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Chauffage de proximité

Principe:

Les systèmes de chauffage de proximité sont un ensemble d’équipements de chauffage permettant un apport d’énergie thermique de façon très précise dans l’espace et le temps. En particulier, il s’agit de dispositifs mobiliers permettant de chauffer directement le corps, par conduction (contact) ou rayonnement infra-rouge. Ils s’utilisent en complément du système de chauffage central pour assurer le confort individuel, en particulier dans une approche de slowheating.

Palette de solutions

On peut considérer un grand nombre d’équipements mobilier ou vestimentaires comme des chauffages de proximité. C’est pourquoi le projet de recherche Slowheat en propose une classification pour les espaces de logement sur base de leur sobriété énergétique. Cette classification, adaptée ici pour des usage de (télé)travail, les présente comme prioritaires sur le chauffage central :

Classe	Puissance	Familles de solutions	Exemples
Classe A, le bon sens non-énergétique	0 watts	Habillement, cloisonnement, acclimatation, adéquation de l’activité	Mettre un pull, fermer une porte, alterner des périodes statiques et des périodes de mouvement…
Classe B, le chauffage de proximité basse puissance des corps [Par conduction]	± 50 W/corps	Accessoires vestimentaires et/ou du mobilier chauffants en contact avec le corps.	Chaise chauffante, gilet chauffant, sous-clavier chauffant…
Classe C, le chauffage de proximité moyenne puissance de l’environnement proche des corps [Principalement par rayonnement]	± 300 W/corps	Par des éléments radiants et/ou du mobilier chauffant à proximité directe des bénéficiaires.	Panneau radiant, table chauffante…
Classe D, le chauffage centralisé d’une pièce entière [Principalement par convection]	± 1 500 W/pièce	Les vannes thermostatiques, le(s) radiateur(s) en place, un thermostat adapté.	Chauffer une pièce à 15-17° quand on y est pour que les solutions ABC restent suffisantes.
Classe E, le chauffage centralisé du bâtiment entier	±5 000 W/logement	Le chauffage central	Garder le chauffage central en alerte pour maintenir le bâtiment hors gel (8 °C) ou à une température « de passage”, par exemple 12-15 °C.

Outre les accessoires mobiliers, des éléments de chauffage plus classiques pourraient être considérées comme des systèmes de chauffage de proximité. On pense notamment aux plafonds chauffants. Il faut cependant pour cela qu’ils répondent à trois exigences :

Etre pensés à une petite échelle : il ne s’agit pas ici d’élément chauffant uniformément un grand espace.
Pouvoir se réguler directement par l’occupant, en fonction de son ressenti, et non sur base d’une consigne d’ambiance.
Avoir une grande réactivité : pas plus de quelques minutes entre la demande de chaleur et le ressenti par l’occupant.

Efficacité énergétique

La littérature scientifique exprime souvent l’impact de ces système de chauffage en « degrés équivalents ». L’idée est la suivante : on mesurer le confort d’une cohorte d’individus dans une ambiance de référence, sans équipement de chauffage de proximité, puis le confort d’une autre cohorte dans une ambiance plus fraiche mais avec la possibilité d’utiliser de tels équipement. En multipliant les expériences pour différentes températures d’ambiance, on peut identifier celle qui mène à une satisfaction moyenne équivalent à la situation de référence. L’écart entre cette température et celle de référence donne une idée de l’impact des équipements testés.

Parallèlement, la consommation d’énergie liée à ces dispositifs peut être monitorée, et exprimée en watt par degré d’ambiance compensé.

De façon plus synthétique, un « review » de la littérature publié en 2022 a identifiée 20 études rigoureuses impliquant des systèmes de chauffage individuels, de 5 types différents((Thermal comfort and energy performance of personal comfort systems (PCS): A systematic review and meta-analysis, Song, Z. Zhang, Z. Chen, F. Wang and B. Yang, Energy and Buildings 2022 Vol. 256, DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.111747)) : chaises chauffantes, chauffes pieds, tapis de sol chauffant, souffleur d’air chaud de table ou une combinaison de solutions. Leur analyse est résumée par la figure suivante, qui met en regard la température d’ambiance de confort pouvant être atteinte et la consommation d’énergie de compensation par le système de chauffage individuel :

Efficacité de différents dispositifs de chauffage de proximité, mesurée par la puissance nécessaire par degré de réduction d’ambiance pour un confort équivalent. Inspiré de Song et al, 2022.

On voit un potentiel de réduction des températures très importante, mais aussi très variable selon les études, signe d’une grande diversité de potentiel selon les dispositifs testés. Ce qui semble clair par contre c’est la très faible puissance nécessaire pour assurer le confort dans ces températures basses : de l’ordre de l’une ou l’autre dizaine de watt par degré (et par personne). En effet, parmi les dispositifs testés, les chaises chauffantes semble avoir la meilleure efficacité énergétique (moins de watt par degré de réduction d’ambiance). A l’opposé, des tapis de pied chauffants seraient les moins efficaces au niveau énergie.

