Mesurer les pertes à l'arrêt d'une chaudière

Les pertes à l’arrêt total d’une chaudière sont constituées des pertes vers l’ambiance et des pertes par balayage. Elles s’expriment par un coefficient de perte qE, pourcentage de la puissance nominale de la chaudière :

qE [%] = qA [%] +

Mesure des pertes vers l’ambiance, qA

Les pertes vers l’ambiance de la chaufferie dépendent de la température de la chaufferie et de la température de la chaudière. Une image de cette dernière est la température de ses parois que l’on peut mesurer au moyen d’un thermomètre de contact (à contact direct ou à infrarouge). On peut calculer les pertes à partir de cette mesure en utilisant la formule :

Perte [W] = 12 [W/m²°C] x Sparois [m²] x (Tparois [°C] – Tchaufferie [°C])

qA [W] = Perte [W] / Puissance chaudière [W]

Exemple.

Mesure de la température de paroi d’une chaudière de 1979.

La mesure de température de surface d’une chaudière de 406 kW de 1979 maintenue en permanence à 70°C a donné les résultats suivants :

Il en résulte une perte de (la température de la chaufferie est de 20°C) :

Surface [m²]

Température de paroi [°C]

 Perte [W]
(= 12 x Surface x (Tparoi – 20))
0,5 54 204
0,25 60 120
3,55 38 767
0,33 52 127
0,12 52 46
0,12 60 58

Total

 1 322

Cette perte équivaut à 0,33 % de la puissance installée (= qA).

L’installation étant correctement dimensionnée, on peut estimer que le brûleur est à l’arrêt 4 000 heures par an (pour 1 800 h de fonctionnement).

L’énergie perdue vers la chaufferie, lorsque le brûleur est à l’arrêt s’élève donc à :

0,0033 x 406 [kW] (ou 1,322 [kW]) x 4 000 [h/an] = 5 288 [kWh/an] ou 529 [litres de fuel par an].

Pertes par balayage

Les pertes par balayage sont le résultat du courant d’air qui parcourt la chaudière à l’arrêt et évacue une partie de sa chaleur vers la cheminée.

Cas particulier des chaudières gaz atmosphériques

En première estimation on peut se dire que le débit d’air qui traverse une chaudière gaz atmosphérique est au maximum égal au débit d’air entraîné lors de la combustion.

Il faut au minimum 10 m³ d’air pour brûler 1 m³ de gaz naturel.

On peut donc se faire une idée de la perte maximale par balayage par les formules (en faisant l’hypothèse que l’air s’échappant dans la cheminée a atteint la température de l’eau dans la chaudière) :

Perte [W] = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 10 [m³air/m³gaz] x Débit gaz [m³gaz/h] x (Tchaudière [°C] – Tchaufferie [°C])

Perte [W] = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 10 [m³air/m³gaz] x Puissance chaudière [kW] / 10 [(m³gaz/h)/kW] x (Tchaudière [°C] – Tchaufferie [°C])

qB [W] = Perte [W] / Puissance chaudière [W]

Exemple.

Une chaudière gaz atmosphérique de 100 kW est maintenue à une température moyenne de 70°C. La température dans la chaufferie est de 20°C.

Le débit de gaz de la chaudière est de :

Débit gaz = 100 [kW] / 10 [(m³gaz/h)/kW] = 10 [m³gaz/h]

La perte par balayage est estimée à :

Perte [W] = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 10 [m³air/m³gaz] x 10 [m³gaz/h] x (70 [°C] – 20 [°C]) = 1 700 [W]

Soit 1,7 % de la puissance de la chaudière (= qB maximum).

Si l’installation est correctement dimensionnée, on peut faire l’hypothèse que son brûleur fonctionne durant 1/3 de la saison de chauffe (de 5 800 h). La chaudière est donc à l’arrêt et reste en température durant 3 900 h par an.

L’énergie perdue par balayage est donc de :

1 700 [W] x 3 900 [h/an] = 6 630 [kWh/an] ou 663 [litre fuel ou m³gaz par an]

Mesure du débit d’air pour les chaudières à brûleur pulsé

Il n’est pas évident de connaître le débit d’air “balayant” une chaudière à brûleur pulsé à l’arrêt. Celui-ci est en principe inférieur au débit d’air de combustion pulsé par le ventilateur du brûleur.

Il faut travailler par estimation.

Première estimation

En plaçant sa main devant l’entrée d’air du brûleur, on peut déjà ressentir un courant d’air significatif. Si on considère qu’un courant d’air à température de chaufferie est ressenti à partir d’une vitesse de 0,6 .. 1 m/s, on peut approximer la perte par balayage par la formule :

Perte [W] = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 0,6 .. 1 [m/s] x 3 600 [s/h] x Surface amenée air [m²] x (Tchaudière [°C] – Tchaufferie [°C])

Deuxième estimation

Le débit de gaz au travers d’une section varie comme le carré de la pression.

