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Les chaudières à condensation

 

 

Principe de la chaudière à condensation : le retour de circuit de chauffage à basse température amène les fumées de combustion en dessous du point de rosée au sein de l'échangeur, une partie plus ou moins importante de l'eau contenue dans les fumées condense.

Principe de la condensation dans les chaudières

Pouvoir calorifique inférieur (PCI) et supérieur (PCS)

Les produits normaux d'une bonne combustion sont essentiellement du CO2 et de l'H2O. Juste après la réaction de combustion, cette eau issue du combustible se trouve à l'état gazeux dans les fumées. Notons que l'eau à l'état gazeux n'est pas visible, elle est transparente. D'ailleurs, l'air ambiant en contient toujours une certaine quantité. 

Imaginons que nous puissions réaliser une combustion parfaite d'un combustible, libérant ainsi le maximum d'énergie sous forme thermique (énergie qui était initialement contenue sous forme chimique dans le combustible).  L'énergie libérée est transmise, d'une part, à la chaudière et, d'autre part, est contenue dans les fumées à température élevée. Si on peut aussi récupérer l'énergie contenue dans ces fumées en abaissant leur température jusqu'à la température ambiante, on dispose théoriquement de toute l'énergie que le combustible contenait initialement. Il s'agit du pouvoir calorifique. Néanmoins, comme évoqué ci-dessus, les fumées contiennent de l'H2O à l'état gazeux. En abaissant la température des fumées, l'eau peut passer à l'état liquide cédant ainsi une énergie, la chaleur de condensation ou énergie latente. Si on est capable de récupérer cette énergie, on parlera du pouvoir calorifique supérieur (PCS). Par contre, si, dans la phase de récupération de l'énergie des fumées, on ne sait pas la récupérer, alors on parlera de pouvoir calorifique inférieur (PCI).

Le pouvoir calorifique supérieur est par définition supérieur au pouvoir calorifique inférieur (PCS > PCI). En effet, on a récupéré la chaleur latente de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. Voici les valeurs de pouvoir calorifique pour les combustibles liés à la technologie des chaudières à condensation :

  • Pour le gaz naturel (type L) : PCS = 9,79 kWh/m³N et PCI = 8.83 kWh/m³N, soit PCS = PCI  + 10.8 %
  • Pour le gaz naturel (type H) : PCS = 10.94 kWh/m³N et PCI = 9.88 kWh/m3N, soit PCS = PCI + 10.7 %
  • Pour le mazout (standard) : PCS = 12.67 kWh/kg et PCI = 11.88 kWh/kg, soit PCS =  PCI + 6.6 %

Dans le cas du gaz naturel ?

On voit que l'on peut récupérer jusqu'à 10 % de rendement supplémentaire si on peut condenser la vapeur d'eau des fumées et récupérer parfaitement cette chaleur. On voit donc que le potentiel d'une telle technique pour le gaz naturel est substantiel. A l'heure actuelle, on trouve des chaudières condensation gaz pour toutes les gammes de puissance.

Dans le cas du fuel ?

La technique de la condensation est principalement utilisée dans les chaudières gaz. Il existe également des chaudières fuel à condensation, mais leur utilisation est actuellement moins répandue, pour trois raisons :

  • Teneur en eau plus faible : La teneur en vapeur d'eau des fumées issues du fuel est plus faible que pour le gaz naturel. Il en résulte une différence plus faible entre le PCS et le PCI (pour le fuel : PCS = PCI + 6 %). La quantité de chaleur maximum récupérable est donc plus faible, ce qui rend moins facile la rentabilité du surcoût de la technologie "condensation".
  • Point de rosée plus bas : Pour que l'eau à l'état gazeux dans les fumées se condense totalement, il faut que la température des fumées soit bien inférieure à la température dite de "rosée" (c'est-à-dire la température à partir de laquelle la vapeur d'eau des fumées se met à condenser, à ne pas confondre avec la température du "rosé" qui, lui, se sert bien frais). Si la différence n'est pas suffisante, autrement dit, la température des fumées pas assez basse, seule une fraction de l'eau condense. On perd donc en efficacité. Parallèlement, on peut difficilement descendre les fumées avec un échangeur en dessous d'un certain seuil. En effet, les chaudières ne possèdent pas des échangeurs de taille infinie. Typiquement, on peut descendre jusqu'à 30 °C dans de bonnes conditions. Le problème est que, dans le cas du mazout, la température à partir de laquelle les fumées condensent (point de rosée) est plus basse (d'une dizaine de °C) que dans le cas du gaz. Il faut donc descendre les fumées à une température relativement plus faible pour pouvoir bénéficier pleinement de l'avantage de la condensation. Or, la température de retour du circuit de chauffage qui assure le refroidissement des fumées dépend, d'une part, du dimensionnement, mais aussi des conditions météorologiques (la température de retour est plus élevée si la température extérieure est plus faible, et donc le besoin de chauffage grand). Dans ces conditions, il est possible que l'on ait moins de périodes où la chaudière condense avec une chaudière mazout qu'avec une chaudière gaz.

Température de condensation des fumées (point de rosée) de combustion du gaz et du fuel, en fonction de leur teneur en CO2. : pour les coefficients d'excès d'air typiques pour le gaz et le fioul, c'est-à-dire 1.2, la concentration en CO2 est de, respectivement, 10 et 13 % donnant une température de rosée d'approximativement 55 °C et 47.5 °C.

  • Présence de Soufre et acidité : Le fuel contient du soufre et génère des condensats plus acides (présence d'H2SO4), corrosifs pour la cheminée et l'échangeur. De plus, lorsque la température d'eau de retour du circuit de chauffage se situe à la limite permettant la condensation des fumées, la quantité d'eau condensée est faible, mais sa concentration en acide sulfurique est très élevée, ce qui est fort dommageable pour l'échangeur. Cela explique pourquoi les fabricants ont mis plus de temps pour le mazout pour développer des chaudières à condensation résistantes aux condensats.