Parties du corps à viser

Concernant les zones du corps à viser en priorité, un autre review indique que dans un environnement froid, c’est l’apport de chaleur au niveau de l’abdomen qui serait perçu comme le plus confortable((Effectiveness of personal comfort systems on whole-body thermal comfort – A systematic review on which body segments to target, W. Luo, R. Kramer, Y. de Kort and W. van Marken Lichtenbelt, Energy and Buildings 2022 Vol. 256, DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.111766)). Par contre, l’apport de chaleur au niveau de la tête n’aurait que très peu d’impact.

Quant aux extrémités (mains et pieds), zones sensibles au froid, elles seraient positivement affectées par une apport de chaleur indirect au niveau du torse et du bas du dos, signe que des apports de chaleur locaux peuvent avoir des impacts plus larges sur le corps. Mais avec des limites : la perception de chaleur au niveau de la tête étant par exemple très peu impactée par un apport de chaleur sur d’autres parties du corps.

L’un dans l’autre, il semble que c’est la combinaison d’un apport de chaleur au niveau du torse (grande surface de contact) pour le confort général et au niveau des extrémité (zone sensible) pour la résolution d’inconforts localisés qui soit le plus efficace…. Si nous sommes relativement peu vêtus. Si l’on multiplie les couches vestimentaires, en particulier au niveau du torse, c’est l’apport de chaleur a niveau des extrémités qui devient crucial.

« The current knowledge indicates that, in an office context, in mild excursions outside the thermal comfort zone, hands and feet are the sources of thermal discomfort in the cold and the head is the source of thermal discomfort in the warmth. A novel Personnel Comfort System scheme, which targets only the extremities and head, is suggested. This scheme may eliminate the local thermal discomfort of the extremities and head while maintaining the thermal excitation to the torso in mild cold/warm conditions, thus providing a solution for creating a healthy and comfortable indoor environment. »((id.))

Dispositif de confor de proximité idéal : le torse correctement couvert mais laissé en interaction avec l’ambiance (1 et 3), tandis que les extrémités reçoivent des apports spécifique, de chaleur en hiver sur les pieds et les mains (2) et de faicheur sur la tête en été (4). D’après Luo et al, 2022.

Retours d’expériences

Différentes expériences de mise en œuvre des principes du slowheating, incluant le recours à des systèmes de chauffage de proximité sont racontées dans nos études de cas (dans une école, dans un bureau, dans une administration). De celles-ci, nous pouvons tirer les enseignements suivants :

Il est important que la puissance puisse être modulée. Jouez sur l’intensité ou sur des cycles marche-arrêt.
Tout le monde n’apprécie pas les mêmes apports de chaleur. Les sous-claviers chauffants semblent récolter une quasi-unanimité. Mais les apports de chaleur sur le dos et, surtout, les cuisses, ne plaisent pas à tout le monde. Il est donc important de prévoir différents dispositifs et de laisser chacun expérimenter.
Les expériences de partage de dispositifs dont nous avons eu vent ne semblent pas concluantes. A priori, à chacun son matériel. Surtout s’il s’agit d’élément en contact avec le corps.
Les études de cas montrent beaucoup de frustration. La qualité et durabilité des éléments actuellement présents sur le marché pose question.

Publié par : Gregory Leonard 9 Mar, 2023

La démarche Slowheat

De quoi s’agit-il ?

Slowheat est une démarche mettant en question le principe du maintien des températures intérieures dans les zones dites “de neutralité thermique”. Elle lui préfère une approche basée sur le chauffage direct des corps, l’adaptation comportementale, sociale et physiologique, et la valorisation des fluctuations naturelles des conditions d’ambiances. Le chauffage des espaces y est vu comme la solution de dernier recours. Cette démarche vient donc en complémentarité des efforts de rénovation énergétique. Elle offre un moyen d’action à court terme, complémentaire ou supplétif aux opérations de rénovation “classiques” qui nécessairement devront s’étaler dans le temps.

Slowheating (n.m.) : Pratique de chauffage développée dans le projet éponyme qui adapte nos façons d’habiter autour de sept principes et d’une idée centrale qui consiste à chauffer les corps distinctement des bâtiments. Elle poursuit l’objectif de concilier au mieux modération de la consommation et bien-être des habitants((Rapports de recherche Slowheat, disponibles sur www.slowheat.og)).

Principes

Les développeurs du slowheating proposent d’articuler cette pratique sur 7 principes :

On libère la pratique du chauffage. Chacun peut faire différemment selon ses besoins et son mode de vie.
On rediscute les normes de confort dans le ménage et dans la société plus largement. 20°C partout et tout le temps, c’est une construction sociale qui peut être questionnée.
On (ré)chauffe les corps de multiples manières. Différentes sensations de froid peuvent justifier différents moyen de se réchauffer.
On choisit de façon empirique les solutions qui nous conviennent. A chacun de se saisir de concept et d’essayer concrètement jusqu’à trouver son équilibre.
Toute consommation d’énergie est maîtrisée, elle est le fruit d’une décision raisonnée. Attendons d’avoir (un peu) froid pour chauffer.
Cette décision se base sur nos besoins et nos ressentis du moment : écoutons nos corps. Tant qu’on est bien, pourquoi chauffer ?
On favorise les voies les moins énergivores pour répondre à nos besoins en fonction des contraintes du moment. Apportons la chaleur où et quand c’est nécessaire. C’est le principe du chauffage de proximité.