Dès lors, si on connaît le débit de fumée et la dépression dans la cheminée lorsque le brûleur est en fonctionnement, on peut en déduire le débit d’air à l’arrêt par une mesure de dépression lorsque le brûleur est arrêté.

On détermine le débit de fumée par les formules (en partant du principe que la masse des fumées = la masse de l’air comburant + la masse du combustible) :

> pour le gaz :

Débit de fumée [kg/m³gaz] = 11,13 [kg air/m³gaz] x (1 + (Excès d’air [%] / 100)) + 0,827 [kg gaz/m³gaz]

> pour le fuel :

Débit de fumée [kg/litre fuel] = 12,75 [kg air/litre fuel] x (1 + (Excès d’air [%] / 100)) + 0,85 [kg fuel/litre fuel]

Pour utiliser ces formules, il faut donc connaître l’excès d’air. Celui-ci peut être mesuré directement dans le cadre de l’analyse des produits de combustion. Si on ne dispose pas de cette mesure, on peut se référer, pour les chaudières fuel, à la fiche d’entretien qui reprend le pourcentage de CO2 contenu dans les fumées :

> pour le gaz :

Excès d’air [%] = ( (11,9 [%] / %CO2 [%]) – 1 ) x 100

> pour le fuel :

Excès d’air [%] = ( (15,4 [%] / %CO2 [%]) – 1 ) x 100

À défaut, une valeur forfaitaire de 20 % est une valeur courante que l’on prend prendre en première approximation pour l’excès d’air.

Le débit de fumée (en [kg/m³gaz ou litre fuel]) ainsi déterminé doit être multiplié par le débit de combustible du brûleur (en [m³gaz/h ou litre fuel/h]).

Pour le fuel, on peut se référer à la fiche d’entretien et aux caractéristiques du gicleur. Pour le gaz, il faut relever le compteur gaz pendant la durée de fonctionnement du brûleur et diviser le volume de gaz mesuré par la durée de fonctionnement du brûleur en heure (on obtient des [m³/h]).

Débit de fumée [kg/h] = Débit de fumée [kg/m³gaz ou litre fuel] x débit de combustible [m³gaz/h ou litre fuel/h]

Ensuite, il faut connaître la dépression dans la cheminée lorsque le brûleur fonctionne et lorsque le brûleur est à l’arrêt.

Ces données ne peuvent être connues que par mesure. La dépression lorsque le brûleur fonctionne est également reprise sur la fiche d’entretien des chaudières fuel.

Évaluer

 Pour en savoir plus sur l’interprétation de la fiche d’entretien des chaudières fuel.

On peut alors calculer le débit d’air traversant la chaudière à l’arrêt :

Connaissant le débit d’air, on peut calculer la perte par balayage :

Perte [W] = 0,28 [W/(kg/h).°C] x Débit d’air [kg air/h] x (Tchaudière [°C] – Tchaufferie [°C])

Exemple.

Sur une fiche d’entretien de chaudière fuel de 406 kW, on repère :

  • La dépression dans la cheminée lorsque le brûleur est en fonctionnement : 15 [Pa].
  • Les caractéristiques de l’alimentation en fuel : gicleur de 5 [gal/h] et pression de la pompe d’alimentation de 19 [bars].
  • La teneur en CO2 des fumées : 12,5 [%].

On peut calculer le débit de fumées :

  • Le débit de fuel :

5 [gal/h] x 3,78 [litres/gal] x
(19 [bars] / 7 [bars]) 1/2 = 31 [litres/h]

  • L’excès d’air :

( (15,4 [%] / 12,5 [%]) – 1) x 100 = 23 [%]

  • Le débit de fumée :

12,75 [kg air/litre fuel] x (1 + (23 [%] / 100))
+ 0,85 [kg fuel/litre fuel] = 16,5 [kg/litre fuel]

  • Le débit de fumée :

16,5 [kg/litre fuel] x 31 [litres/h] = 511 [kg/h]

Lorsque le brûleur est à l’arrêt, la dépression mesurée est de 10 Pa, pour une température de chaudière de 70 °C. On en déduit :

  • Le débit d’air :

511 [kg fumée/h] x (10 [Pa] /
15 [Pa]) 1/2 = 417 [kg air/h]

  • La perte par balayage :

0,28 [W/(kg/h).°C] x 417 [kg air/h]
x (70 [°C] – 20 [°C]) = 5 838 [W]

  • Le coefficient de perte par balayage :

5,838 [kW] / 406 [kW] = 1,4 [%]

Si la chaudière est à l’arrêt en température 4 000 heures sur la saison de chauffe, la perte encourue du fait du balayage est de :

0,014 x x 406 [kW] (ou 5,838 [kW]) x 4 000 [h/an] =
23 352 [kWh/an] ou 2 335 [litres de fuel par an]