Évaluer l’efficacité énergétique des chaudières

Le rendement de combustion d’une chaudière est l’image de la transformation complète du combustible en chaleur et de la transmission de celle-ci à l’eau de la chaudière.

Ordre de grandeur

Théoriquement, une chaudière moderne performante (sans condensation) et parfaitement réglée pourrait atteindre un rendement de combustion de 93-94 %, ce qui signifie que 5 % de l’énergie contenue dans le combustible est perdue sous forme de chaleur et d’imbrûlés dans les fumées.

Dans la pratique, un rendement de combustion de 93 % peut être considéré comme très bon.

À l’inverse, on peut considérer qu’une valeur de 88 % mérite une amélioration, sachant qu’une diminution de 1 unité (1 %) du rendement de combustion équivaut, en première approximation, à une surconsommation de 1 %.

Pour les chaudières à condensation récentes, le rendement de combustion pourrait atteindre des valeurs théoriques de l’ordre de 108 %.% sur PCI.

Origine possible d’un mauvais rendement de combustion

Un mauvais rendement de combustion d’une chaudière peut avoir pour origine :

• un brûleur inadapté à la chaudière,
• un mauvais réglage du brûleur,
• un encrassement de la chaudière,
• un tirage trop important de la cheminée,
• des entrées d’air parasites,
• ou tout simplement une chaudière de conception trop ancienne.

Évaluer le rendement de combustion d’une chaudière existante

Pour les chaudières au fuel : selon la fiche d’entretien

Actuellement, suivant la PEB chauffage, l’entretien annuel des chaudières fonctionnant au fuel est obligatoire. Il doit être accompagné d’une mesure du rendement de combustion. Le résultat de cette mesure est consigné sur une fiche d’entretien dont la conservation par l’utilisateur est obligatoire.

On peut cependant émettre certaines réserves quant à l’interprétation que l’on peut faire de ce chiffre.

Premièrement parce qu’il s’agit de la mesure effectuée juste après l’entretien. Le rendement obtenu est donc souvent meilleur que le rendement moyen durant la saison de chauffe (déréglage, encrassement progressif, …).

Ensuite, la pratique montre que l’exactitude des chiffres repris sur la fiche peut parfois être discutée. Pour l’illustrer, voici deux exemples :

• La température ambiante reprise sur la fiche est presque toujours de 20°C. Il n’est pas rare de rencontrer une température de 35°C dans les anciennes chaufferies mal ventilées abritant des chaudières et des conduites mal isolées.

• La température des fumées est indiquée sur la fiche, alors que la buse d’évacuation ne comporte pas de trou pour permettre la prise de mesure.

Notons en outre qu’actuellement, selon la PEB chauffage, les chaudières fonctionnant à combustible solide et liquide sont soumises à une obligation de mesure du rendement : 1 fois par an et les chaudières à combustible gazeux 1 fois tous les 2 à 3 ans en fonction de la puissance utile du générateur.

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur atmosphérique, le débit de gaz ne peut être réglé. On peut donc rapidement estimer le rendement de combustion au départ de la plaque signalétique de la chaudière. En effet, cette dernière mentionne la puissance fournie à l’eau et la puissance fournie par le brûleur :

• soit directement sous forme d’une puissance (“charge thermique” ou “puissance brute”) en [kW],

• soit sous forme d’un débit de gaz en [m³/h] qu’il faut multiplier par 9,45 [kWh/Nm³] (si le gaz de référence est du G20) ou 8,13 [kWh/Nm³] (si le gaz de référence est du G25) pour obtenir la puissance en [kW].

En divisant l’un par l’autre, on obtient le rendement utile qui équivaut au rendement de combustion, aux pertes vers la chaufferie près.

C’est en effectuant ce calcul que l’on se rend compte que des chaudières gaz atmosphériques relativement récentes (.. 1996 ..) présentent des valeurs de rendement utile relativement bas (juste égaux au minimum requis par la réglementation de 1988), de l’ordre de 86 .. 87 %. Cela s’explique par l’important excès d’air nécessaire à ce type de brûleur.

Attention, certains techniciens chargés de l’entretien des chaudières remplissent, pour les chaudières gaz atmosphériques, une attestation semblable aux attestations d’entretien des chaudières fuel. Le calcul de rendement de combustion qui y figure n’a aucune signification. En effet, il est impossible de mesurer les caractéristiques des fumées dans le coupe-tirage de la chaudière (et pourtant c’est ce que ces sociétés font), du fait du mélange des fumées avec de l’air et des turbulences présentes à cet endroit.

