cstc avantages et principe de fonctionnement d` une chaudière à

Info NIT 235 / 1
CSTC
Réalisée sur la base de
la NIT 235 du CSTC
éditée en septembre 2008
AVANTAGES ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
D’ UNE CHAUDIÈRE À CONDENSATION.
Les chaudières fonctionnant aux combustibles
fossiles dans les bâtiments résidentiels et tertiaires
sont responsables de près de 50 % des émissions
de gaz à effet de serre (CO, CO2 et NOX) en Union
européenne.
Le recours à la chaudière à condensation apparaît dès lors comme un moyen efficace pour lutter
contre ce fléau. Plusieurs études montrent en effet
que, par rapport à une chaudière classique, la
technique de condensation permet de réduire les
émissions de gaz à effet de serre d’environ 15 %.
Si ce choix est généralement évident dans le cas
d’une installation neuve, le plus grand potentiel
d’économie réside cependant dans le secteur de
la rénovation, ce qui explique que 80 % des chaudières à condensation vendues sont destinées au
remplacement d’anciens appareils.
La chaudière à condensation est un générateur de
chaleur à très haut rendement dont les possibilités
d’application sont fréquemment sous-estimées.
Ainsi considère-t-on souvent à tort que ce type
d’appareil ne peut être
raccordé à un système de distribution de chaleur
équipé de radiateurs et conçu pour fonctionner à
haute température (90 / 70 ° C ou 80 / 60° C, par
exemple).
Si la chaudière à condensation s’avère effectivement plus efficace lorsqu’elle est raccordée à un
système de chauffage à basse ou très basse température, il n’en reste pas moins vrai que, même à
haute température, son rendement sera toujours
supérieur à celui d’un autre type d’appareil et ce,
même en l’absence de condensation de la vapeur
contenue dans les gaz brûlés.
De plus, un régime de température élevée n’est
nécessaire qu’au moment où l’installation doit
fournir sa puissance maximale, c’est-à-dire durant les périodes les plus froides de l’année. On
comprend dès lors aisément qu’en dehors de
ces périodes, l’installation puisse fonctionner à
bas régime sans nuire aucunement au confort
thermique. En diminuant la température de l’eau
en fonction du climat extérieur, la chaudière à
condensation peut fonctionner la plupart du temps
en mode de condensation, de telle sorte que son
rendement se révèle nettement supérieur à celui
de n’importe quel autre type d’appareil.
RÉGULATION « GLISSANTE »
CONDITION DE CONDENSATION
Il est beaucoup plus efficace de faire
fonctionner l’installation de chauffage à la
température la plus basse possible, sans
affecter le confort thermique des occupants.
A cet effet, la température de la chaudière
est réglée en fonction de la température
extérieure. Ce réglage dit « glissant » a pour
effet de condenser au maximum la vapeur
d’eau présente dans les gaz de combustion, de façon à obtenir un rendement
optimal et à limiter les rejets de gaz nocifs
dans l’atmosphère.
Le processus de condensation se déroule au
sein d’un échangeur de chaleur qui fait office
de condenseur dans lequel l’eau de retour de
l’installation rencontre les gaz brûlés.
En pratique, le phénomène de condensation
n’aura lieu que lorsque la température de l’eau
de retour sera inférieure d’environ 5° C au
point de rosée*, donc lorsqu’elle descendra
sous les 50° C pour le gaz naturel et sous les
42° C pour le mazout.
CHAUDIÈRE À CONDENSATION
Réseau de distribution
(chauffage par le sol, radiateur...)
Température de l’eau de retour :
< 50°C - chaudière au gaz
< 42°C - chaudière au mazout
Evacuation
des gaz
brûlés
Gaz
ou
mazout
Air
Condensats
EXCÈS D’AIR MINIMAL
Pour atteindre le point de rosée* des gaz
brûlés, on a tout intérêt à régler le brûleur
de manière à faire fonctionner la chaudière
avec un excès d’air minimum ou un taux
de CO2 maximum. Le bon réglage du brûleur
est dès lors essentiel pour optimiser le fonctionnement d’une chaudière à condensation.
