Choisir l’ensemble chaudière-brûleur pour les installations gaz ou mazout

Le surdimensionnement des chaudières est source de surinvestissement et de surconsommation :

• Augmentation des pertes à l’arrêt. En effet, celles-ci sont proportionnelles à la puissance installée. Toutefois, l’augmentation du niveau d’isolation des chaudières et la présence de brûleurs avec clapet d’air se refermant à l’arrêt ont fortement diminué les pertes et donc l’influence du surdimensionnement. C’est également le cas si on divise la puissance à installer en plusieurs chaudières et que celles-ci sont régulées correctement en cascade.
• Augmentation des cycles de marche/arrêt du brûleur. Pour les chaudières modernes, c’est principalement ici que se situe le problème. Un brûleur trop puissant a des temps de fonctionnement plus courts et démarre plus souvent. Il y a augmentation des pertes par préventilation et des imbrûlés (les premières et les dernières gouttes de combustible injectées brûlent dans des mauvaises conditions). Cela conduit donc à une diminution du rendement et à une accélération de l’encrassement.

La puissance utile de la nouvelle chaudière doit donc être calculée suivant la norme NBN B62-003. Attention, les installateurs choisissent souvent la puissance de la chaudière de façon approximative :

• en sommant la puissance des radiateurs existants,
• ou en appliquant un ratio proportionnel au volume du bâtiment, du type 60 W/m³ (dans cas, ils font une hypothèse par défaut sur les performances énergétiques de l’enveloppe du bâtiment alors que l’on sait très bien que ces performances peuvent varier largement entre bâtiments),
• ou en reprenant la puissance des chaudières existantes (souvent fortement surdimensionnées).

Ces règles conduisent à des surdimensionnements inadmissibles pour des nouvelles installations.

Actuellement, on retrouve sur le marché des chaudières dites :

• “Basse température”, dont la température moyenne d’eau interne ne peut descendre en-dessous d’une certaine valeur, de l’ordre de 50 .. 60°C (on parle aussi dans la réglementation de chaudières “standards”). Même si cette technologie devient rare pour les nouvelles installations travaillant au gaz ou au mazout, elle est encore d’application pour les chaudières bois-énergie où la température de retour vers la chaudière est limitée à une valeur minimale (souvent autour de ~50°C).
• “Très basse température”, ne présentant aucune contrainte en ce qui concerne la température de l’eau. Cette dernière peut totalement redescendre entre les périodes de fonctionnement du brûleur. La conception de ces chaudières vise soit à éviter la condensation des fumées, même avec des températures d’eau peu élevées, soit à résister à la corrosion qui pourrait en résulter. Pour les nouvelles chaudières au gaz ou au mazout, les chaudières sont à “très basse température” lorsqu’elles ne sont pas à condensation
• Parallèlement à ces chaudières souvent appelées “traditionnelles”, on trouve également les chaudières à condensation conçues, elles, pour favoriser la condensation des fumées et fonctionnant avec les températures d’eau les plus basses. Pour les nouvelles installations, la condensation se justifie pour le gaz et mazout étant donné le gain de rendement que celle-ci permet.

Dans le contexte d’une nouvelle installation au gaz ou au mazout, la question n’est plus de faire le choix entre une “chaudière basse” ou “très basse température”. A notre sens, il s’agit d’un débat dépassé. En fait, à l’heure actuelle, il s’agit plutôt de faire le choix entre les chaudières à condensation et les chaudières “très basse température”. En effet, malgré le gain de rendement obtenu grâce à la condensation, il peut exister des situations où l’utilisation de la chaudière ne permet pas d’amortir le surinvestissement entre le “très basse température” et la condensation.

Bien que dépassée, la comparaison entre les techniques “basse” et “très basse température” reste développée ci-dessous afin d’avoir un discours complet. À noter que la question pourrait resurgir pour les chaudières au bois dans la mesure où la majorité des chaudières actuelles ont une température de retour minimale imposée (c.-à-d. chaudière “basse température”).

Avantages de la très basse température par rapport à la basse température

L’intérêt énergétique de choisir une chaudière pouvant travailler à très basse température en étant régulée en température glissante se situe au niveau de :

• la diminution de ses pertes à l’arrêt, dont l’impact sur le rendement saisonnier dépend du type de chaudière;
• la limitation des pertes par distribution dans le collecteur primaire, dans le cas des circuits avec distribution secondaire possédant sa propre régulation de température (vannes mélangeuses),
• la limitation des pertes de distribution dans l’ensemble du réseau dans le cas des installations sans circuit secondaire,
• le fonctionnement correct des vannes thermostatiques dans le cas des installations sans circuit secondaire.