Pour les brûleurs gaz à air pulsé, il faut comme pour les brûleurs fuel, se fier à la fiche d’entretien.

Mesurer le rendement de combustion d’une chaudière existante

Le rendement de combustion repris sur la fiche d’entretien est une valeur instantanée prise juste après l’entretien. Cette valeur peut se dégrader dans le temps, notamment par l’encrassement de la chaudière et du brûleur, mais également par modification des caractéristiques (pression, température) de l’air comburant.

Il est donc bon, pour les grosses installations, de procéder à une ou plusieurs mesures de rendement entre 2 entretiens, par exemple, à chaque changement de saison.

Par exemple, la présence de suie dans la chaudière va diminuer l’échange entre les fumées et l’eau. Cela va augmenter la température des fumées, donc aussi les pertes vers la cheminée : 1 mm de suie sur la surface de l’échangeur équivaut à une perte de rendement de combustion de 4 à 8 %. On peut également prendre comme référence qu’une température de fumée supérieure de 15°C à la valeur mesurée lors du dernier entretien indique souvent un encrassement excessif de la chaudière (cela équivaut à une surconsommation de 1 .. 1,5 %).

Pertes vers la chaufferie

Entre les périodes de fonctionnement du brûleur, la chaudière perd sa chaleur vers la chaufferie.

Degré d’isolation de la chaudière

L’importance de cette perte dépend d’abord du degré d’isolation de la jaquette de la chaudière.

Les chaudières actuelles sont isolées avec une épaisseur de laine minérale d’environ 10 cm. Il en résulte des pertes vers la chaufferie négligeables (de l’ordre de 0,1 .. 0,7 % de la puissance nominale).

Il n’en va pas de même pour les anciennes chaudières où l’isolant ne dépasse parfois pas une épaisseur de 3 cm sans compter des zones qui parfois ne sont pas isolées ou équipées d’un isolant en piteux état.

Indice

On peut se faire une première idée des pertes vers la chaufferie en plaçant la main sur la jaquette de la chaudière. Si celle-ci est chaude, il est fort à parier que le degré d’isolation est faible (si le brûleur fonctionne, attention aux risques de brûlure sur les zones non isolées comme la face avant !).

Attention, il existe encore de vieilles chaudières dont l’isolant est fixé à la carrosserie et non sur le “corps” de la chaudière. Dans ce cas, il est possible que l’espace compris entre l’isolant et la chaudière soit en permanence parcouru par un courant d’air. Cela augmente fortement les pertes à l’arrêt, bien que la jaquette semble froide.

Ordre de grandeur

Lors d’audits énérgétiques nous avons pu effectuer différentes mesures de température sur d’anciennes chaudières (datant de 1975 à 1985). En moyenne, le pourcentage moyen des pertes mesurées tournait autour des

0,5 % de pertes peut donc être considéré comme un ordre de grandeur représentatif pour les pertes vers l’ambiance d’une ancienne chaudière.

Influence de la température de l’eau dans la chaudière

La température de l’eau dans les chaudières influence également les pertes à l’arrêt. Ces dernières seront plus importantes si les chaudières sont maintenues à haute température toute l’année.

Ainsi, si la température de l’eau dans une chaudière varie complètement en fonction des conditions climatiques (attention, ce qui n’est pas possible pour toutes les chaudières), on obtiendrait, dans la chaudière, une température moyenne sur la saison de chauffe d’environ 43°C. Par rapport à une chaudière maintenue en permanence à 70°C, les pertes à l’arrêt sont réduites de :

1  – [(43 [°C] – 20 [°C]) / (70 [°C] – 20 [°C])] ^1,25 = 62 [%]

Balayage du foyer

Lorsque le brûleur est à l’arrêt, tout courant d’air dans la chaudière va entraîner son refroidissement. Or l’alimentation en air des anciens brûleurs pulsés(environ, avant 1985) ainsi que les brûleurs gaz atmosphériques reste en permanence ouverte, même lorsque le brûleur est à l’arrêt. Il en résulte, par effet de tirage naturel, une perte importante vers la cheminée.

Indice

Il suffit de mettre la main devant l’entrée d’air du brûleur pour se rendre compte du courant d’air engendré par le tirage de la cheminée. Il est même parfois possible de voir le ventilateur d’un brûleur pulsé entraîné naturellement par celui-ci.

