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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

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On parle de « chaudière traditionnelle » en opposition aux « chaudières à condensation« . Les « chaudières traditionnelles » sont conçues et exploitées de manière à éviter la condensation des fumées.
La chaleur latente de celles-ci n’étant pas récupérée, les « chaudières traditionnelles » auront toujours un moins bon rendement que les « chaudières à condensation ».

Les chaudières à brûleur pulsé sont des chaudières dont le brûleur est choisi indépendamment de la chaudière. Celui-ci peut fonctionner au gaz ou au fuel.
Les chaudières actuelles de ce type sont dites « à foyer pressurisé », c’est-à-dire que le trajet des fumées dans la chaudière est assuré grâce à la pression fournie par le ventilateur du brûleur.

   

Chaudière à foyer pressurisé sans et avec son brûleur.

Types de foyer

En gros, il existe actuellement deux types de chaudière (de puissance > 70 kW) :

  • les chaudières « à triple parcours »,
  • les chaudières « à inversion de flamme ».

Chaudière triple parcours en acier : les fumées quittent le foyer par l’arrière et parcourent à trois reprises la longueur de la chaudière avant d’être récoltées au dos de celle-ci.

Elément d’une chaudière triple parcours en fonte. Les chaudières performantes de ce type possèdent un premier et un dernier élement (refermant le foyer) entièrement parcourus par l’eau, ce qui augmente les surfaces d’échange et diminue les pertes par parois sèches.

Chaudière à inversion de flamme en acier. Dans ces chaudières, souvent de grosse puissance, le foyer est « borgne ». Les fumées ressortent de celui-ci par l’avant (le long de la flamme) avant de parcourir des tubes de fumée. Dans ceux-ci, des turbulateurs (spirales, lamelles métalliques, …) ralentissent les fumées pour augmenter l’échange avec l’eau et doser celui-ci pour éviter les condensations.

La principale différence entre ces deux configurations se situe au niveau des émissions de NOx. En effet, les chaudières à « triple parcours » permettent un court temps de séjour des fumées dans la zone de combustion, contrairement aux chaudières à inversion de flamme dans lesquelles les fumées doivent retransiter par la zone de combustion. Rappelons que un long temps de séjour des fumées dans la zone à plus haute température est favorable à la formation des NOx.

Rendement

Pertes à l’arrêt

Les pertes à l’arrêt des chaudières à brûleur pulsé modernes sont extrêmement faibles (de l’ordre 0,1 … 0,4 % de la puissance nominale de la chaudière).
Cela est la conséquence :

  • d’un degré d’isolation de la jaquette important, équivalent à une épaisseur de laine minérale de 10 cm enveloppant l’ensemble de la chaudière,
  • de la présence d’un clapet (motorisé, pneumatique, …) refermant l’aspiration d’air du brûleur lorsque celui-ci est à l’arrêt.

Isolation de la jaquette d’une chaudière à brûleur pulsé.

Rendement de combustion

Le rendement de combustion de ces chaudières est dépendant du choix du brûleur et de son réglage. Avec un brûleur finement réglé, un rendement de combustion de 93 .. 94 % est tout à fait possible dans les chaudières actuelles les plus performantes.

Rendement saisonnier

Les faibles pertes à l’arrêt et la possibilité d’obtenir des rendements de combustion les plus élevés (sans condenser), font des chaudières à brûleur pulsé les chaudières les plus performantes dans la catégorie des chaudières dites « traditionnelles »:

Exemple. Soit une chaudière correctement dimensionnée (facteur de charge (nB/nT) de 0,3) avec des pertes à l’arrêt (qE) de 0,2 % et un rendement utileutile )de 93 %.

Le rendement saisonnier de cette chaudière est estimé à :

ηsais = ηutile / (1 + qx (NT/NB – 1))

ηsais = 93 [%] / (1 + 0,002 x ((1/0,3) – 1)) = 92,6 [%]

Les chaudières gaz atmosphériques sont des chaudières dont le brûleur ne possède pas de ventilateur.

Ces chaudières sont composées de rampes de brûleurs placés en dessous du foyer. L’aspiration d’air par le brûleur se fait naturellement par le gaz et les flammes. On parle de brûleur atmosphérique traditionnel quand une grande partie de l’air est aspirée au niveau de la flamme et on parle de brûleur à prémélange quand l’air est mélangé au gaz avant la flamme.

Chaudière gaz à brûleur gaz atmosphérique à prémélange.

Un coupe tirage (ouverture de la buse d’évacuation vers la chaufferie), placé à l’arrière de la chaudière annule l’influence du tirage de la cheminée sur la combustion en maintenant une pression constante à la sortie de la chaudière.

