Intégration hydraulique d’une chaudière à condensation

Plusieurs configurations de chaudières à condensation peuvent se présenter selon les spécificités d’un projet (réseau de chauffage haute et/ou basse température, production d’ECS, réseaux de chaleur,…). Il n’y a pas de solution unique, l’essentiel est de choisir un schéma hydraulique qui permettra à la chaudière de condenser le plus souvent possible, donc d’étudier les réseaux de distribution et le potentiel des émetteurs pour garantir les retours les plus froids possible.

Le point le plus important est d’utiliser une chaudière à condensation disposant d’un fort volume d’eau permettant d’avoir des pertes de charges les plus faibles possible et aucune contrainte de débit minimum. Ces deux données techniques sont des facteurs très importants qui entraînent des économies sensibles aussi bien lors de la mise en place que lors du fonctionnement de la chaudière.

En ce qui concerne la mise en place, ne pas avoir de contraintes de fonctionnement en termes de débit minimal permet une simplification à l’extrême des schémas hydrauliques (Fig. 3).
Cela permet l’intégration très facile de la chaudière dans toutes les configurations de chaufferies.

Figure 3 : Intégration hydraulique de la chaudière facilitée

Cette simplification hydraulique évite la mise en place, souvent obligatoire pour assurer le bon fonctionnement, de systèmes ou composants hydrauliques tels que pompe d’irrigation, bouteille de découplage, vannes d’équilibrages, etc… Tous ces éléments ont un coût non négligeable qu’il faut prendre en compte dans une offre de rénovation de chaufferie ou dans le cas de contrat d’exploitation.

Outre le coût, ces composants supplémentaires ne sont pas particulièrement favorables à l’efficience énergétique.

Une bouteille de découplage a un effet contre-productif sur le potentiel de condensation de la chaudière. Les retours d’expérience montrent que, dans le cas d’une production de chauffage seul, supprimer la bouteille de découplage (ce qui évite des retours chauds) permettra de profiter pleinement de la chaleur latente des fumées. Le gain sur le rendement sera de 2,5 à 3 %.

Le rajout d’une pompe d’irrigation pour des chaudières à forte pertes de charges ou à faible volume d’eau va également augmenter de manière sensible la consommation d’énergie électrique des auxiliaires. Et c’est un élément qui peut tomber en panne et créer un dysfonctionnement du système. Tout ajout de composant génère de la maintenance et des coûts supplémentaires. 

Les chaudières à condensation sans contrainte de débit permettent également l’installation de pompes à débit variable ou d'hydro-ejecteurs qui offrent le grand avantage d’adapter en permanence le débit de l’installation aux variations des besoins entre le jour et la nuit mais également dans la journée selon les changements de température extérieure, l’utilisation du bâtiment et éventuellement les apports gratuits qui interagissent sur les organes de régulation de proximité.

Cela permet de garantir des écarts de température élevés et ainsi, d’abaisser la température de retour, de favoriser la récupération de la chaleur latente sur les produits de combustion et ainsi d’augmenter le rendement avec pour conséquence une réduction de la consommation d’énergies directe et indirecte (combustible et électricité des auxiliaires). Ainsi, condenser en produisant de l'ECS devient possible.

Les chaudières à volume d’eau important se dédouanent d’un débit minimum d’irrigation. La régulation de la chaudière permet donc d’abaisser les vitesses de circulation des pompes à débit variable. Le fait de diminuer la vitesse permet d’augmenter le ∆T (écart de température entre entrée et sortie) des émetteurs. Cela induit un retour plus froid vers la chaudière à condensation et d’augmenter le gain de la chaleur latente par la condensation.

Efficacité de l’échange améliorée pour une chaudière gaz condensation

La performance d’une chaudière à condensation est aussi directement liée à la technique d’échangeur des fumées utilisée qui améliore le coefficient de transfert thermique qui doit induire un pincement faible.

Pincement : Ecart de température entre les retours des circuits de chauffage et les fumées.