Remarque : on pourrait imaginer que la diminution de la température de l’eau va améliorer l’échange entre les fumées et l’eau et donc diminuer la température moyenne de fumée. L’impact sur le rendement moyen de combustion est cependant le plus souvent négligeable étant donné la technologie appliquée dans les chaudières “très basse température” (dans lesquelles le but est de freiner l’échange entre l’eau et les fumées afin d’éviter la condensation).

Les chaudières “très basse température”, présentent un autre avantage qui peut justifier à lui seul leur choix (et leur surcoût) par rapport aux chaudières “basse température”. En effet, choisir une chaudière ne pouvant descendre en dessous de 50-60°C implique une conception des circuits hydrauliques plus complexes : collecteur bouclé, pompe de recyclage sur les chaudières, … . De plus, malgré une conception rigoureuse, on est rarement à l’abri, de par l’exploitation, d’un risque de condensation et donc de détérioration, par exemple lors de la relance matinale. Cela ne pose aucun problème avec les chaudières “très basse température”.

Cas imposant le fonctionnement à haute température

En outre, il existe des situations pour lesquelles la régulation des chaudières en température glissante, sans limite basse, ne convient pas à l’installation.

> Cas 1 : une installation combinée alimentant à partir du même collecteur primaire un échangeur instantané (échangeur à plaques) pour la production d’eau chaude sanitaire.

Si le volume d’eau de la chaudière et du collecteur est trop important (long collecteur), le temps de remontée en température de la chaudière risque d’être trop important et donc le temps d’attente trop long lors de chaque puisage d’eau.

> Cas 2 : la combinaison de plusieurs chaudières, régulées en cascade, d’une boucle primaire fermée et de circuits secondaires équipés de vannes mélangeuses.

Ces circuits présenteront des problèmes de débit d’eau chaude et d’inconfort dans certaines zones de l’installation si la température des chaudières est trop proche de la température de consigne des circuits secondaires. Les chaudières doivent donc rester à plus haute température que les utilisateurs.

Une chaudière “très basse température” fonctionne avec des températures d’eau pouvant provoquer la condensation des fumées mais qui ne condense pas pour éviter tout risque de corrosion. En gros, on bride ses performances. Or, si les conditions sont réunies pour fonctionner en très basse température, autant opter pour une chaudière à condensation qui possède un meilleur rendement. Pour le gaz et mazout, la technologie à condensation s’impose pour la majorité des cas, même s’il existe encore certaines applications où le surinvestissement par rapport à la “très basse température” n’est amorti.

Intérêt énergétique d’une chaudière à condensation

Pour comparer le rendement des chaudières à condensation et celui des chaudières basse température, il faut comparer leur rendement global annuel ou rendement saisonnier, qui prend en compte toutes les pertes de la chaudière (par les fumées, par rayonnement et d’entretien), en fonction de la charge réelle de la chaudière durant toute la saison de chauffe et non le rendement utile maximal qui est annoncé par beaucoup de fabricants dans leur catalogue.

Ce gain réel obtenu par une chaudière à condensation est difficile à estimer d’une manière générale car il dépend de la température d’eau qui irrigue la chaudière et qui est évidemment variable (elle dépend de la courbe de chauffe choisie et donc du surdimensionnement des émetteurs).

Sur base des informations de l’ARGB et des programmes de simulation de certains fabricants, on peut dire que 6 .. 9 % d’économie sur la consommation annuelle est un ordre de grandeur réaliste (voire peut-être un peu plus pour les meilleures installations) pour les chaudières au gaz.
Ce gain doit être comparé au surcoût d’une chaudière à condensation.

Installations propices à la condensation

Le gain dépend du taux de condensation réel, donc de la température de l’eau au retour vers la chaudière et donc de la configuration de l’installation raccordée sur la chaudière.

Toutes les installations fonctionnant à basse température sont propices à l’installation d’une chaudière à condensation, c’est d’autant plus vrai pour le mazout que pour le gaz :

• les ventilos convecteurs dimensionnés en régime 55°/40°,
• le chauffage par le sol dimensionné en régime 40°/30°,
• les radiateurs dimensionnés en régime 70°/50°,
• le chauffage de l’eau d’une piscine (eau du bassin à 26 .. 28°C),
• la production d’eau chaude sanitaire dimensionnée en régime 70°/40°,
• les batteries à eau chaude dimensionnées en régime 70°/40°.