Ordre de grandeur

Ici aussi, nous avons pu effectuer différentes mesures de température sur d’anciennes chaudières (datant de 1975 à 1985). En moyenne, le pourcentage moyen des pertes par balayage mesurées tournait autour des

Cas particulier des chaudières gaz atmosphériques

Les chaudières gaz à brûleur atmosphérique couramment rencontrées dans les installations de petite et moyenne puissance sont des chaudières dont le foyer reste en permanence ouvert.

En théorie, cela ne devrait pas engendrer de perte par balayage importante. En effet, selon l’ARGB, les chaudières atmosphériques sont conçues pour “retomber en température” entre les demandes de chauffage. Étant froide durant les périodes d’arrêt, les pertes s’annulent. De plus, la présence d’un coupe-tirage supprime le tirage dans la chaudière si celle-ci est froide.

Ce fonctionnement idéal n’est pas cependant guère rencontré en pratique :

• Les chaudières sont le plus souvent maintenues en température sur leur aquastat.

• Même lorsque le fonctionnement du brûleur est directement commandé par un thermostat d’ambiance, l’inertie thermique des chaudières (qui diminue avec le volume d’eau de la chaudière) les maintient, sauf exception (installations domestiques), à une certaine température moyenne.

La perte par balayage qui en résulte est de l’ordre de 1 .. 2 % de la puissance de la chaudière.

Notons que le balayage d’air dans les chaudières atmosphériques tend à diminuer avec la technologie des brûleurs à prémélange et les nouvelles configurations de chaudière (présence d’un ventilateur d’extraction s’arrêtant à l’arrêt, évacuation des fumées par le bas de la chaudière, …). Le passage d’air à l’arrêt est fortement freiné, ce qui limite les pertes par balayage à des valeurs de 0,2 .. 0,6 %.

Attention aux brûleurs récents (après 1985)

Attention, posséder un brûleur récent n’est pas une garantie de suppression des pertes par balayage. En effet, le clapet d’air qui, théoriquement, devrait se refermer à l’arrêt du brûleur, ne fonctionne pas toujours correctement :

• Si le rappel se fait mécaniquement (contre poids ou ressort), le système peut se coincer avec le temps en position ouverte.

• Si le rappel est assuré par un servomoteur, l’alimentation électrique ne peut être coupée à l’arrêt du brûleur. Il n’est ainsi pas rare de rencontrer des brûleurs dont le raccordement électrique est mal réalisé : la commande d’enclenchement du brûleur ouvre électriquement le clapet d’air; lorsque la régulation commande l’arrêt du brûleur, l’alimentation électrique de ce dernier est coupée; le clapet d’air ne peut plus se refermer puisque le servomoteur n’est plus alimenté. Il faut donc revoir le câblage du brûleur.

Même avec un brûleur récent, il faut donc vérifier, en plaçant la main devant l’entrée d’air du brûleur, que celle-ci ne laisse pas en permanence un libre passage à l’air.

Comparaison : les chaudières actuelles

Les chaudières actuelles présentent des pertes à l’arrêt nettement moindre que les anciens modèles :

• suppression des pertes par balayage, notamment par fermeture du foyer à l’arrêt,
• isolation renforcée de la jaquette de la chaudière,
• régulation de la température de la chaudière en fonction des besoins.

À titre de comparaison, voici les coefficients de pertes à l’arrêt courants (% de la puissance nominale) que l’on rencontre couramment pour les chaudières actuelles (pour une température d’eau de l’ordre de 65°C) :

• à brûleur pulsé : 0,1 (grosses puissances) .. 0,4 % (petites puissances),
• à brûleur gaz atmosphérique : 0,6 .. 1,3 %

On peut aussi comparer les anciennes installations aux exigences de label OPTIMAZ, pour les chaudières fuel. Pour obtenir celui-ci, le coefficient de perte à l’arrêt des chaudières fuel ne peut dépasser (pour une différence de température entre l’eau et la chaufferie de 35°C) :

• chaudières de moins de 20 kW : 1 %
• chaudières entre 20 et 60 kW : 0,8 %
• chaudières entre 60 et 400 kW : 0,6 %
• chaudières de plus de 400 kW : 0,4 %

Le surdimensionnement de la chaudière joue un rôle important sur l’ampleur des pertes à l’arrêt

• Plus la puissance de l’ensemble brûleur/chaudière est importante par rapport aux besoins, plus son temps de fonctionnement annuel est faible par rapport au temps d’attente de la chaudière et plus les pertes à l’arrêt prennent de l’importance sur le rendement global de la production,

• Les pertes à l’arrêt sont fonction des caractéristiques constructives de la chaudière. Elles sont proportionnelles à sa puissance nominale,

et sur les émissions polluantes et l’encrassement de la chaudière (production d’imbrûlés au démarrage et à l’arrêt des brûleurs).