Notons cependant que les gros fabricants de chaudières ont quasiment tous développé des chaudières à condensation fonctionnant au fuel. Néanmoins, ils ne proposent pas toujours ces produits dans toutes les gammes de puissance. L'acier inoxydable de l'échangeur a été étudié pour résister aux condensats acides. 

Ainsi, l'existence d'un fuel à très faible teneur en souffre ("Gasoil Extra" avec une teneur en souffre inférieure à 50 ppm) officialisée par un arrêté royal publié le 23 octobre 02, peut ouvrir de nouvelles perspectives aux chaudières à condensation fonctionnant au fuel. Suivant la technologie de la chaudière à condensation au mazout, on est obligé de fonctionner avec un mazout Extra à faible teneur en Soufre ou, si la chaudière le permet, on peut fonctionner avec un mazout standard.

Dans le cas du bois ?

Certains fabricants de chaudières au bois proposent des chaudières à condensation. À l'heure actuelle, cela reste assez rare, mais cela existe. Manquant de retour et de références à ce sujet, nous ne donnerons plus d'information. 

Intérêt énergétique d'une chaudière à condensation

Que rapporte une chaudière à condensation par rapport à une chaudière traditionnelle ?

Le gain énergétique réalisé grâce à une chaudière à condensation se situe à deux niveaux :

  1. Gain en chaleur latente : La condensation de la vapeur d'eau des fumées libère de l'énergie. Pour une chaudière gaz, ce gain maximum est de 11 % du PCI tandis qu'il s'élève à 6 % pour le mazout. 

  2. Gain en chaleur sensible : La diminution de la température des fumées récupérée au travers de la surface de l'échangeur (de .. 150.. °C à .. 45 °C ..). 

Pour comparer le rendement des chaudières à condensation et celui des chaudières classiques, 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.

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 dimensionnement des émetteurs).

Exemple pour le gaz naturel : 

 

Exemple pour le mazout :

Représentation du rendement utile (sur PCI et sur PCS) d'une chaudière gaz traditionnelle et d'une chaudière à condensation.

Par exemple pour le gaz naturel, avec une température d'eau de 40 °C, on obtient des produits de combustion d'environ 45 °C, ce qui représente des pertes de 2 % en chaleur sensible et des pertes de 5 % en chaleur latente (on gagne sur les 2 tableaux). Le rendement sur PCI est donc de :

((100 - 2) + (11 - 5)) / 100 = 104 % ou 93 % sur PCI

Par exemple pour le mazout, des produits de combustion donnent des pertes de 2 % en chaleur sensible et des pertes de 2 % en chaleur latente. Le rendement sur PCI est donc de :

((100 - 2) + (6 - 2)) / 100 = 102 % ou 96 % sur PCI

Un rendement supérieur à 100 % ?

Ceci est scientifiquement impossible.

Lorsque l'on a commencé à s'intéresser au rendement des chaudières, la technologie de la condensation n'existait pas. On comparait donc l'énergie produite par une chaudière à l'énergie maximale récupérable pour l'époque c'est-à-dire à l'énergie sensible contenue dans le combustible ou PCI (ou HI) du combustible.

De nos jours, ce mode de calcul a été maintenu même si, dans les chaudières à condensation, on récupère aussi une partie de la chaleur latente. On a alors l'impression de produire plus d'énergie que le combustible n'en contient. C'est évidemment faux.

Si l'on voulait être scientifiquement rigoureux, il faudrait comparer l'énergie produite par une chaudière à condensation au PCS (ou Hs) du combustible. Si on commet l'erreur de comparer avec les valeurs PCI d'autres chaudières, on aurait l'impression qu'une chaudière à condensation a un plus mauvais rendement qu'une chaudière traditionnelle, ce qui est aussi erroné.

Par exemple, un rendement utile de chaudière au gaz à condensation de 104 % sur PCI, correspond à un rendement de 93 % sur PCS.

Besoin d'une température de retour la plus basse possible et émetteurs de chaleur

Pour obtenir les meilleurs rendements, il faut que la température des fumées soit la plus basse possible. Du coup, il faut une température de retour du circuit de distribution de chauffage la plus basse. Cela s'obtient par une bonne conception du circuit hydraulique, essentiellement, en travaillant avec une température de départ plus basse et des émetteurs de chaleur qui travaillent à basse température. On pense naturellement au chauffage par le sol (basé sur le rayonnement). Néanmoins, les radiateurs ou convecteurs basse température peuvent aussi convenir pour atteindre cet objectif.

Rendement théorique utile des chaudières gaz et mazout à condensation en fonction de la température à laquelle on a pu descendre les fumées dans la chaudière : le coefficient d'excès d'air est pris égal à 1.2. On voit que le point d'inflexion où la chaudière au gaz commence à condenser se situe autour de 55 °C alors que ce point se déplace à 47.5 °C pour le mazout.

Quelles sont les conclusions de ce dernier graphe :

  • On voit que la température à laquelle débute la condensation (point de rosée) commence plus tôt pour le gaz (55 °C) que pour le mazout (47.5 °C). Physiquement, c'est dû à la composition des fumées.

  • On remarque que les gains de rendement potentiels grâce à la condensation sont plus faibles avec le mazout que le gaz. Physiquement, c'est dû à une moindre présence d'hydrogène dans le mazout donnant, après réaction, moins d'eau dans les fumées.

  • On remarque qu'il faut être bien en dessous de la température de rosée pour atteindre les meilleurs rendements. En effet, il ne suffit pas d'être à quelques degrés inférieurs à ce point critique. Il faut de l'ordre d'une dizaine de degrés pour assurer une augmentation significative. Encore une fois, la température des fumées dépendra des conditions climatiques et du dimensionnement de l'installation de chauffage.

Intérêt d'une chaudière à condensation pour améliorer une ancienne installation de chauffage ? Oui si régulation adaptée !

Il y a-t-il un intérêt de placer une chaudière à condensation sur un réseau de radiateurs dimensionnés en régime 90°/70 °C ? En effet, si la température de retour est de 70 °C, alors la chaudière ne condensera pas !