Le léger surinvestissement consenti en choisissant de tels régimes de dimensionnement sera rapidement compensé par l’économie réalisée par la condensation. Une analyse de rentabilité cohérente demande de travailler sur base des performances saisonnières de l’installation. Même si cela ne fait pas office de démonstration, la figure ci-dessus illustre le gain de rendement théorique utile accessible en fonction de la température de retour (c’est-à-dire, typiquement la température des fumées – 5°C).

Evolution du rendement basé PCI en fonction de la température des fumées pour les différents combustibles (excès d’air pris à 1.2). Les échangeurs des chaudières à condensation permettent typiquement de réduire la température des fumées jusqu’à 5°C supérieurs à l’eau de retour. Par exemple, si la température de retour est de 30°C, la température des fumées devrait être proche de 35°C.

Intérêt d’installer une chaudière à condensation lors de la rénovation d’une ancienne installation de chauffage (haute température)? Oui!

Les émetteurs basse température étant propice à la condensation, Cela ne veut pas dire que dans le cas de la rénovation d’une installation équipée de radiateurs dimensionnés de façon traditionnelle (régime d’eau 90°/70°), la condensation ne peut être valorisée.

En effet, la puissance moyenne de chauffage d’un bâtiment est de moitié inférieure à sa puissance de dimensionnement (température extérieure moyenne de la saison de chauffe = 5..6°C, température extérieure de dimensionnement = – 8.. -1 0°C). Ceci signifie que, pour une installation équipée de radiateurs non surdimensionnés et calculés pour un régime d’eau de 90°/70°, la température moyenne de retour de l’eau est voisine de 43° avec une régulation en température glissante.

En pratique, on peut considérer que ~75% de l’énergie délivrée par la chaudière au gaz aura lieu avec condensation pour approximativement ~40% pour le mazout. L’intérêt pour la condensation au gaz semble donc assez évident, même en régime 90°/70°. Néanmoins, il est aussi présent pour le mazout mais dans une moindre mesure. En outre, il faut savoir qu’en l’absence de condensation, les chaudières à condensation gardent un rendement supérieur aux chaudières traditionnelles parce qu’elles possèdent une surface d’échangeur supérieure.

Si les radiateurs ont été dimensionnés pour un régime de température 70°/50°, la chaudière gaz condensera durant toute la saison de chauffe. En ce qui concerne le mazout, le régime de température 70°/50°C est nettement plus favorable. A notre sens, il est préférable de travailler avec ce régime de température si on veut plus s’assurer de l’efficacité de l’installation au mazout à condensation, si l’on veut tirer le meilleur profit de cette technologie.

Evolution de la température de retour d’une installation dimensionnée en régime 70°/50° et régulée en température glissante en fonction de la température extérieure.

Notons que, dans la pratique, la plupart des radiateurs d’une installation existantes sont surdimensionnés et ne demandent jamais la température d’eau de 90°C (de dimensionnement). Pour s’en convaincre, il suffit d’interroger le gestionnaire de la chaufferie sur la température maximale des chaudières qu’il règle par les plus grands froids, ce, sans que les occupants ne se plaignent. Cette température est bien souvent inférieure à 90°C. De plus, souvent, l’isolation partielle du bâtiment (isolation de la toiture, placement de double vitrage) a encore renforcé le surdimensionnement. Dans ces conditions, une installation de chauffage initialement dimensionnée dans un régime 90°/70° pourrait être adaptée pour un régime de température inférieur de 70°/50° sans perte de confort et favorisant (ou consolidant) ainsi la condensation.

Cas particulier : chaudière à condensation, production d’eau chaude sanitaire et légionelles

Certains règlements sanitaires récents imposent de produire l’eau chaude sanitaire à une température de 80°C, pour éviter le développement de légionnelles. Ces règlements vont évidemment à l’encontre de l’efficacité énergétique puisqu’ils obligent le maintien des chaudières à une température permanente de 90°C.

Cette situation n’élimine cependant pas toutes les chaudières à condensation. Restent possibles les chaudières qui :

• permettent deux retours à des températures différentes. La production d’eau chaude est raccordée sur le retour “chaud” de la chaudière et les corps de chauffe sont raccordés sur le retour “froid”;
• et peuvent fonctionner sans débit imposé. En effet, ces chaudières, n’étant pas raccordées sur un circuit avec bouteille casse-pression, ne doivent pas suivre au plus près la température des circuits secondaires pour condenser correctement, car aucun retour d’eau à haute température vers la chaudière n’est possible même lorsque les vannes des circuits secondaires sont peu ouvertes.

Illustration d’un circuit avec deux retours à température différentes (retour “chaud” et “froid”) ainsi qu’une chaudière sans débit imposé (sans bouteille casse pression).