Ressources

Nous vous invitons à découvrir la démarche slowheat en parcourant le site consacré à cette recherche : https://www.slowheat.org/recherche

Ce site a été réalisé par une coalition de cochercheurs née en octobre 2020, composée d’une vingtaine de citoyens dont 4 sont également présents en tant que chercheurs universitaires interdisciplinaires (Architecte, Ingénieur, Sociologue…) et 2 en tant que professionnels du terrain et des processus participatifs.

N’hésitez pas également à découvrir les pages Energie+ dédies aux solutions de chauffage de proximité, et à divers retours d’expérience (école, bureau, administration). En particulier, l’expérience Slowheat réalisée à l’école des Bruyères de Louvain-la-neuve :

Slowheat à l’école des Bruyères

Publié par : Sylvie Rouche 9 Mai, 2019

Géothermie [Le chauffage – PAC]

Principe

À l’état naturel, le sous-sol garde une température constante de l’ordre de 10 … 12 °C à partir d’une profondeur d’une dizaine de m.

On peut donc logiquement imaginer que celui-ci puisse servir de source naturelle de froid. Il suffirait qu’un réseau véhiculant un fluide caloporteur le parcoure pour produire de l’eau à température adéquate pour refroidir un bâtiment.

On appelle cela du « géocooling ».

De même, une température de 10 .. 12 °C plus élevée et plus stable que la température extérieure hivernale est une température intéressante pour servir de source froide à une pompe à chaleur, en l’occurrence sol/eau, pour chauffer le bâtiment en hiver.

On parle alors de « géothermie ».

Refroidissement en été et chauffage en hiver vont d’ailleurs souvent de pair. En effet, si en été on extrait du « froid » du sol, ce dernier se réchauffe progressivement. Si cette opération se répète d’année en année, sans autre perturbation, le sol verra sa température moyenne augmenter jusqu’à ne plus être exploitable.

Dès lors pour éviter ce phénomène, il s’agit de régénérer le sol chaque hiver en extrayant la chaleur accumulée en été grâce à une pompe à chaleur.

On parle alors de « STOCKAGE GEOTHERMIQUE » : la chaleur du bâtiment est transférée dans le sol en été quand elle est gênante pour être utilisée en hiver quand elle est nécessaire.

Technologie des sondes géothermiques

Les systèmes fermés et ouverts

On parle de système fermé si un fluide caloporteur circule dans le sol dans un circuit fermé.

On retrouve principalement 3 types de systèmes fermés : les forages ou sondes géothermiques, les pieux géothermiques et les nappes horizontales.

3 types d’échangeur géothermique : les pieux, les sondes et les nappes.

Source : Rehau.

On parle de système ouvert lorsque c’est l’eau de la nappe phréatique ou du lit d’une rivière qui est pompée pour échanger sa chaleur avec le bâtiment et réintroduite en aval du sens d’écoulement souterrain.

Forages géothermiques

Dans ce cas les « échangeurs géothermiques » ou « sondes géothermiques » sont pour la plupart constitués de forages verticaux (diam 150 mm) d’une profondeur de 50 à 400 m (souvent 100 .. 150 m). Chaque forage contient des conduites, le plus souvent en polyéthylène (DN 32) disposées en double U et enrobées d’un coulis de ciment/bentonite (le « grout ») assurant la protection mécanique tout en permettant une certaine souplesse indispensable pour résister aux mouvements de sol.

Source : REHAU.

L’ensemble des forages forme ainsi un champ de sondes espacées entre elles de 6 à 10 m, pour limiter les interférences thermiques. Les sondes sont raccordées entre elles via des collecteurs, en série ou en parallèle ou un mix des deux.

Le champ de sondes peut être disposé à côté du bâtiment ou même sous le bâtiment (par exemple en ville).

Variantes : Sondes coaxiales en acier

Les forages géothermiques présentent une série de contraintes comme :

la nécessité d’espace pour effectuer les forages;
la gestion du forage au travers de couches de sous-sol parfois hétérogènes;
la nécessité de maximiser l’échange de chaleur tout en garantissant la tenue mécanique des sondes,
…

Cela conduit les fabricants à proposer des alternatives aux sondes traditionnelles en « double U ».

Il existe ainsi des sondes coaxiales : l’eau en provenance du bâtiment circule dans la périphérie de la sonde et revient par le cœur pour délivrer son énergie au bâtiment.