Pourtant, il y a bien un intérêt à placer une chaudière à condensation :

  • D'une part, la température de retour ne sera de 70 °C que pendant les périodes plus froides de l'année. En effet, le régime de radiateur 90°/70 °C correspond aux températures extérieures les plus basses, plus particulièrement à la température de dimensionnement de l'installation (en d'autres termes, la température de base qui varie suivant les régions, mais tourne autour de - 10 °C). Si la température de départ est adaptée à la température extérieure (régulation climatique ou glissante), la température de retour sera plus faible pendant les périodes moins froides de l'année pouvant finalement donner lieu à la condensation dans la chaudière.

     

Sur la première figure, il s'agit de l'évolution de la température glissante de retour en fonction de la température extérieure pour une installation conçue en régime 90°/70° (à une température de dimensionnement de - 10 °C) : on voit que le point de rosée pour le gaz et le mazout est obtenu à des températures extérieures supérieures à  ~ - 10 °C et ~ - 4 °C, respectivement.  Dans notre calcul, on a pris une température de retour limite à partir de laquelle commence la condensation de 5 °C inférieure à la température de rosée pour tenir compte de l'imperfection de l'échangeur de la chaudière. Sur base des conditions météorologiques rencontrées en moyenne (année standard), on voit sur la seconde figure que les chaudières gaz et mazout condensent sur une grande partie de la période de chauffe. En termes d'énergie, en faisant l'hypothèse que les besoins du bâtiment sont proportionnels à la température extérieure, on voit avec la troisième figure que la chaudière gaz à condensation condense 75 % du temps et la chaudière mazout approximativement 40 %.

  • D'autre part, même en l'absence de condensation, les rendements utiles minimum obtenus (95 %) sont supérieurs aux valeurs que l'on rencontre avec les chaudières traditionnelles haut rendement (92 ... 94 %). En effet, les chaudières à condensation sont équipées d'échangeurs de chaleur avec une surface plus grande que les chaudières traditionnelles. À température de retour égale, la chaudière à condensation amènera les fumées à un niveau de température plus bas.

Sur base des arguments suivants, le potentiel d'une chaudière à condensation sur une ancienne installation dimensionnée en régime 90°/70° est justifié pour le gaz naturel. Pour les installations au mazout, l'amélioration induite par la condensation est bel et bien présente, mais moins importante : ceci est dû à la température du point de rosée qui est plus basse pour le mazout. 

On voit au moyen des figures suivantes que la situation est encore plus favorable à la condensation en présence d'émetteurs dimensionnés en régime 70 °C/50 °C. Dans le cas de la chaudière au gaz, on peut potentiellement avoir une condensation quasi permanente de la chaudière. Pour le mazout, la condensation est aussi majoritairement présente. Par conséquent, pour s'assurer de l'efficacité des installations équipées de chaudières à condensation, il peut être intéressant de redimensionner l'installation en régime 70°/50 °C. C'est généralement possible, dans la mesure où, d'une part, les émetteurs des anciennes installations de chauffage sont souvent largement surdimensionnés en régime 90°/70 °C, et, d'autre part, que la rénovation d'une installation de chauffage va souvent de pair avec l'amélioration des performances de l'enveloppe (rénovation), ce qui réduit significativement la puissance nécessaire des émetteurs.

       

Sur la première figure, il s'agit de l'évolution de la température glissante de retour en fonction de la température extérieure pour une installation conçue en régime 70°/50° (à une température de dimensionnement de - 10 °C) : on voit que le point de rosée pour le gaz et le mazout est obtenu à des températures extérieures supérieures à  ~-10 °C et ~- 4 °C, respectivement.  Dans notre calcul, on a pris une température de retour limite à partir de laquelle commence la condensation de 5 °C inférieure à la température de rosée pour tenir compte de l'imperfection de l'échangeur de la chaudière . Sur base des conditions météorologiques rencontrées en moyenne (année standard), on voit sur la seconde figure que les chaudières gaz et mazout condensent la majeure partie de la période de chauffe. En termes d'énergie, en faisant l'hypothèse que les besoins du bâtiment sont proportionnels à la température extérieure, on voit avec la dernière figure que la chaudière gaz à condensation condense 100 % du temps et la chaudière mazout approximativement 93 %.

L'intérêt des chaudières à condensation démontré, il faut néanmoins savoir que le circuit hydraulique de distribution de chaleur devra être éventuellement modifié pour assurer une température de retour la plus faible à la chaudière.

Influence de l'excès d'air

L'excès d'air a une influence sur les performances d'une chaudière à condensation. En effet, plus l'excès d'air est important et plus la température de rosée diminue. Comme la température de retour du réseau de distribution de chaleur dépend de sa conception, mais aussi des conditions météorologiques, cette température de rosée devrait être la plus haute possible pour être certain que la chaudière condense efficacement le plus souvent. Autrement, le risque est d'avoir une température de fumée trop élevée et donc de l'eau qui reste à l'état de vapeur dans ces fumées. En conclusion, il faut que l'excès d'air soit le plus faible possible pour avoir une température de rosée la plus haute et de meilleures conditions de condensation.

 

Rendement utile d'une chaudière gaz de type L en fonction de la température des fumées (fonction de la température de l'eau) et de l'excès d'air (λ = 1,3 équivaut à un excès d'air de 30 %).

Remarque : ce schéma montre que les anciennes chaudières atmosphériques à condensation avaient de moins bonnes performances puisqu'elles fonctionnaient avec un excès d'air supérieur à 50 % (λ = 1,5).

Gains sur le rendement saisonnier

Le gain obtenu sur le rendement saisonnier et donc sur la facture énergétique en choisissant une chaudière à condensation plutôt qu'une chaudière traditionnelle haut rendement peut donc varier entre : 1 et 14 %.

Si on compile les informations de l'ARGB pour le gaz et le résultat 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 pouvant être utilisé pour guider le choix de la nouvelle chaudière (voir peut-être un peu plus pour les meilleures installations).

Constitution d'une chaudière à condensation

Type d'échangeur

Les chaudières à condensation actuelles sont composées de deux ou trois échangeurs en série. Ces échangeurs sont soit séparés sous une même jaquette, soit intégrés dans un ensemble monobloc.