Critères de performance d’une chaudière à condensation

Toutes les chaudières à condensation n’ont pas les mêmes performances. Il faut en tenir compte lors du choix de sa chaudière :

• la qualité de l’échangeur
• le contrôle fin de l’excès d’air
• la possibilité de modulation du brûleur sur la plus grande plage de puissance possible
• un circuit hydraulique associé à la chaudière qui évite tout recyclage d’eau chaude vers la chaudière (chaudière à grand volume d’eau)

La qualité de l’échangeur

Pour un même type de combustible, toutes les chaudières à condensation ne présentent pas la même efficacité énergétique intrinsèque. Celle-ci dépend notamment de la conception de leur échangeur.

Malheureusement, même des chaudières présentant un très faible taux de condensation satisfont à certains labels (exemple, Optimaz-élite pour le fioul) et à la réglementation imposant un rendement minimum aux chaudières vendues en Belgique.

On retrouve ainsi sur le marché, des chaudières à condensation, guère plus performantes que des chaudières traditionnelles haut rendement.

En tant que maître d’ouvrage, il est cependant difficile de connaître la qualité énergétique de la chaudière à condensation que l’on achète. Il n’existe en effet pas de norme qui définit la manière dont doit être mesurée l’efficacité. Le rendement utile, calculé au départ de la fiche technique des chaudières, peut être une indication.

En cas de doute sur la qualité intrinsèque d’une chaudière, l’avis de l’ARGB  pour le gaz ou CEDICOL pour le mazout peut être pris.

Un autre critère peut être demandé au fabricant pour évaluer les performances de l’échangeur thermique (donnée ne se trouvant pas dans leur documentation technique) : la différence de température entre les fumées et l’eau de retour qu’ils obtiennent avec leur matériel. Une valeur inférieure ou égale à 5°C indique une bonne performance de l’échange.

Le contrôle de l’excès d’air

L’énergie récupérée grâce à la condensation dépend fortement de l’excès d’air lors de la combustion (la température de rosée des fumées diminue quand l’excès d’air augmente).

C’est pourquoi, les anciennes chaudières gaz atmosphériques à condensation présentaient de moins bonnes performances. En effet, elles fonctionnaient avec un excès d’air supérieur à 50%. Heureusement, ce type de chaudière n’est quasi plus commercialisé et est remplacé par des brûleurs à prémélange permettant un dosage plus juste de l’air comburant.

Les chaudières à condensation les plus sophistiquées régulent, en continu, le dosage du gaz et de l’air, au moyen d’une analyse de l’oxygène contenu dans les fumées.

La modulation de la puissance du brûleur

La diminution de la puissance du brûleur avec la charge favorise la condensation puisqu’elle entraîne la diminution de la température de fumée. On a donc intérêt à choisir une chaudière dont le brûleur est le plus modulant possible, sur la plus grande plage de puissance possible.

Par exemple, une chaudière à prémélange au gaz peut moduler de 10 à 100 % de sa puissance nominale. Cela n’est actuellement possible que dans les ensembles où le brûleur a été développé en intégration avec la chaudière (en d’autres termes, pour les chaudières dites de type “unit”). Les chaudières à condensation que l’on équipe d’un brûleur pulsé modulant traditionnel (gaz ou mazout) ne peuvent atteindre cette plage de modulation. Effectivement, elles modulent de 30 à 100 % de la puissance nominale. En outre pour les faibles puissances, les brûleurs pulsés au mazout sont seulement équipés d’une voire deux allures car la technologie du brûleur mazout doit augmenter significativement en complexité pour assurer une modulation continue, complexité qui ne se justifierait pas pour les faibles puissances.

Nous manquons malheureusement de données neutres pour juger de la différence énergétique réelle de chacune de ces solutions.

En ce qui concerne le gaz, l’ARGB semble toutefois pencher pour l’utilisation d’un brûleur modulant dans la plus grande plage de puissance possible, en maintenant le rapport air/gaz constant et l’excès d’air minimal sur toute la plage de modulation, ce parce que :

• les principales économies apparaîtraient lorsque la modulation peut abaisser la puissance en dessous de 30 % de la puissance nominale,
• le taux d’émission annuel de NO_x serait plus faible.

La conception du circuit hydraulique

L’efficacité énergétique de la chaudière à condensation dépend fortement du circuit hydraulique. Celui-ci dépend du type de chaudière et des utilisateurs (chauffage par le sol, par radiateur, batteries à eau chaude, production d’eau chaude sanitaire).