Ordre de grandeur

Le temps de fonctionnement continu d’un brûleur (mesurable à l’aide d’un chronomètre ou d’une simple montre) est un premier indice du degré de surdimensionnement de la chaudière. Dans une installation correctement dimensionnée, ce temps doit être de plusieurs minutes. On cite souvent le chiffre de :

comme étant un temps de fonctionnement de brûleur correct.

Attention, ce chiffre n’est évidemment qu’une référence car le temps de fonctionnement du brûleur dépend de la saison et du mode de régulation.

Présence de plusieurs chaudières

Le découpage de la puissance en plusieurs chaudières peut avoir un impact favorable sur la diminution des pertes à l’arrêt. En effet, si la régulation de l’installation est correctement réalisée, cela permet en principe de réduire le nombre de chaudières en activité, durant une bonne partie de la saison de chauffe et d’éliminer ainsi une partie des pertes.

Tout dépend cependant de la régulation de l’installation.

On voit donc qu’une installation comprenant plusieurs chaudières n’est efficace que si les chaudières inutiles par rapport aux besoins instantanés ne sont pas irriguées par l’eau chaude de l’installation et que l’on réalise une véritable régulation en cascade. Dans le cas contraire, on “subit” pleinement leurs pertes à l’arrêt.

Mais attention, on constate cependant qu’en pratique des chaudières régulées en cascade avec fermeture d’une vanne d’isolement associée à l’arrêt de la chaudière peuvent cependant rester toute la saison de chauffe en température. D’où peut provenir ce dysfonctionnement ?
On peut citer 3 causes possibles :

1. Les vannes d’isolement ne sont pas étanches. Pour le savoir, il suffit d’empêcher manuellement le brûleur d’une chaudière à l’arrêt de démarrer et d’observer si sa température chute.
2. La régulation de la cascade ne tient pas compte de la température extérieure pour commander le démarrage des chaudières. Ainsi, en mi-saison, lors de la relance, le régulateur demande la pleine puissance et commande la mise en route de toutes les chaudières alors qu’une seule chaudière est nécessaire. Les chaudières qui ne serviront plus durant la journée mettront alors un temps certain pour retomber en température (fonction de leur degré d’isolation et de leur inertie thermique). Toute l’énergie contenue dans ces chaudières est perdue.
3. La temporisation à l’enclenchement des différentes chaudières est trop faible. Ainsi quelle que soit la saison, toutes les chaudières sont susceptibles de démarrer plusieurs fois par jour, restant chaudes quasi en permanence.

Présence de brûleurs 2 allures

L’impact du surdimensionnement est également tempéré par le découpage de la puissance installée au moyen de brûleurs 2 allures ou modulants (gaz ou fuel) :

• Le temps moyen d’un cycle de fonctionnement du brûleur augmente et son nombre de démarrage diminue puisque le rapport (puissance fournie/puissance nécessaire) est réduit, notamment en mi-saison.

• Le temps de fonctionnement annuel total du brûleur augmente et le temps d’attente de la chaudière et les pertes à l’arrêt annuelles diminuent.

• Le rendement de combustion du brûleur augmente puisque la puissance du brûleur diminuant par rapport à la surface d’échange, la température des fumées à la sortie de la chaudière est plus basse. Un gain de l’ordre de 2 .. 2,5 % sur le rendement de combustion peut être obtenu en première allure.

On comprendra aisément que l’utilisation d’un brûleur modulant adaptant, en continu, dans une certaine plage, sa puissance aux besoins permet d’obtenir une installation qui fonctionne presqu’en permanence, avec un minimum de démarrages et d’arrêts.

Cependant, tout dépend si une réelle régulation en cascade est appliquée. En effet, on rencontre dans la pratique :

• Des chaudières multiples démarrent toujours en même temps quelle que soit la saison.

• Des brûleurs 2 allures ne sont pas toujours des brûleurs à deux allures vraies, mais des brûleurs avec une plus petite allure de démarrage (le brûleur démarre en petite allure et après un certain temps passe d’office à pleine puissance).

• Des brûleurs à deux allures vraies mais commandés par un unique aquastat, sans relais temporisé. La commande de la première allure ayant été “pontée”, le brûleur passe alors d’office en deuxième allure, sans régulation de la puissance.