Le dernier échangeur sur le circuit des fumées (ou la dernière partie de l'échangeur monobloc) est appelé "condenseur". C'est dans ce dernier que les fumées doivent céder leur chaleur latente. C'est donc également au niveau de ce dernier que se raccorde le retour d'eau à température la plus basse possible. Cet échangeur est conçu en un matériau supportant la condensation sans risque de corrosion (acier inox, fonte d'aluminium).

Il est également possible d'utiliser un condenseur séparé, rajouté à une chaudière traditionnelle, de manière à en augmenter son rendement. Cela est en principe possible pour toute chaudière gaz et fioul existante. C'est la seule solution si on veut exploiter la condensation avec des chaudières de plus d'un MW.

    

Échangeurs-condenseurs s'adaptant à une chaudière traditionnelle.

Pour obtenir le meilleur rendement de l'échangeur-condenseur, il est important que l'évacuation des fumées se fasse dans le même sens que l'écoulement des condensats, c'est-à-dire vers le bas. Dans le cas contraire, les fumées s'élevant risqueraient de revaporiser les condensats, ce qui ferait perdre l'avantage de la condensation.

Évacuation des fumées dans une chaudière à condensation, dans le sens de l'écoulement des condensats.

Le rendement de combustion obtenu dépend entre autres de la qualité de l'échangeur. Un bon échangeur permettra d'obtenir des fumées dont la température à la sortie de la chaudière est au maximum de 5 °C supérieure à la température de l'eau de retour. Attention, sur les plus mauvaises chaudières à condensation, cette différence de température peut aller jusqu'à 15 °C.

Circuits retour

Certaines chaudières comportent deux branchements de retour : un retour "basse température" au niveau du condenseur et un retour "haute température" au niveau du premier échangeur. Cette configuration permet l'utilisation d'une chaudière à condensation même lorsqu'une partie des utilisateurs demandent une température d'eau élevée (production d'eau chaude sanitaire, batteries à eau chaude, circuits de radiateurs à différents niveaux de température, ...). Les circuits qui leur sont propres sont alors raccordés du côté "haute température", les circuits pouvant fonctionner en basse température (circuits radiateurs basse température, chauffage par le sol, ...) étant dédiés au retour "basse température".

Il faut toutefois faire attention : le retour "froid" reste le retour principal de la chaudière.  Le retour chaud by-passe une partie de la surface d’échange.  Il est donc important de maintenir un rapport (60% min, 40% max) entre le retour froid et le retour chaud !

Si l’on place la production ECS sur le retour "chaud" , tout l’été, la chaudière va fonctionner dans de mauvaises conditions, car il n’y a pas de retour "froid".  Il est donc préférable dans ce cas de surdimensionner la production ECS, de manière à revenir plus froid sur la chaudière, et n’utiliser qu’un seul retour, à savoir le retour "froid" dans ce cas !

Type de brûleur

En gros, en fonction du type de brûleur, on retrouve trois types de chaudière à condensation :

  1. Des chaudières dont le brûleur est un brûleur gaz pulsé traditionnel (souvent 2 allures) commercialisé séparément de la chaudière à condensation.

  2. Des chaudières dont le brûleur est un brûleur à prémélange avec ventilateur (rampe de brûleurs, brûleurs radiant, ...), modulant (de 10 à 100 % de leur puissance nominale). La modulation du brûleur se fait soit par variation de vitesse du ventilateur, soit par étranglement variable de la pulsion d'air et de gaz.

  3. Des chaudières gaz à brûleur atmosphérique à prémélange, sans ventilateur. Ces brûleurs sont à une ou 2 allures. Étant donné la technologie assez basique appliquée (contrôle moindre de l'excès d'air, pas de modulation de la puissance), ces chaudières présentent généralement de moins bonnes performances que les 3 premières catégories ci-dessus.

Type d'alimentation en air

Dans certaines chaudières avec brûleur à prémélange, l'air comburant est aspiré le long des parois du foyer avant d'être mélangé au gaz. Il est ainsi préchauffé en récupérant la perte du foyer. Les pertes vers l'ambiance sont dès lors minimes.

Cette configuration liée à une régulation qui fait chuter directement la température de la chaudière à l'arrêt et à un brûleur modulant fonctionnant quasi en permanence en période de chauffe rend inutile la présence d'isolation dans la jaquette de la chaudière.

Chaudière sans isolation, dont l'air est aspiré le long du foyer.

Ces chaudières peuvent être équipées d'un système de combustion étanche (ou à ventouse) dans lequel l'air comburant est directement aspiré à l'extérieur du bâtiment.

Irrigation

Il existe de trois types de chaudière, en fonction du degré d'irrigation minimum exigé :

  • Sans irrigation imposée (chaudières à grand volume d'eau),
  • Avec irrigation faible ou moyenne imposée (chaudières à faible volume d'eau),
  • Avec irrigation importante impérative (chaudières à faible volume d'eau).

Le circuit hydraulique qui sera associé à la chaudière à condensation dépend des exigences suivantes :

  • Pour les chaudières avec faible ou moyenne exigence d'irrigation, c'est la régulation qui doit assurer un débit minimum en toute circonstance, par exemple, par action sur les vannes mélangeuses.

  • Pour les chaudières sans irrigation imposée, les circuits de distribution peuvent être extrêmement simples et optimalisés pour garantir une condensation maximale. 

Dans les deux cas de figure, il est impératif d’avoir une régulation performante qui régule la température de départ chaudière en fonction des besoins et /ou de la température extérieure, afin d’optimiser les performances chaudières et limiter les pertes de distribution.

Pertes vers l'ambiance, pertes à l'arrêt et isolation

Certaines nouvelles chaudières gaz à condensation se caractérisent par l'absence d'isolation dans la jaquette. Et pourtant, leurs pertes vers l'ambiance sont très faibles.

Il y a plusieurs raisons à cela :

  • Ces chaudières sont équipées de brûleurs modulants dont la plage de modulation est grande. En journée, puisque le brûleur adapte en permanence sa puissance aux besoins. Celui-ci ne présente nettement moins de périodes d'arrêt.