Exemple de sonde coaxiale en PE : le fabricant annonce que les performances d’une sonde de dimension 63 mm / 40 mm
correspondent à une sonde géothermique double U de dia. 32 mm.

Source : www.hakagerodur.ch

Pour encore augmenter l’échange thermique avec le sol les sondes peuvent être réalisées en acier (avec protection cathodique) ou en inox, sans enrobage : le tube périphérique est en métal et le tube intérieur en PE.

L’augmentation du transfert de chaleur, permet alors réduire le nombre de forages et la longueur des sondes. Ainsi des tests de réponse thermique montrent qu’en moyenne, les sondes coaxiales en inox ont une résistance thermique 2 fois moindre qu’une sonde avec doubles U en PE. Cela permettrait une puissance d’extraction de 10 à 20 % supérieure.

Exemple de sondes en acier, à visser (longueur de 3 m).

Source : Thermo-pieux.

Exemple de sonde en inox introduite par forage ou « vibro-fonçage ». La profondeur peut atteindre une centaine de mètres.

Source : geo-green.

La technologie des sondes coaxiales ouvre la porte à des installations avec des forages en étoile au départ d’un point d’entrée unique dans des lieux où l’accès pour des forages parallèles espacés n’est pas possible (par exemple, une cour intérieure dans un site existant).

Forages en « étoile » : on parle dans la littérature de « racines géothermiques ».

Pieux géothermiques

Une alternative aux forages consiste à intégrer les échangeurs géothermiques aux pieux de structure d’un bâtiment. Cela se justifie parce que ceux-ci sont souvent nécessaires dans des sous-sols humides, sous-sols favorables aussi à la géothermie.

On justifie cette technique par un souci de rationaliser les techniques en les combinant. Cependant, la pratique ne prouve pas que les coûts soient inférieurs par rapport à des installations distinctes. La mise en œuvre des pieux se complique également. La gestion de l’installation doit également interdire que les pieux de fondation ne gèlent en mode de chauffage hivernal.

Exemples de réalisation : La crèche de l’île aux oiseaux, ville de Mons : 16 pieux géothermiques de 10 m.

La crèche de l’ile aux oiseaux de Mons.

Aéroport de Zurich : 350 pieux géothermiques de 30 m de profondeur.

Nappes horizontales

La géothermie se décline également sous la forme de nappes de tuyaux déployés horizontalement à faible profondeur (0,6 à 1,2 m).

Le système est peu applicable dans le secteur tertiaire. En effet,

Il demande une surface de terrain très importante : de 28 à 100 m²/kW de puissance de chauffage nécessaire.

En hiver, elle peut conduire à un refroidissement excessif du sol préjudiciable à la végétation.

L’utilisation en refroidissement n’est guère possible, la température du sol étant fortement soumise à l’environnement extérieur.

Alternative pour les bâtiments de taille réduite : les sondes de faible profondeur.

Pour les petits projets, pour lesquels un forage n’est pas autorisé et où les systèmes horizontaux ne disposent pas de surface suffisante, certains fabricants proposent des sondes de petite taille constituées d’un échangeur spiralé. Ce système permet notamment de limiter l’influence que peut avoir la géothermie sur la couche de sol où se développe la végétation.

Source : SANA FONDATIONS sprl.

Cas particulier : le puits canadien

Le puits canadien ou puits provençal constitue une forme de géothermie puisque l’air neuf de ventilation est prétraité (chauffé ou refroidi) par son passage dans le sol.

Techniques

Pour en savoir plus sur le puits canadien.

Schémas de principe

Traditionnellement, on retrouve 2 types de schéma de principe, selon que le froid est produit par échange direct avec le sol soit par la pompe à chaleur réversible utilisant le sol comme source chaude. Une troisième configuration se retrouve lorsqu’on puise directement l’eau de la nappe phréatique.

Free cooling direct

En été : le froid est produit par échange direct avec le sol et distribué via un échangeur vers les unités terminales. Le géocooling est ainsi mis en œuvre moyennant uniquement la consommation de pompes. Si on compare cette consommation à l’énergie frigorifique produite, on calcule un ESEER équivalent du système de l’ordre de …12…, voire plus en fonction des dimensionnements des équipements. Souvent une machine de production de froid vient en appoint pour satisfaire les demandes de pointes ou pour alimenter des utilisateurs demandant des températures d’eau plus basses (comme les groupes de traitement d’air).

En hiver, le sol sert de source froide à une pompe à chaleur sol/eau. Le coefficient de performance saisonnier obtenu varie entre 4,5 et 5,5. Une chaudière est utilisée en appoint pour couvrir les pointes de puissance par grands froids. Généralement, le système est dimensionné pour que la PAC couvre environ 70 % du besoin de chaud grâce à environ 30 % de la puissance totale nécessaire.

Recharge du sol par pompe à chaleur réversible

La pompe à chaleur sol/eau est réversible. En été, elle fonctionne comme un groupe de production d’eau glacée en utilisant le sol pour évacuer la chaleur de son condenseur régénérant ainsi ce dernier.