Chaudière atmosphérique :

  1. Corps de chauffe (en fonte)
  2. Échangeur à ailettes profilées
  3. Isolation
  4. Bouclier thermique
  5. Buse de fumée avec coupe-tirage intégré
  6. Tableau de commande
  7. Jaquette
  8. Porte d’accès (pivotante)
  9. Collecteur de départ
  10. Collecteur de retour
  11. Brûleur à prémélange (bas NOx)
  12. Rampe gaz
  13. Électrode d’allumage et sonde d’ionisation
  14. Transfo d’allumage
  15. Connecteurs électriques
  16. Vanne gaz à 2 allures
  17. Vanne de vidange

Avantages

> Le prix moindre. Une chaudière atmosphérique de conception « bas de gamme » coûte moins cher qu’une chaudière équipée d’un brûleur gaz pulsé.
> L’absence de bruit. Une chaudière atmosphérique ne comportant pas de ventilateur est nettement moins bruyante qu’un brûleur pulsé.
> La facilité de montage et de réglage.

Inconvénients

> Un rendement utile moindre. La gestion moins précise de l’excès d’air diminue le rendement utile des chaudières qui est voisin de 91 .. 92 % pour les nouvelles chaudières à prémélange et inférieur à 90 % pour les chaudières de conception plus ancienne (chaudières répondant juste aux exigences de l’AR du 18 mars 97 et encore vendues), alors que l’on peut espérer un rendement de 93 .. 94 % avec une chaudière moderne à brûleur pulsé bien réglée.
> Une production importante de NOx. Les chaudières atmosphériques « bas de gamme » émettent généralement une quantité importante de NOx, à telle point que certains modèles ne peuvent plus être vendus qu’en Wallonie (émission de NO> 150 mg/kWh) où il n’y a pas de réglementation en la matière. Les technologies du prémélange et le refroidissement de la flamme au moyen de barres métalliques diminuent fortement les émissions de NOx (< 60 .. 70 mg/kWh) pour les rendre compatibles avec la plupart des labels européens.

Brûleur à prémélange « LOW NOx« .

> Des pertes à l’arrêt plus importantes. Les chaudières purement atmosphériques (c’est-à-dire sans ventilateur) sont généralement parcourues à l’arrêt par un flux d’air continu provoquant des pertes par balayage. Par rapport aux anciens modèles de chaudière atmosphérique, celles-ci sont maintenant limitées : limitation des ouvertures de passage d’air dans les brûleurs à prémélange, ajout sur certains modèles d’un clapet sur les fumées se fermant à l’arrêt. Quelques importants fabricants de chaudières annoncent ainsi (d’autres ne donnent pas de chiffre) des pertes à l’arrêt de leurs chaudières atmosphériques de l’ordre de 0,8 .. 1,3 % de la puissance de la chaudière, sans clapet sur les fumées et de l’ordre de 0,6 .. 0,7 % avec un clapet d’obturation des fumées (pour une température d’eau de 60°C). À titre de comparaison, les pertes à l’arrêt des chaudières à brûleur pulsé modernes sont de l’ordre de 0,1 .. 0,4 %.

Pertes à l’arrêt d’une chaudière atmosphérique à prémélange actuelle de la marque « x » en fonction de la température de l’eau de chaudière.

Exemple.

Il existe sur le marché des chaudières gaz atmosphériques composées de deux ensembles brûleur-échangeur séparés, ce sous une même jaquette. Cette chaudière intègre également la régulation lui permettant de réguler en cascade les deux brûleurs. Des vannes d’isolement permettent également l’isolation hydraulique de l’échangeur à l’arrêt. Cette technique de construction permet donc, dans une seule chaudière, d’offrir les avantages de deux chaudières séparées régulées en cascade : réduction des pertes à l’arrêt, augmentation du temps de fonctionnement des brûleurs.

On associe aussi aux chaudières gaz atmosphériques les chaudières à prémélange total mais équipées d’un ventilateur qui pulse le mélange air/gaz vers le brûleur ou placé sur l’évacuation des fumées, qui aide à vaincre la perte de charge de la chaudière. Le brûleur intégré à ces chaudières peut être un brûleur à rampes comme pour les chaudières atmosphériques ou un brûleur radiant.
Par rapport aux chaudières gaz atmosphériques (sans ventilateur), les chaudières gaz à prémélange avec ventilateur présentent les avantages complémentaires suivants :
> Les pertes à l’arrêt sont légèrement moindres (0,5 .. 0,7 %, pour une température d’eau de 60°C), soit parce qu’un clapet d’air supprime le tirage au travers du foyer à l’arrêt, soit parce que la configuration du brûleur et du foyer est telle que le balayage d’air est moindre.
> La technologie du brûleur radiant permet une diminution importante des émissions de NOx.
> En outre, les brûleurs de ces chaudières sont souvent modulants, (jusqu’à 25 % pour les chaudières qui ne sont pas à condensation) ce qui implique une diminution du nombre de démarrages, donc des émissions polluantes, une diminution des temps d’arrêt de la chaudière, donc des pertes à l’arrêt et une augmentation du rendement utile à charge partielle.
> Dans le cas d’atmosphère corrosive pour les chaudières, certaines de ces chaudières peuvent être équipées d’un système de combustion étanche (dites « à ventouse ») dont l’alimentation en air et l’évacuation des fumées se fait par deux conduits concentriques (l’air est aspiré par le conduit périphérique et les fumées rejetées par le conduit central). Une telle configuration est possible jusqu’à une puissance de 1 000 kW en conduit vertical.

