cstc avantages et principe de fonctionnement d` une chaudière à
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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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