CONDENSATS ACIDES
Une chaudière installée dans une maison
unifamiliale moyenne produit approximativement 500 à 2000 litres de condensats par an.
Il s’agit de rejets acides dont le pH dépend
du combustible utilisé : pH de 2 à 5.
Il importe dès lors que les matériaux qui
entrent en contact avec les condensats
présentent une bonne résistance à la corrosion : matières synthétiques (PVC, PE, PP, ...),
grès, fonte...
EXTRACTION MAXIMALE
DE CHALEUR
Le refroidissement des gaz brûlés permet
d’extraire une quantité maximale de chaleur
sensible et de chaleur latente.
● La chaleur sensible est la chaleur qui se
libère quand la température de la vapeur
d’eau ou de l’eau liquide diminue.
● La chaleur latente est la chaleur qui se
libère quand la vapeur d’eau contenue
dans les gaz passe à l’état liquide.
* Point de rosée des gaz brûlés = température à laquelle
la vapeur d’eau contenue dans les gaz brûlés se condense :
55°C pour le gaz naturel et 47°C pour le mazout.
AVANTAGES DE LA CHAUDIÈRE
À CONDENSATION
Une chaudière à condensation est susceptible
d’offrir un rendement jusqu’à 10 % supérieur à
celui d’une chaudière traditionnelle.
Divers facteurs expliquent cette performance
énergétique accrue :
● le refroidissement intense des gaz brûlés,
entraînant à la fois
- une diminution des pertes de chaleur sensible
- et une condensation de la vapeur d’eau
contenue dans les gaz, ce qui permet une
récupération de la chaleur latente ;
● la réduction des pertes de chaleur dans
l’environnement grâce au régime de basse
température ;
● la combustion optimale liée à un excès d’air
minimal.
Ces avantages ne seront toutefois pleinement
acquis que si la chaudière fonctionne à basse
température durant une période suffisamment
longue, ce qui suppose un système de distribution de chaleur approprié.
1. Le gain théorique résultant de la condensation
de toute la vapeur d’eau produite se situe
entre 6 % (cas du mazout) et 11 % (cas du gaz
naturel) au-dessus du pouvoir calorifique.
2. Un autre facteur qui favorise les performances énergétiques de ces appareils est lié
au fonctionnement optimal du brûleur qui
conduit à un excès d’air minimum.
Précisons en outre que le choix d’un brûleur
modulant peut se révéler intéressant, en ce
sens qu’il réduit le nombre de cycles
démarrage / arrêt et permet à la chaudière de
fonctionner en grande partie sous charge
partielle ; ce qui lui confère un rendement
sensiblement supérieur à celui d’un brûleur à
commande « tout ou rien ».
3. Une troisième source de gains réside dans
la réduction des déperditions de la chaudière
par convection et rayonnement dans l’environnement, grâce à son fonctionnement à
basse température. Un avantage qui revêt
toute son importance lorsque la chaudière
est installée en dehors du volume protégé
du bâtiment.
Bilan thermique de trois types de chaudières à gaz.
11 %
11 %
5%
Chaleur utile par
rapport à Hi
88 %
92 %
104 %
Pertes de chaleur
sensible
12 %
8%
2%
Pertes par évaporation
(chaleur latente)
CHAUDIÈRE
STANDARD
CHAUDIÈRE
BASSE
TEMPÉRATURE
Hi = pouvoir calorifique inférieur
= quantité de chaleur disponible lorsqu’il n’y a pas
condensation de la vapeur d’eau contenue dans les gaz de
combustion (la chaleur latente n’est donc pas récupérée).
CHAUDIÈRE
Hs
À
CONDENSATION
HS = pouvoir calorifique supérieur
= quantité de chaleur libérée lorsqu’il y a condensation
de toute la vapeur d’eau contenue dans les gaz de combustion (la chaleur latente est ainsi récupérée en totalité).