Chaudières gaz reliées à un système de combustion étanche.

Il est ainsi possible d’atteindre, avec ces chaudières des rendements saisonniers proches de ceux des chaudières pressurisées à brûleur pulsé.

Actuellement, on retrouve sur le marché des chaudières traditionnelles 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 »).
  • « Très basse température », ne présentant aucune contrainte en ce qui concerne la température de l’eau.

La troisième catégorie de chaudières étant les chaudières à condensation conçues, elles, pour favoriser la condensation des fumées et fonctionnant avec les températures d’eau les plus basses.

Conception des chaudières « très basse température »

Pour éviter que les fumées ne condensent dans les chaudières « très basse température », les échangeurs de chaleur sont conçus pour qu’à aucun moment la température de paroi de l’échangeur du côté des fumées ne puisse descendre en dessous du point de rosée (.. 45°C .. pour le fuel et .. 55°C .. pour le gaz).

Exemple.

Pour certaines chaudières en fonte, le parcours de l’eau dans la chaudière est conçu pour que l’eau froide de retour n’entre pas en contact direct avec l’échangeur.

Thermographie infrarouge d’un élément en fonte d’une chaudière. l’eau de retour rentre dans l’élément par le dessus (rond bleu). Elle est dirigée vers l’extérieur de l’élément (couronne bleue, jaune et verte). Elle ne longe, ainsi, le foyer et les tubes de fumées qu’une fois réchauffée (zone rouge).

Dans les chaudières en acier, les fabricants utilisent, par exemple, des échangeurs « double parois ». Cela permet à la paroi de l’échangeur, côté fumée, d’être maintenue à une température supérieure à 60°C, même si la température de l’eau est très basse (l’échangeur se comporte comme un double vitrage).

Échangeur d’une chaudière très basse température : les fumées circulent dans les tubes doubles parois. L’absence partielle de contact entre le tube coté fumée et le tube coté eau permet aux fumées de ne pas condenser au contact de la paroi, quelle que soit la température de l’eau dans la chaudière. Sans la double paroi, la température du tube coté fumée serait presqu’égale à la température de l’eau,même si les fumées au centre du tube ont une température élevée, puisque le coefficient d’échange coté eau est nettement plus important que du coté des fumées. Les fumées condenseraient alors le long de la paroi si la température de l’eau descend sous 60°C.

Comparaison énergétique « basse température » et « très basse température »

Rendement de production

En théorie, les chaudières « très basse température » régulées en température glissante présentent un rendement saisonnier supérieur aux chaudières « basse température ». En effet, plus la température de l’eau est basse :

En pratique, la différence n’est pas aussi tranchée. En effet, le rendement de production d’une chaudière « très basse température » ne se démarque pas toujours énormément de celui d’une chaudière « basse température ».
En effet, dans les chaudières « très basse température », pour éviter que les fumées ne condensent au contact de parois de la chaudière irriguées avec de l’eau à température inférieure à 60°C, les constructeurs conçoivent des échangeurs dans lesquels l’échange de chaleur entre l’eau et les fumées est ralenti (par exemple, les tubes doubles parois).
Il en résulte un moins bon échange qu’imaginé théoriquement puisque la température de surface de l’échangeur ne descend pas sous 60° même si la température de l’eau est plus basse. La température des fumées n’est donc pas forcément plus basse pour une chaudière « très basse température » que pour une chaudière « basse température ». Pour limiter cet impact, les constructeurs augmentent la surface d’échange, ce qui augmente la taille des chaudières et leur coût.
Dans les chaudières « basse température », si la température de l’eau ne descend pas en dessous de 60°C, il n’y a aucun risque de condensation côté fumée, et on peut optimiser les surfaces d’échanges et ainsi entraîner une température de fumée plus basse et donc le meilleur rendement de combustion possible.

Pertes à l’arrêt

De plus, il est vrai que la chaudière « basse température » présente des pertes à l’arrêt légèrement supérieures mais celles-ci fortement limitées du fait d’une isolation renforcée et de la suppression des pertes par balayage avec les brûleurs pulsés (pour autant que le clapet d’air se referme effectivement à l’arrêt !).
Attention, cette conclusion n’est plus valable si on choisit une chaudière atmosphérique d’une ancienne conception, et/ou si l’installation est fortement surdimensionnée.

Pertes de distribution et de régulation

La diminution de la température moyenne de l’eau dans la chaudière, en fonction de la saison, n’a pas un intérêt énergétique que sur le rendement de la 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 de distribution dans le cas des installations sans circuit secondaire,
  • le fonctionnement correct des vannes thermostatiques dans le cas des installations sans circuit secondaire.

Cela permet également de simplifier la conception des circuits hydrauliques, puisqu’il ne faut plus faire attention à la température de l’eau qui alimentera la chaudière.