L’incidence du pincement thermique entre la température des fumées et la température de retour est plus favorable à la performance globale.

Un pincement très faible augmente sensiblement le niveau de production des condensats et par la même occasion l’effet auto-nettoyant (Fig. A).

Ce qui permet aux chaudières à condensation ayant des échangeurs fonctionnant en co-courant d’avoir en permanence des surfaces d’échanges propres et par la même occasion de ne pas avoir de pertes de rendement liées à l’encrassement de l’échangeur (Fig. B).

L’efficience environnementale joue un rôle de plus en plus important. L’évolution du règlement européen 813/2013 au 26 septembre 2018 imposera pour les chaudières à condensation gaz inférieures ou égales à 400 kW des émissions de Nox < 56 mg/kWh PCS.
Certaines chaudières à condensation de par leur conception optimisée et l’utilisation de brûleurs spécifiquement adaptés à cette technologie permettent d’être à la pointe de cette efficience.

Les chaudières disposant d’un foyer traversant génèrent moins de Nox dans la mesure où les fumées ne font pas de demi-tour dans la chambre de combustion et passent directement du foyer aux surfaces d’échange. Il n’y a pas d’échauffement des gaz de combustion donc réduction des émissions de NOx Thermique.

Chaudière avec foyer traversant

Grâce au volume en eau important, l'inertie thermique des chaudières à condensation est supérieure à celles ayant un faible volume d’eau. Cette inertie thermique (eau = 1,163 Wh/kg/K) accrue permet une meilleure modulation du brûleur par rapport aux besoins thermiques du bâtiment. Cela génère sensiblement moins de démarrage-arrêt que les chaudières à faible volume d’eau. Moins de cours cycle donc pas d’usure brûleur intempestive. Moins de pollution car moins de démarrage-arrêt brûleur (moment où le brûleur émet le plus de CO) et moins de pertes par pré et post-balayage du ventilateur du brûleur au démarrage et à l'arrêt.

L’utilisation des brûleurs type radiant cylindrique ou hémisphérique ou plat permet également d’améliorer l’efficience environnementale. De par sa conception, le brûleur ne dépasse pas une température de 900 °C en surface et reste ainsi largement inférieur à la limite de production maximum de NOx qui se situe aux alentours de 1200 °C (Fig. ci-dessous).

Brûleur radiant permettant de ne pas dépasser une température de 900 °C en surface.

Dans un contexte d’approvisionnement en gaz toujours plus tendu, les gestionnaires de réseaux de distribution font le choix d’une multiplication des sources de gaz et il en résulte une qualité de gaz fluctuante au niveau de la chaudière – mélange des gaz L et H dans les réseaux, part de biométhane grandissante –.
Dans cette optique, en association avec des brûleurs type radiant, la gestion de combustion type « autoadaptation » à la pointe de la technologie permet d’assurer en permanence une parfaite adéquation entre les paramètres de combustion et s’adapte en continu à la qualité de gaz réelle. Cette gestion de combustion détecte immédiatement les variations de la qualité du gaz, les modifications de la pression d’air et neutralise automatiquement leur effet par une bonne adaptation du mélange air gaz.

La technologie type « auto-adaptation » est une révolution sur le marché des chaudières de moyenne puissance. Elle a fait ses preuves puisqu’elle équipe déjà certaines chaudières murales depuis 2007.

Ainsi, la combustion reste stable et écologique avec des performances toujours aussi élevées. L’ensemble électronique gaz/air se calibre tout seul.

• Adaptation automatique à la qualité du mélange air / gaz
• Rendement garanti quel que soit le PCI du gaz
• Optimisation continue de la combustion
• Faibles émissions polluantes, en particulier les NOx
• Réglages brûleur réduits au minimum

La maîtrise totale de la combustion avec ce type de gestion de combustion permet d’atteindre un gain de 3 % sur le rendement global annuel de la chaufferie.