Fonctionnement d’un brûleur 2 allures en fonction des besoins instantanés.

Dans ces trois cas, on perd l’avantage, sur la production d’imbrûlés et sur les pertes à l’arrêt, d’avoir dissocié la puissance en plusieurs allures de brûleur et/ou plusieurs chaudières, puisque c’est la pleine puissance qui est appelée systématiquement quels que soit les besoins.

Différentiel de régulateur trop faible

Un temps de fonctionnement trop court des brûleurs peut également être la conséquence d’un différentiel de régulateur trop petit. Cela peut être le cas sur les régulateurs électroniques dont le différentiel est réglable par l’utilisateur (voir mode d’emploi du régulateur). Celui-ci devrait être de l’ordre de 9°C, c’est-à-dire un écart de température d’eau de 9°C entre la consigne d’allumage et d’extinction du brûleur. Parfois, le différentiel réglé n’est que de 1 ou 2°C. Dans ce cas, on comprend aisément que le brûleur s’allume et s’éteint constamment.

Chaudière classique

Le rendement saisonnier peut très bien être calculé au moyen de mesures effectuées à l’aide d’un compteur de chaleur sur le départ de la chaudière et d’un compteur sur l’alimentation en combustible du brûleur. Le rapport entre la production de chaleur mesurée au niveau du compteur de chaleur (kWh) et la consommation de combustible (gaz, fuel, …) exprimé en kWh donne la valeur du rendement saisonnier. Plus la période d’intégration est longue, meilleure est l’approche de la valeur réelle du rendement saisonnier, l’idéal étant une intégration sur l’ensemble de la période chauffe.

Trop souvent le rendement saisonnier est évalué suite à un audit, et ce de manière théorique. La seule façon de le déterminer précisément est de collecter les consommations mensuelles (ou en temps réel) de combustible et les consommations de chaleur.

La mesure de la quantité de chaleur produite passe donc par le placement d’un ou de compteur d’énergie :

• En exploitation, la pose de compteurs permanents est primordiale, car elle permet, en temps réel de déterminer le rendement de chaufferie et, par conséquent, de pouvoir se rendre compte rapidement, d’une dérive des consommations. L’investissement dans ce type de compteur est très vite rentabilisé et ce d’autant plus que la puissance de la chaufferie est importante.

• Lors d’un audit, la pose de compteurs non invasifs est intéressante, car elle permet d’approcher la valeur réelle du rendement saisonnier. On estime qu’une période de 2 semaines pendant la saison de chauffe permet d’obtenir un profil de consommation de chaleur suffisamment représentatif que l’on peut extrapoler pour une saison de chauffe.

Quelle que soit l’option prise, le placement d’un compteur d’énergie doit être réalisé par un professionnel sachant que la précision de la mesure peut être faussée juste par le choix d’un emplacement inadéquat au niveau de l’hydraulique de la production ou de la distribution. Sans y prendre garde, l’erreur de mesure peut atteindre d’ordre de 20 % pour les compteurs “non invasifs”. Pour les compteurs “invasifs”, l’erreur est en moyenne de l’ordre de 1 à 2 % s’ils sont bien placés et calibrés (jusqu’à 20 % d’erreur).

η_saisonnier =
kWh chaleur / kWh gaz_PCI

η_saisonnier < 100 %

 Chaudière à condensation

La détermination du rendement saisonnier s’effectue de la même manière qu’une chaudière classique en considérant les consommations de combustible et la mesure des consommations de chaleur. L’énergie de condensation est intrinsèque aux mesures effectuées. En d’autres termes, on peut s’attendre à obtenir des excellents rendements (voire > 100 %) si la chaudière à condensation travaille correctement.

η_saisonnier = kWh chaleur / kWh gaz PCI

η_saisonnier < 100 % si pas de condensation
η_saisonnier > 100 % si condensation

Condenseur externe

Lorsque la puissance de la chaudière dépasse les 1 000-1 500 kW, pour exploiter l’énergie de condensation, on fait appel à un condenseur externe; ce qui complique le circuit hydraulique. Pour l’évaluation du rendement saisonnier en tenant compte de l’énergie de condensation, tout comme pour la chaudière à condensation, un seul compteur de chaleur bien placé est nécessaire sachant que l’énergie de condensation est intrinsèque à la mesure réalisée par le compteur de chaleur.

η_saisonnier =
kWh chaleur < 100 % si pas de condensation /
kWh gaz _PCI < 100 % > 100 % si condensation