Il faut garantir que les retours d’eau vers la chaudière soient les plus froids possibles pour permettre la condensation maximale des fumées.

Une erreur de conception de l’hydraulique de l’installation peut faire perdre tout le bénéfice escompté d’une chaudière à condensation. C’est ainsi que l’on rencontre des installations avec chaudière à condensation, dont le condenseur ne laisse échapper qu’un mince filet d’eau … voire aucune eau …

Lorsque l’on désire installer une chaudière gaz d’une puissance inférieure à ~1MW, on a le choix entre :

À l’heure actuelle, on n’installe plus de chaudière atmosphériques de conception ancienne. En effet, cette technologie est maintenant largement dépassée par les chaudières gaz modulantes à prémélange (avec un ventilateur et contrôle de combustion). En effet, les chaudières atmosphériques présentent des inconvénients non négligeables: un rendement utile moindre, une production importante de NO_x, des pertes à l’arrêt plus importantes.

Des chaudières atmosphériques à prémélange sont encore installées. Le prémélange permet de palier à une série d’inconvénient de l’ancienne génération de chaudières atmosphériques, notamment en termes de gestion de l’excès d’air et d’une meilleure maîtrise de l’émission de NO_x. Néanmoins, cette technique ne permet d’atteindre les meilleures performances.

En effet, les chaudières à prémélange avec ventilateur et contrôle de combustion permettent d’atteindre les meilleurs rendement, un large plage de modulation (de 10 à 100% de la  Pn) ainsi qu’un production maîtrisée de NO_x. Ceci explique leur succès. Pour les puissances inférieures à ~1000 kW, ces chaudières gaz sont préférées aux chaudières gaz à brûleurs pulsés parce que la plage de modulation du brûleur pulsé est plus réduite (de 30 à 100% de Pn) et son coût plus important.

Pour les puissances supérieures à 1MW,  il est techniquement difficile de réaliser des brûleurs à prémélange. Pour continuer de travailler sur base de cette technologie, il sera alors nécessaire de travailler avec plusieurs chaudières en cascade, ce qui permet aussi d’améliorer la plage globale de modulation de l’ensemble de l’installation. Au delà de trois chaudières en cascade, l’installation devient difficile à réguler, à piloter, de manière optimale. Par conséquent, les technique gaz à brûleur à prémélange avec ventilateur seront raisonnablement limitées au tour de ~3MW. Entre 1MW et 3MW, les brûleurs pulsés au gaz prennent progressivement de l’intérêt pour s’imposer au delà de ~3MW (lorsque que les techniques à prémélange sont “hors-jeu”).

Si on considère les qualités intrinsèques de ces deux matériaux, le débat n’a guère lieu d’être en ce qui concerne les chaudières modernes.

• En effet, les deux matériaux ont des capacités semblables de résistance à la corrosion, de longévité et de recyclage. Remarquons que, de manière générale, ni la fonte, ni l’acier ne sont capables de résister aux condensats acides.
• Les chaudières à condensation sont en général en acier inoxydable ou en fonte d’aluminium.
• La fonte est certes plus cassante que l’acier et supporte mal les chocs thermiques. C’est pourquoi certains constructeurs imposent le maintien d’un débit d’eau minimal constant dans la chaudière. Ceci complexifie la conception du réseau hydraulique et diminue la performance des chaudières à condensation. D’autres constructeurs ont par contre trouvé des astuces techniques pour concevoir des chaudières en fonte ne nécessitant aucune irrigation minimale et pouvant être raccordées à des circuits hydrauliques extrêmement simples (circuits primaires ouverts).
• La fragilité de la fonte face aux tensions thermiques rend ces chaudières plus sensibles aux dépôts de boue et aux défauts d’irrigation qui en résulte. La fonte est donc à déconseiller dans les anciennes installations connaissant des problèmes d’embouage et d’entartrage. Notons à ce sujet que si l’installation contient des boues, le problème doit être réglé avant le remplacement des chaudières, sous peine de voir celles-ci se détériorer rapidement.
• Les possibilités actuelles de formage permettent d’obtenir, avec l’un ou l’autre des matériaux, des chaudières performantes ne présentant pas de condensation même en travaillant en très basse température.
• Les chaudières en fonte présentent un avantage pratique par rapport aux chaudières en acier : elles peuvent être acheminées en pièces détachées dans la chaufferie et montées sur place, ce qui est parfois indispensable dans les chaufferies d’accès étriqué.

• Pour les très petites puissances (< 50 kW), les chaudières en fonte sont moins chères que leurs cousines en acier. Pour les grosses puissances (> 300 kW), c’est l’inverse.