  • Parallèlement à cela, l'air de combustion est aspiré par le brûleur entre le foyer et la jaquette de la chaudière. Durant le fonctionnement du brûleur, l'air lèche le foyer avant d'être mélangé au gaz. La perte du foyer est ainsi récupérée en grande partie par le brûleur.

  • Lorsque le brûleur s'arrête (par exemple, au moment de la coupure nocturne), la chaudière retombe directement en température (si son irrigation s'arrête). Elle ne présente donc plus de perte.

 Exemples de chaudière à condensation

Exemples de chaudières à condensation : 

Chaudière gaz à condensation, équipée d'un brûleur modulant 10 .. 100 % et d'un réglage automatique de la combustion par sonde d'O2.

Chaudière gaz à condensation à équiper d'un brûleur pulsé traditionnel.

Chaudière gaz à condensation avec brûleur modulant à prémélange et aspiration d'air le long du foyer en fonte d'aluminium.

 

Chaudière fioul à condensation avec brûleur à air pulsé.

Chaudière à pellets à condensation : le refroidissement des fumées s'opère en deux fois. Le premier échangeur correspond aux plus hautes températures tandis que la condensation s'opère dans le second. Cette séparation permet de récupérer le condensat efficacement sans polluer le cendrier de la chaudière.

Spécificité des chaudières à condensation fuel

Chaudière fioul à condensation avec brûleur à air pulsé.

Configuration des échangeurs

De manière générale, on distingue deux types de configuration d’échangeur :

  • les échangeurs de chaleur sur l’eau de chauffage ;
  • les échangeurs de chaleur sur l’air frais de combustion.

Les échangeurs de chaleur sur l’eau de chauffage

Lorsque l’échangeur est prévu pour transmettre la chaleur de condensation à l’eau du circuit hydraulique du système de chauffage, on distingue encore deux sous-familles. Les condenseurs sont :

  • Intégrés dans la chaudière. Pour ce type de chaudières, la chaleur de condensation est directement récupérée dans la chaudière. Elles sont apparentées aux chaudières gaz à condensation. En pratique : au niveau du circuit hydraulique, les chaudières équipées d’un seul échangeur sont constituées juste d’un départ et d’un retour.

  • En aval de la chaudière. Ce type de chaudières est alors constitué de deux échangeurs de chaleur. Au niveau de la chambre de combustion, les fumées sont refroidies dans le premier échangeur. A ce stade, les températures de fumées restent au-dessus du point de rosée. C’est seulement au niveau du second échangeur, placé en aval du premier sur le parcours des fumées, que la vapeur d’eau des fumées de combustion condense. En pratique : au niveau du circuit hydraulique, les chaudières équipées de deux échangeurs sont constituées d’un départ et de deux retours, soit un retour froid et un retour chaud.

Chaudière fuel à condensation (source Viessmann).

La condensation dans ce type de chaudière n’est pas optimale sachant qu’il faut un retour froid de l’eau de chauffage en dessous de 47 °C afin d’atteindre aisément le point de rosée. On rappelle qu’à titre de comparaison, le point de rosée pour le gaz est de l’ordre de 57 °C.

Méthode alternative : Préchauffage de l’air de combustion

Contrairement aux chaudières équipées d’échangeur(s) de chaleur sur l’eau de chauffage, les chaudières à préchauffage de l’air de combustion sont destinées à exploiter la chaleur de condensation des fumées de combustion pour préchauffer l’air frais. Dans ce type de chaudière, l’échangeur de chaleur entre les fumées et l’eau de chauffage n’est pas dimensionné pour condenser.

L’avantage d’un tel système est que la chaudière condense pratiquement en permanence puisque l’air frais pris à l’extérieur et nécessaire à la combustion est en Belgique très frais (Tex moyenne annuelle est de l’ordre de 6.5 °C). Le taux de condensation est donc maximal en hiver, lorsque la chaudière fonctionne à pleine charge.

En pratique :

  • À la sortie du foyer, les fumées traversent d’abord l’échangeur de chaleur fumées/eau de chauffage. Les fumées sont refroidies jusqu’à environ 70 °C. A ce niveau, il n’y a pas de condensation. Dans ce système, la température de retour du circuit hydraulique de chauffage ne doit plus être basse, ce qui réduit énormément les contraintes de dimensionnement des circuits de retour de la distribution.

  • Le parcours des fumées passe au travers d’un second échangeur fumées/air frais de combustion. C’est un système ventouse (conduit concentrique) qui est généralement utilisé pour permettre aux fumées de croiser l’air frais.

Chaudière fuel à condensation type échangeur à air (source : Kroll)

Qualité du fuel

Jusqu’il y a peu, l’utilisation du fuel dans la technique de condensation était difficile sachant que sa contenance en soufre pouvait atteindre 1 000 ppm (>1 000 mg/kg ou 0.2 % selon la NBN T 52-716). Une telle présence de soufre dans le fuel donnait immanquablement des produits de combustion composés de quantités importantes d’oxyde de soufre (SO2 et S03). En présence d’eau (lors de la condensation de la vapeur d’eau), de l’acide sulfureux H2SO3 et de l’acide sulfurique H2SO4 sont formés en même quantité.

La teneur en soufre des fuels de chauffage, ces dernières années, a été abaissée à 50 ppm (gazoil extra : < 50 ppm selon la NBN EN 59590). L’adoption de cette disposition a permis l’ouverture du marché des chaudières à condensation au fuel. Suivant la teneur en soufre du fuel, des dispositions particulières seront à prendre au niveau de l’échangeur de chaleur permettant la condensation comme le montre le tableau suivant :

Échangeurs de chaleur dans la chaudière

Échangeur de chaleur en aval

Gazoil standard (< 1 000 ppm)

Dépôts importants problème

Faibles dépôts ⇒ admissible

Gazoil à faible teneur en soufre (< 50 ppm)

Faibles dépôts ⇒ autorisé

Pas de dépôt ⇒ autorisé

Traitement des condensats

La quantité de condensats formée lors du fonctionnement d’une chaudière à condensation est loin d’être négligeable. Le tableau suivant donne des valeurs théoriques de quantité  de condensats :

Pouvoir calorifique supérieur Hs (kWh/m³)

Pouvoir calorifique inférieur Hi (kWh/m³)

Hs/Hi

Hs – Hi (kWh/m³)

Quantité théorique de condensat (kg/m³)(1)

Gaz de ville

5.48

4.87

1.13

0.61

0.89

Gaz naturel LL

9.78

8.83

1.11

0.95

1.53

Gaz naturel E

11.46

10.35

1.11

1.11

1.63

Propane

28.02

25.8

1.09

2.22

3.37

Fuel domestique(2)

10.68

10.08

1.06

0.6

0.88

(1) Rapportée à la quantité de combustible.

