballon tampon aujourd’hui

Toutes les sources de chaleur temporellement découplées de la consommation ont un intérêt à être raccordées à un ballon tampon.

Ballon tampon avec isolation

Ballon tampon avec isolation

Le solaire thermique

C’est le domaine historique d’utilisation du ballon tampon. Le ballon tampon permet de stocker sous forme d’eau chaude la chaleur produite par des capteurs solaires pendant le jour et de restituer cette chaleur le soir ou le lendemain matin.

Le bois énergie, notamment avec les chaudières bois bûches

Le ballon tampon permet de faire fonctionner la chaudière bois à pleine puissance et de lui éviter tous les ennuis d’un fonctionnement bridé à faible puissance. Grâce au ballon tampon, le rendement de la chaudière est meilleur, les émissions polluantes sont réduites, l’encrassement des appareils est réduite et leur entretien plus facile. La flexibilité des temps de charge en bois est aussi un grand avantage du ballon tampon.

La combinaison de ces deux application principales, le solaire et le bois, est de plus en plus utilisée et présente de nombreux intérêts économiques.

Solaire-Bois.fr est le premier site spécialisé dans la commercialisation de ces systèmes combinés au grand public.

Dimensionnement d’un ballon tampon pour les chaudières bois bûches

Le dimensionnement d’un ballon tampon pour une chaudière à bois dépend de nombreux facteurs. Certains calculs permettent de recommander 40 à 70 litres de stockage en eau par kW de production de chaleur. D’autres calculs préconisent des volumes de stockage en eau de l’ordre de 10 à 20 fois le volume de chargement en bois. La vérité est que chaque cas est unique, que les paramètres sont rarement tous connus et que les paramètres de confort, d’efficacité souhaitée, de retour sur investissement et d’encombrement disponible sont des paramètres importants dans le dimensionnement et non définis de manière absolue.

La stabilité des boucles rétroactives d’un système équipés d’un ballon tampon (notamment la chute de puissance et de rendement de la production de chaleur au fur et à mesure que la température de l’eau du ballon augmente) permet de se satisfaire de calculs approximatifs validés par un professionnel expérimenté.

L’équilibre du budget et l’encombrement du système sont parfois également déterminants.

Inconvénients du ballon tampon

Le seul inconvénient théorique du ballon tampon est lié aux pertes de chaleur sur la surface du ballon. C’est pourquoi les ballons tampons doivent être très bien isolés. Les isolations en mousse de polyuréthane sont devenues la norme, d’épaisseur 10 ou 12 cm. Si l’environnement du ballon tampon est réputé froid, une isolation renforcée doit être envisagée.

Il existe bien sûr un inconvénient pratique qui est l’encombrement du ballon tampon, souvent 1 m2 au sol pour une application domestique moyenne, parfois plus. Certains ballons tampons peuvent être enterrés, pour des gains de place.

Economie

Le ballon tampon en lui-même n’est pas très onéreux, entre 1 € et 2 € par litre d’accumulation suivant le type de ballon et ses fonctionnalités, en moyenne 1200 € pour 1000 litres d’accumulation.

Un bon système de régulation est souvent plus cher que le ballon tampon lui-même.

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