L’avantage d’un tel système est de mieux gérer la recharge du sol et peut-être de pouvoir se passer d’un groupe de froid d’appoint et d’un échangeur intermédiaire. L’investissement est donc moindre.

En contrepartie, alors que l’on peut toujours parler de stockage géothermique, il ne s’agit plus réellement de géocooling naturel puisqu’il est nécessaire de faire fonctionner une machine thermodynamique pour extraire le « froid » du sol. Le bilan énergétique global est donc moins favorable.

Systèmes ouverts

Si la nappe phréatique se situe près de la surface du sol, on peut envisager de puiser directement l’eau dans cette dernière plutôt que de la parcourir avec un échangeur et un fluide caloporteur. On parle de système ouvert. Dans ce cas, l’eau de la nappe sert par l’intermédiaire d’un échangeur :

En mode chauffage, de source froide à une pompe à chaleur.
En mode refroidissement, de source de froid directe pour une boucle d’eau.

L’eau puisée est ensuite réinjectée dans la nappe à une certaine distance créant ainsi 2 zones dans la nappe phréatique à températures différentes, l’eau passant de l’une à l’autre en fonction de la saison :

En hiver une zone se refroidit par l’eau réinjectée après échange avec la pompe à chaleur.
En été l’eau est pompée en sens inverse de cette zone et réinjectée plus chaude dans la zone de puisage hivernal.

Étant donné les mouvements dans les nappes phréatiques et en fonction de la distance entre les zones chaude et froide, l’influence d’un éventuel déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement est nettement moindre dans le cas d’un système ouvert par rapport à un système fermé.

En outre, il est également possible de produire du chaud et du froid en même temps dans le bâtiment. En effet, si nécessaire, l’eau pompée de la nappe peut être dirigée à la fois vers la pompe à chaleur et vers l’échangeur de géocooling ou vers un échangeur commun entre les productions de chaud et de froid.

Exemples d’installations

Le schéma ci-dessous est proposé par un constructeur allemand. Il permet le chauffage par pompe à chaleur, le refroidissement libre par un échangeur vers les sondes géothermiques, éventuellement assisté par le fonctionnement réversible de la pompe à chaleur.

Le schéma ci-après, plus complet, permet un fonctionnement mixte en mi-saison : une chaudière alimente la zone périphérique en chaleur, alors que simultanément, la zone centrale est refroidie par l’échangeur dans le sol via la pompe à chaleur. Attention cependant à la destruction d’énergie qui pénalise l’intérêt énergétique de ce système.

Unités terminales associées

Les performances de la pompe à chaleur et du géocooling sont fortement dépendantes du régime de température des unités terminales :

Plus la température de l’eau de distribution est basse en saison de chauffe (température max de l’ordre 50 .. 55 °C), meilleur sera le rendement de la PAC et plus elle est élevée en été (température min de l’ordre de 15 .. 17 °C) plus grande sera la quantité d’énergie extractible directement du sol.

On doit donc choisir des unités terminales compatibles avec ces températures :

Plafonds refroidissants ou ilots rayonnants
- avantages : peu d’inertie thermique et donc rendement de régulation élevé, contrôle facile de la température ambiante, réversible chaud/froid;
- inconvénients : puissance plus limitée (plafonds).

Exemple d’îlot rayonnant.

(Source : Interalu).

Dalles actives
- avantages : stockage de nuit et donc limitation de la puissance à installer;
- inconvénients : inertie thermique importante et donc contrôle difficile de la température et rendement de régulation dégradé. Peu de flexibilité spatiale et difficulté d’utilisation en chauffage (nécessité d’un second système). Absence de faux plafond (gestion des techniques et de l’acoustique).

Convecteurs surdimensionnés

Étude d’un projet de géothermie

Un projet de géothermie consiste à mettre en corrélation le comportement thermique du bâtiment et celui du sous-sol. Tout cela se passe de façon dynamique : les besoins varient, le sol se charge, se décharge, échange avec son voisinage tout cela sur une échelle de temps quotidienne, mais aussi saisonnière. Cela justifie l’utilisation d’outils de simulation thermique dynamique prenant en compte la variabilité des besoins, des échanges et l’inertie du système.

Étapes de l’étude d’un projet de géothermie :

Définir les besoins par simulations dynamiques en évaluant différentes variantes de manière à trouver le bon équilibre entre le besoin de chaud et de refroidissement du bâtiment (niveau d’isolation, type de vitrage, protections solaires, …).

Besoins simulés de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment, h par h ou 1/4h par 1/4 h.

Connaître la nature du sol par études géologique et hydrogéologique pour préévaluer les caractéristiques physiques et thermiques du sous-sol et pour évaluer les éventuels risques liés aux forages (présence de nappes phréatiques, de couche argileuse, de quartzites, …). Cela permet de prédéfinir la pertinence et la configuration des forages (par exemple, leur longueur minimale et maximale en fonction des couches de sous-sol susceptibles d’être rencontrées).