(2) Pour le mazout EL, les indications se rapportent au litre.

En pratique, la quantité de condensats peut varier en fonction principalement :

  • de la température des fumées ;
  • de la température de l’eau de chauffage ;
  • du taux de charge de la chaudière.

Mais elle peut aussi varier en fonction du dimensionnement des échangeurs, de son efficacité, …
Le graphique suivant donne une idée du taux de condensation dans les chaudières :

Exemple : Pour un taux de charge de 0.6 (60 % de la puissance nominale) :

  • la température de départ de l’eau de chauffage est de 55 °C ;
  • la température de retour est l’eau de chauffage est de 50 °C ;
  • la température des fumées 57 °C ;
  • le taux de condensation est de 40 %.

La quantité de condensats récoltée est de 0.4 x 0.88 (kg/litre de fuel) = 0.35 (kg/l) ou 350 g d’eau par litre de combustible.

 La quantité de condensats à récupérer est plus importante au niveau du gaz par rapport au fuel. L’avantage de travailler avec du gaz est donc double :

  • Les rendements des chaudières gaz, comme on l’a vu ci-avant, sont meilleurs (théoriquement de 111 % pour le gaz naturel).

  • La neutralisation des condensats n’est pas requise.

Cependant, lorsqu’il n’est pas possible d’utiliser le gaz (pas de réseau à proximité), le mazout s’impose avec une contrainte supplémentaire que la neutralisation des condensats est requise en fonction de la qualité du fuel comme l’indique le tableau suivant :

Système de neutralisation

Gazoil standard (< 1 000 ppm)

Fortement recommandé

Gazoil à faible teneur en soufre (< 50 ppm)

Non prescrit

Les condenseurs séparés

 

Chaudière HR avec condenseur séparé.

Détails du condenseur séparé.

Lorsqu’on dépasse une certaine puissance de chaudière, les différents constructeurs ne proposent plus dans leur gamme des échangeurs à condensation intégrés, mais des condenseurs séparés et placés derrière à la sortie des gaz de combustions. Cette configuration est intéressante :

> En conception lorsque la puissance de chauffe souhaitée est supérieure à 1 500 kW ;

Concevoir 

Pour en savoir plus sur le dimensionnement et le choix des condenseurs séparés, cliquez ici !

> En rénovation lorsque les chaudières à haut rendement sont encore en bon état de marche.

Améliorer 

Pour en savoir plus sur le placement d’un condenseur séparé sur une installation existante, cliquez ici !

Conception

Suivant le constructeur, les condenseurs séparés peuvent travailler :

  • en permanence avec des chaudières gaz ;
  • avec des chaudières mixtes gaz/fioul, en permanence lorsqu’elles sont alimentées en gaz et temporairement lorsqu’elles le sont en fioul ;

Quel que soit le type de combustible, le condenseur séparé sera toujours conçu en inox de manière à bien résister à l’agressivité des fumées de combustion.

Condenseur séparé.

A.Trappe à fumée.
B. Surfaces d’échange.
C. Isolation.

Puissance des condenseurs

La puissance d’un condenseur externe associé à une chaudière classique est de l’ordre de 10 % de la puissance de la chaudière proprement dite. En effet, en parlant en termes de puissance, la chaleur résiduelle contenue dans les fumées de combustion ne dépasse pas les 10 voire 11 % de la chaleur que la flamme a donnée à l’échangeur de la chaudière. Attention, ces 10 % de puissance correspondent à un doublement de la surface d’échange total, car la température d’échange est beaucoup plus faible que dans la chaudière elle-même !!

Chaudière HR avec condenseur séparé.

Détails du condenseur séparé.

Côté hydraulique

D’un point de vue hydraulique, la configuration la plus souvent retrouvée est celle où le condenseur est placé en amont de la chaudière sur le retour d’eau chaude. En fonction de la température de retour du circuit de distribution, la vanne de "by-pass" de l’échangeur externe est plus ou moins ouverte :

  • plus basse est la température de retour plus le "by-pass" sera fermé privilégiant le passage du débit de retour dans le condenseur ;

  • à l’inverse, plus haute est la température de retour, plus le "by-pass" sera ouvert en évitant d’irriguer le condenseur séparé.

Seule une partie du débit passe dans le condenseur externe étant donné que l’on ne peut récupérer que de l’ordre de 11 % de l’énergie de condensation. Faire passer 100 % du débit augmenterait de façon inutile la résistance hydraulique de l’ensemble chaudière condenseur et dans la consommation électrique.

Côté fumée

D’un point de vue du parcours des fumées, l’échangeur à condensation externe est placé en série et en aval de la chaudière HR. Il reçoit les fumées de combustion extraites de la chaudière HR. Les températures à la sortie de la chaudière doivent être les plus basses possible, mais toutefois au-dessus du point de rosée afin d’éviter la condensation.

Circuits hydrauliques associés à une chaudière à condensation

Une chaudière à condensation n'a ses performances optimales que si elle est alimentée avec une eau à basse température, en tout cas inférieure à la température de rosée des fumées (de 53 à 58 °C pour les fumées issues de la combustion du gaz naturel, environ 45 °C pour les chaudières au mazout). Plus la température d'eau de retour est froide, plus la quantité de fumée condensée est importante et meilleur est le rendement.