LA COMBUSTION : RAPPEL
Le gaz et le mazout sont des hydrocarbures, c’est-à-dire du carbone (C) et de l’hydrogène (H)
auxquels s’ajoute une faible quantité de soufre (S) dans le cas du mazout. Lors d’une combustion
à température élevée (>1000°C), le carbone, l’hydrogène et le soufre réagissent avec l’oxygène de
l’air (O2 ) pour former du dioxyde de carbone (CO2 ), de l’eau à l’état de vapeur (H2O) et du dioxyde de
soufre (SO2 ). De plus, une petite quantité d’azote (N) contenu dans l’air réagit également avec
l’oxygène pour former des oxydes d’azote (NOX c’est-à-dire NO et NO2 ).
La chaleur produite par ces réactions se retrouve dans les gaz de combustion sous forme de chaleur
sensible et de chaleur latente.
UN RENDEMENT SUPÉRIEUR À 100 %
EXEMPLE
Comme il n’était pas question, jadis de récupérer la chaleur de condensation, on considérait la
performance d’une chaudière comme maximale
lorsqu’on avait récupéré la chaleur sensible produite par la combustion. Des rendements voisins
de 90 % étaient considérés comme bons.
Le graphique ci-contre montre l’évolution du
rendement de combustion en fonction de la température des fumées et de l’excès d’air dans une
chaudière à condensation au gaz.
Avec une telle chaudière, l’abaissement de la température des gaz brûlés de 120° C à 35° C permet
de gagner près de 10 % de rendement grâce à la
récupération de la chaleur sensible et de la chaleur latente contenue dans ces gaz brûlés. De
plus, la limitation d’excès d’air avec ce type de
chaudière accroît le rendement (de 6 % à 35° C
dans le graphique ci-contre).
Rendement de combustion par rapport à Hi (%)
Grâce à la condensation de la vapeur d’eau
contenue dans les gaz brûlés une quantité supplémentaire d’énergie est récupérée. Ainsi le
rendement de combustion par rapport au pouvoir
calorifique inférieur du combustible (Hi) peut être
supérieur à 100%.
Pour une consommation annuelle de 3300 m3 de
gaz avec une chaudière standard (maison 4 façades K55 - rendement de 88% - régime 90/70 non
variable) l’économie réalisée sera d’environ 600 m3
de gaz avec l’utilisation d’une chaudière à condensation (même habitation - rendement de 104% régime 70 / 50 variable) soit une économie de 18%.
Température des gaz brûlés (° C)
CONCLUSIONS
Le rendement accru des chaudières à condensation ne trouve pas seulement son origine dans la
récupération de la chaleur latente contenue dans
la vapeur d’eau. Deux motifs peuvent également
être invoqués. Le premier réside dans le fait que
les températures plus basses de l’eau entraînent
moins de déperditions par convection et par
rayonnement dans l’environnement (d’où moins
de pertes de chaleur sensible). Le second, et non
des moindres, tient à la température peu élevée
des gaz brûlés. Autant de raisons pour lesquelles
une chaudière à condensation aura toujours un
rendement supérieur à celui d’une chaudière
classique, même lorsqu’elle ne fonctionne pas en
mode de condensation.
Les chaudières à condensation de la dernière
génération sont en outre de plus en plus fréquemment équipées de brûleurs dont la conception
engendre moins d’émissions de CO et de NOx,
et assure un fonctionnement à faible excès d’air.
Cette dernière condition, obtenue par un réglage
correct du brûleur, permet d’atteindre un point
de rosée élevé (ou un taux de CO 2 élevé) et,
par conséquent, d’amener plus rapidement la
vapeur d’eau à se condenser, réduisant ainsi les
pertes de chaleur latente.
Cette info NIT est une synthèse de la NIT 235 reprenant de larges extraits de celle-ci.
Les textes figurant en italique donnent une information complémentaire.
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