Pour exemple, voici quelques données moyennes :

Caractéristiques du sol	Puissance spécifique d »extraction
	Sur 1 800 heures de fonctionnement	Sur 2 400 heures de fonctionnement
Valeurs indicatives générales
Sous-sol de mauvaise qualité (sédiment sec) (λ < 1,5 W/m²K)	25 W/m	20 W/m
Sous-sol rocheux normal et sédiment saturé en eau (λ < 1,5 – 3.0 W/m²K)	60 W/m	50 W/m
Roche compacte à conductibilité thermique élevée (λ < 3,0 W/m²K)	84 W/m84 W/m	70 W/m
Minéraux respectif
Gravier et sable secs	< 25 W/m	<20 W/m
Gravier et sable aquifères	65 – 80	55 – 65 W/m W/m
Dans le cas de fort courant des eaux souterraines dans le gravier ou le sable et d’installations uniques	80 – 100	80 – 100 W/m
Argile et glaise humides	35 – 50 W/m W/m	30 – 40 W/m
Calcaire (massif)	55 – 70 W/m	45 – 60 W/m
Grès	65 – 80 W/m	55 – 65 W/m
Roche magmatique acide (par ex. granit)	65 – 85 W/m	55 – 70 W/m
Roche magmatique basique (par ex. basalte)	40 – 65 W/m	35 – 55 W/m
Gneiss	70 – 85 W/m	60 – 70 W/m

Puissances traditionnelles extractibles.

Source Rehau.

Effectuer un test de réponse thermique (« TRT »). Il s’agit de réaliser un forage en taille réelle et de le soumettre à une sollicitation thermique pour pouvoir calculer la conductibilité et la capacité thermique du sol et la résistance thermique des sondes, en moyenne sur toute la longueur de la sonde. Cette sonde test pourra ensuite être valorisée dans le champ de sondes final.

Source : Group Verbeke.

Dimensionner le champ de sondes au moyen d’un logiciel de simulation dynamique du sous-sol : simulation du comportement du sol compte tenu des besoins du bâtiment (heure par heure) et des caractéristiques thermiques des sondes prévues et du sol (définies par le TRT) ; optimalisation de la puissance de la PAC, du nombre et de la profondeur des sondes en s’assurant de l’équilibre à long terme de la température du sol.

Dimensionnement de l’échangeur de sol

Pour le dimensionnement des collecteurs de sol, des réfrigérateurs de plaques de fond ou de réservoirs de fondations, il est possible de consulter la DIN ISO EN 13370 « Transmission de chaleur par le procédé de calcul terrestre ».

L’objet de cette norme est l’examen du transfert de la chaleur en tenant compte des paramètres (tuyaux, isolation, masse géométrique du bâtiment, etc.) et de la conduite d’exploitation. La ligne directrice VDI 4640 « Utilisation thermique du sous-sol » convient pour l’évaluation du rendement (puissance) d’un chauffage. De plus, elle fournit des indices de planification concernant les permissions et les conditions additionnelles liées à l’environnement, mais (à notre connaissance en octobre 2003) elle n’aurait pas encore été adaptée sous l’aspect « été » du réfrigérateur.

D’après la norme DIN ISO EN 13370 (traduction non officielle !), les tableaux suivants donnent une vue d’ensemble sur les capacités d’extraction des collecteurs de chaleur et des sondes géothermiques (capacité des pompes de chaleur jusqu’à max. 30 kW) :

> S’il s’agit de collecteurs situés à côté du bâtiment (en W/m²) :

	Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol	Exploitation 1 800 h / saison	Exploitation 2 400 h / saison
Sol sec, non cohérent	10	8
Humide, cohérent	20…30	16…24
Sable, gravier, imbibés d’eau	40	32

> S’il s’agit de sondes géothermiques (en W/m courant) :

	Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol	Exploitation 1 800 h / saison	Exploitation 2 400 h / saison
Sédiments secs et peu conducteurs (Lambda < 1,5 W/m.K)	25	20
Roche, sédiments imbibés d’eau (Lambda > 1,5 … 3 W/m.K)	60	50
Roche dure très conductrice (Lambda > 3 W/m.K)	84	70

L’adaptation des calculs détaillés est de plus indiquée dans les cas suivants :

Modification des heures de services des pompes à chaleur par rapport aux hypothèses de base;
plus grande nécessité de chaleur pour la préparation d’eau chaude;
effet régénérateur du sol suite à un apport de chaleur par réfrigération de locaux ou à un rechargement thermique solaire;
grande influence des eaux souterraines (nappe phréatique).

Les valeurs de référence pour les capacités d’extraction de chaleur en hiver ne sont pas directement applicables à l’activité en été. Différentes causes sont à la base des écarts entre les capacités d’extraction et d’incorporation :

Lors du fonctionnement en hiver, une couche de glace se forme autour de la sonde ou des tuyaux, et influence favorablement la transmission thermique par conduction. En été, le sol peut au contraire sécher davantage, ce qui est défavorable.