La configuration des circuits de distribution doit donc être adaptée en conséquence avec comme principes :

  • De ne jamais mélanger, avant le condenseur, l'eau de retour froide et l'eau chaude de départ,
  • D'alimenter le condenseur avec les retours les plus froids.

 

Cumul imaginaire des recyclages d'eau chaude possibles vers la chaudière. Situations à éviter.

Exemples : schémas hydrauliques proposés par les fabricants de chaudières. Remarque : d'autres schémas sont également proposés par certains fabricants. Il est impossible de les reprendre tous ici. Certains sont particulièrement complexes, pour ne pas dire "biscornus". Nous ne critiquons pas ici leur efficacité énergétique. Nous pensons cependant qu'il est préférable de choisir les schémas les plus simples, pour des raisons de facilité de conception (diminution des erreurs de conception), de rationalisation de l'investissement et de facilité d'exploitation.

Chaufferie comprenant une chaudière à condensation pouvant fonctionner à débit variable

Exemple 1

La chaudière alimente des circuits de chauffage par radiateurs régulés en température glissante (garantis un retour le plus froid possible vers le condenseur) et une production d'eau chaude sanitaire. Les configurations de la régulation (où la température de départ de la chaudière peut rester constante) et du circuit primaire en boucle ouverte sont extrêmement simples (il n'y a pas de circulateur primaire). Des aérothermes devant fonctionner à haute température d'eau peuvent être raccordés de façon identique à la production d'eau chaude sanitaire.

ATTENTION : Le retour "haute température" by-pass une partie de la chaudière.  Pour l’ECS en été, la chaudière fonctionnera dans de mauvaises conditions !!!  Dans le cas de l’utilisation de deux retours d’eau, le retour "froid" doit rester le principal retour, avec min 60 % du débit contre 40 % max pour le retour "chaud", dans toutes les conditions d’exploitation.

Exemple 2

Le branchement de la production d'eau chaude sanitaire sur le retour "froid" de la chaudière est rendu possible par un dimensionnement de l'échangeur en régime 70°/40°. On peut également raccorder sur ce même retour froid, des batteries de traitement d'air dimensionnées en régime 70°/40° ou des ventilos-convecteurs dimensionnés en régime 55°/40°.

Exemple 3

La présence d'un circuit à très basse température comme le chauffage par le sol est à valoriser pour augmenter la condensation. La chaudière à condensation aura de bonnes performances si la puissance du circuit "basse température" équivaut au minimum à 60 % de la puissance thermique totale.

Chaufferie composée comprenant une chaudière à condensation pouvant fonctionner à débit variable, et une chaudière traditionnelle

Exemple 1

L'enclenchement des chaudières est régulé en cascade. Dans l'ordre d'enclenchement, la chaudière à condensation est prioritaire.

Exemple 2

Le fonctionnement de ce schéma est identique au précédent, mais avec une production d'eau chaude sanitaire fonctionnant en régime 70°/40°.

Exemple 3

La chaudière à condensation et la chaudière traditionnelle sont raccordées en série. La chaudière à condensation préchauffe l'eau de retour. Si la température de consigne du collecteur n'est pas atteinte, la vanne trois voies (1) bascule pour alimenter la chaudière traditionnelle qui se met alors en fonctionnement.

Chaufferie comprenant une chaudière à condensation devant fonctionner à débit constant : bouteille casse-pression et circulateur sur boucle primaire

La chaudière alimente en température glissante les circuits de chauffage par radiateurs.

Le débit constant dans la chaudière est obtenu au moyen d'une bouteille casse pression qui recycle une partie de l'eau de départ lorsque les vannes mélangeuses des circuits secondaires se ferment. Pour obtenir la condensation, malgré la possibilité de retour d'eau chaude de départ vers le condenseur (via la bouteille casse-pression), il est impératif que la température (1) à la sortie de la chaudière suive au plus près la température (2) des circuits secondaires et garantisse une ouverture maximale des vannes mélangeuses. Une régulation climatique peut assurer que la température des radiateurs est mieux adaptée aux besoins de chaleur et, donc, que les vannes mélangeuses sont plus ouvertes.

Ce type de schéma est plus complexe et risque de conduire à des performances moindres puisqu'il est quasi impossible d'empêcher le recyclage partiel d'eau chaude dans la bouteille casse-pression :

  • Les différents circuits n'ont jamais la même température de consigne,

  • Les circulateurs des circuits primaires et secondaires (et donc les débits mis en oeuvre) ne sont jamais dimensionnés avec la précision voulue.

De plus, il n'est guère possible de combiner une production d'eau chaude sanitaire avec ce type de chaudière. En effet, celle-ci ne pourra, à la fois, suivre au plus près la température des circuits secondaires et produire de l'eau chaude à plus de 60 °C.

Une solution est de placer un circulateur primaire à vitesse variable. Celui-ci diminuera sa vitesse lorsque la demande des circuits secondaires diminue, empêchant le recyclage d'eau chaude dans la bouteille casse-pression. Il s'agit cependant de rester dans les limites de débit exigé par la chaudière.

Par exemple, la régulation de la vitesse du circulateur peut être réalisée comme suit : la vitesse est augmentée si la température en amont de la bouteille (T°G) est supérieure à la température en aval de la bouteille (T°D) augmentée de 2 K. Inversément, elle sera diminuée si la T°G est inférieure à T°D + 2 K. De la sorte, on est assuré du fait que l'eau de retour remontera en faible quantité dans la bouteille et que l'eau de chaudière ne sera jamais recyclée.

Chaufferie composée comprenant une chaudière à condensation devant fonctionner à débit constant et une chaudière traditionnelle

Dans un tel schéma, la chaudière à condensation est prioritaire dans l'ordre d'enclenchement de la régulation en cascade.
Pour réguler une installation de ce type en favorisant au maximum la condensation sans créer d'inconfort, il est impératif que la consigne de température des chaudières soit d'une part très proche de la température des circuits secondaires (pour éviter un retour d'eau chaude via la bouteille casse-pression) et d'autre part, que cette température soit mesurée en aval de la bouteille casse-pression (en 2 et non en 1, pour éviter une incompatibilité de débit entre le circuit des chaudières et les circuits radiateurs).

Le risque de retour d'eau chaude dans la bouteille casse-pression est moins grand que dans le cas d'une seule chaudière. En effet lorsque les besoins sont moindres et que les vannes mélangeuses des circuits secondaires se ferment, on peut imaginer que seule la chaudière à condensation est en demande. Le débit primaire est alors diminué par 2.

On peut aussi imaginer que, le raccordement du retour vers les chaudières se fasse séparément au départ d'une bouteille casse-pression verticale. Le retour vers les chaudières traditionnelles se raccordera plus haut que le retour des circuits secondaires, qui lui-même sera plus haut que le retour vers la chaudière à condensation. Cette façon de faire permet de diriger le recyclage éventuel d'eau chaude dans la bouteille casse-pression vers la chaudière traditionnelle.

Cheminées associées à la condensation

Les produits de combustion issus d'une chaudière à condensation sont saturés en vapeur d'eau dont une partie va se condenser sur les parois de la cheminée. Cela exclut une évacuation par une cheminée traditionnelle en maçonnerie, car l'humidité provoquerait de graves dommages au bâtiment. De plus, la température trop froide créé une dépression naturelle.

Des solutions particulières ont donc été mises au point pour évacuer les produits de combustion des chaudières à condensation. On rencontre ainsi principalement les deux techniques suivantes :

  1. La cheminée étanche à l'humidité, en acier inoxydable ou matériau synthétique. Elle permet de maintenir une température inférieure au point de rosée sans que l'humidité ne la traverse et attaque la maçonnerie. Fonctionnant en surpression, elle est aussi étanche aux produits de combustion.

  2. Le tubage, qui s'applique en rénovation à une cheminée ancienne. Il doit être étanche, résistant à la corrosion et installé dans une cheminée. Le tubage doit pouvoir fonctionner en surpression dans toute sa longueur. Il peut être réalisé en conduit rigide ou flexible. Dans le cas d'un tubage en conduit flexible, l'aluminium, même de qualité requise, est interdit. Le bas du conduit d'évacuation des produits de combustion doit être équipé d'une purge munie d'un siphon et reliée au réseau d'eaux usées par un conduit en matériau résistant aux condensats, le tube en PVC est réputé convenir pour cet usage.

Notons qu'il existe un agrément technique concernant les conduits de cheminée utilisables en combinaison avec une chaudière à condensation. Seuls ceux-ci peuvent être choisis.

En principe, dans une chaudière à condensation la température des fumées est supérieure à la température de l'eau entrant dans la chaudière d'environ 5 °C. La température des fumées ne peut donc jamais dépasser 110 °C qui est la limite de fonctionnement d'une chaudière. Cependant pour pallier à un défaut de la régulation de cette dernière, un thermostat de sécurité coupant la chaudière si la température des fumées dépasse 120 °C doit être prévu dans les raccordements vers la cheminée en matériau synthétique.

Il est important aussi de signaler que l'on ne peut raccorder sur un même conduit de cheminée, une chaudière traditionnelle et une chaudière à condensation.

Notons également qu'il existe des chaudières à condensation à combustion étanche (dites "à ventouse") dont l'alimentation en air et l'évacuation des fumées se font par deux conduits concentriques (l'air est aspiré au centre et les fumées rejetées par le conduit extérieur). Une telle configuration est possible jusqu'à une puissance de 1 000 kW en conduit vertical et 160 kW en conduit horizontal.

Chaudières raccordées à un système de combustion étanche (à "ventouse").

Pour plus d'information concernant la conception des cheminées, cliquez ici !

Évacuation des condensats

À l'heure actuelle, il n'existe pas de normes ou de prescription en vigueur pour l'évacuation des condensats. De manière générale, les condensats sont évacués vers l'égout au moyen d'un conduit.

   

La première figure montre l'évacuation des condensats vers les égouts, la deuxième figure montre la face isolée arrière d'une chaudière à condensation au gaz avec son tuyau d'évacuation des fumées et son conduit d'évacuation des condensats (en blanc), tandis que la dernière figure montre la partie inférieure du conduit de cheminée munie d'un conduit d'évacuation des condensats.

En régime permanent, une chaudière gaz à condensation de 250 kW produit en moyenne environ 14 litres/h de condensat. Ces condensats pour le gaz naturel sont légèrement acides (H2O + CO2). Le degré d'acidité est du même ordre de grandeur que celui de l'eau de pluie (pH : 4 .. 4,5). De plus, l'acidité de ceux-ci est souvent compensée par le caractère plutôt basique des eaux ménagères. Ceci explique qu'il ne soit pas obligatoire de traiter les condensats avant leur évacuation à l'égout. Pour les grandes installations où la production de condensat devient importante devant la quantité d'eau domestique, il peut être judicieux de traiter les condensats avant de les évacuer.

Graphe représentant différents niveaux d'acidité et comparaison avec les condensats des chaudières mazout et gaz.

 

Dans le cas du mazout, le niveau d'acidité est plus important et est dû à la présence plus importante du soufre au sein du combustible. Le mazout extra, pauvre en Soufre, permet de limiter l'acidité. Dans ce cas de figure, les remarques pour les condensats des chaudières gaz peuvent être appliqué pour la chaudière au mazout extra. Dans le cas du mazout standard, nous conseillons le lecteur de clarifier la situation avec l'installateur ou le bureau d'études. En effet, dans les grandes installations (Pn > ~100 kW), une neutralisation des condensats pourrait s'avérer nécessaire, par exemple, dans le cas d'une utilisation continue de la chaudières (ex. piscine) qui occasionnerait une plus grande production de condensat. Pour relever le pH des condensats, on peut utiliser un bac de neutralisation équipé de filtres de charbon actif : les filtres devront être remplacés de manière périodique pour maintenir l'efficacité.

Dans le cas d'une chaufferie en toiture, il est recommandé de ne pas faire couler les condensats sur la toiture ou directement dans les gouttières (légère acidité, risque de gel et de bouchage des évacuations). Un conduit en matière synthétique raccordé directement à l'égout est indiqué.

 

 

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