Les couches terrestres proches du sol sont soumises à de si fortes influences climatiques qu’il faudrait parler non pas d’éléments de construction thermiques, mais plutôt d’éléments de construction solaires thermiques dans le cas de collecteurs de terre classiques non bâtis.

Pour l’évaluation de la capacité de sondes géothermiques et de pieux d’énergie dans le processus de réfrigération, un constructeur conseille :

Vu les raisons énoncées précédemment, de mettre les capacités d’incorporation (été) égales à 70 % des capacités d’extraction de chaleur énoncées dans la VDI 4640.

De valoriser si possible l’existence d’une nappe souterraine, qui suite à l’humidification des couches terrestres en dessous des fondations, améliore la conductibilité thermique. Il en résultera également des capacités de réfrigération plus constantes.

Une distance de pose entre les tuyaux ne dépassant pas 15 cm.

Des phases de régénération (suite à l’arrêt du système en journée ou suite à une réduction de la nécessité de froid (journées fraîches d’été)) qui améliorent la capacité de rendement.

Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet

(Rédaction : 2014)

En région wallonne

En Wallonie, tout projet de réalisation de puits destiné à la géothermie doit faire l’objet d’un permis unique : Permis d’environnement (installations classées, conditions intégrales et sectorielles) + Permis d’urbanisme.

Selon l’Arrêté du Gouvernement wallon du 4/7/2002, annexe I, les systèmes géothermiques fermés sont classés dans la rubrique 45.12.01 : « Forage et équipement de puits destinés au stockage des déchets nucléaires ou destinés à recevoir des sondes géothermiques », classe de permis 2.

D’autres rubriques existent pour classer les systèmes ouverts en fonction des techniques de puisage et de rejet d’eau souterraine utilisé.

Les forages d’essais (TRT) et de l’installation définitive doivent faire l’objet d’une demande de permis propre comprenant :

Le formulaire général de demande de permis d’environnement et de permis unique – Annexe I.
Le formulaire relatif aux forages – Annexe XVIII (rubrique 45.12.01) ou le formulaire relatif aux prises d’eau – Annexe III (rubrique 41.00.03.02).

Le formulaire XVIII doit notamment comprendre :

Une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère;
la description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique;
un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle;
un plan de situation des puits.

Chronologiquement, étant donné les délais d’obtention, il est souvent difficile d’attendre les résultats du TRT et le dimensionnement final du champ de sondes avant l’introduction de la demande de permis pour ce dernier. De même, étant donné que le choix de l’enveloppe du bâtiment et l’équilibre géothermique sont intimement liés, il apparaît difficile de dissocier chronologiquement les demandes de permis pour le bâtiment neuf, le TRT et le champ de sondes. Dans ces différents cas, la pratique veut que les permis soient introduits en parallèle en mentionnant les hypothèses de prédimensionnement effectués.

En région bruxelloise

Il n’existe actuellement pas de législation spécifique à la géothermie en RBC. Les systèmes géothermiques sont néanmoins presque toujours composés d’installations classées soumises à déclaration ou à permis d’environnement.

Dans le cas de systèmes géothermiques fermés, les installations classées concernées sont les suivantes :

Pompe à chaleur < 10 kWelec et < 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation non classé et donc non soumise à autorisation (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 10 kWelec mais < 100 kWelec ou > 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation classée de classe 3 et donc soumise à déclaration (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 100 kWelec : Installation classée de classe 2 et donc soumise à Permis d’Environnement (rubrique 132).
Pompes électriques > à 100 kVA (rubrique 55).

Les forages ne sont, eux, pas classés.

Dans le cas de systèmes géothermiques ouverts, les captages d’eau souterraine sont des installations classées de classe 2 ou de classe 1B (rubrique 62) et sont donc soumis à Permis d’Environnement. En plus comme pour les captages d’eau « classiques », les systèmes géothermiques ouverts sont soumis à une « autorisation de pompage » de la part de l’IBGE.

De plus la réglementation urbanistique (COBAT) stipule que les forages géothermiques sont soumis à rapport d’incidence. Il semblerait donc que les systèmes géothermiques sont soumis à Permis d’Urbanisme (PU). Dans la pratique, il semblerait néanmoins que les systèmes géothermiques ne fassent pas l’objet d’une demande de PU à part entière. Il est donc conseillé de se renseigner auprès du service urbanisme de la commune concernée pour savoir si un PU est nécessaire.

La demande de permis d’environnement doit comprendre une série de renseignements.

Pour les systèmes géothermiques fermés (sondes verticales) :

Le cadre du projet de géothermique (industrie, tertiaire, logements collectifs, privés, ….

Le profil géologique et hydrogéologique de la zone où sont prévus les forages (et plus particulièrement déterminer les aquifères qui seront traversés par les forages) :
- soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
- soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.

Il y a lieu de motiver la profondeur des sondes envisagée sur base de ce profil.

La technique de forage prévue pour le placement des sondes.

La description technique de l’installation géothermique :
- puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et rendement;
- nombre de puits ou forage prévus + nombre de sondes verticales prévues;
- profondeur des sondes;
- type de sondes (simple boucle en U, double boucle en U, coaxiale, autre);
- type de matériaux utilisés pour les sondes et les différentes connexions;
- systèmes prévus pour isoler les sondes (ou les groupes de sondes) en cas de fuite (vannes d’isolement, …);
- fluide caloporteur prévu dans les sondes;
- surface prévue pour l’implantation des sondes (et surface disponible si différente);
- matériaux de remplissage sont prévus pour le scellement des trous de forages (espace interstitiel).
- …

Le plan reprenant de manière claire l’emplacement des installations (PAC et champ de sondes).

La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.

L’évaluation des besoins énergétiques :
- la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
- la demande en froid du bâtiment (kWh/an);
- la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
- la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW);
- l’énergie (chaud) soutirée au sol (kWh/an);
- l’énergie (froid) soutirée au sol (kWh/an);
- % de la demande en chaud couvert par la géothermie;
- % de la demande en froid couvert par la géothermie.

Dans la mesure du possible, un (des) graphique(s) (histogramme) reprenant les besoins mensuels du bâtiment en froid et en chaud sur un an et distinguant la part produite par la géothermie de la part produite par les systèmes complémentaires (système de production de chaud et froid classiques) sera fourni.

Dans le cas ou un test de réponse thermique (TRT) a été réalisé : les conclusions du test.

La comparaison du gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)).

L’évaluation du déséquilibre thermique du sous-sol et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte de ce déséquilibre thermique.

Quant au rapport d’incidences, il doit également évaluer les nuisances et impacts environnementaux liés au système géothermique ainsi que les mesures prises pour éviter, supprimer ou réduire les nuisances répertoriées. (Ex : test de mise sous pression des bouclages, mise en place d’un système de détection de fuites, étanchéité des puits,…).

Pour les systèmes géothermiques ouverts :

Le type de système géothermique prévu : captage/réinjection réversible (stockage chaud froid) ou captage réinjection non réversible.

La description technique de l’installation géothermique :
- nombre de puits de pompage et de réinjection prévus ;
- profondeur des puits (+ facteurs ayant servi à la détermination de la profondeur) ;
- zone de filtre (crépine) ;
- distance séparant les puits de captage et de réinjection ;
- type de compteurs et nombre de compteurs prévus (+ emplacement) ;
- puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et son rendement ;
- liquide utilisé dans le circuit secondaire ;
- type d’échangeur – circuit primaire / circuit secondaire (double parois, simple paroi, …) ;
- Éventuel système de détection de fuite dans le circuit secondaire.
- plan reprenant l’emplacement de la PAC, des différents puits de captage et de réinjection.

La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.

Le profil géologique et hydrogéologique des zones de captage et de réinjection (et plus particulièrement déterminer l’aquifère ou les aquifères qui seront traversés par les forages) :
- soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
- soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.

Le débit maximum capté (m³/h, m³/j), le volume total capté par an ou par saison (m³) et si la totalité de l’eau captée est réinjectée dans la nappe. Si l’eau souterraine est utilisée à d’autres fins que la géothermie, il y a également lieu de préciser les utilisations alternatives et le débit capté (m³/j).

La température de réinjection maximale prévue.

Le dossier doit comporter une évaluation de :
- la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
- (la demande en froid du bâtiment (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
- la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
- (la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW)) → Si utilisation des puits pour refroidir;
- l’énergie (chaud) soutirée de la nappe (kWh/an);
- (l’énergie (froid) soutirée de la nappe (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
- % de la demande en chaud couvert par la géothermie;
- (% de la demande en froid couvert par la géothermie), si utilisation des puits pour refroidir.

Le gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)) doit également être évalué.

Le rapport d’incidence doit évaluer le déséquilibre thermique de l’aquifère et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte du déséquilibre thermique.

Le rapport d’incidence doit évaluer la possibilité technique de mettre en place le système géothermique sur le site.

Le rapport d’incidence doit enfin évaluer l’impact et les nuisances du système géothermique et notamment :
- l’impact éventuel du projet sur des captages voisins (impact hydraulique);
- l’impact éventuel du projet sur la stabilité des constructions voisine;
- le risque d’inondation au niveau des puits de réinjection et des constructions voisine;
- l’impact thermique éventuel du système sur les eaux souterraines.

Ainsi que les mesures particulières de protection du sol et des eaux souterraines prévues (Rehaussement du puits, étanchéité des puits de forages, mesures prévues pour éviter la connexion éventuelle d’aquifères différents, mesures prévues pour éviter une contamination de l’eau pompée et réinjectée dans la nappe (type d’échangeur utilisé, système de détection de fuite, surpression du circuit secondaire (eau pompée) par rapport au circuit primaire (de la PAC), …)).

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Publié par : Sylvie 16 Sep, 2014

Fluides frigorigènes [Chauffage – PAC]

L’impact environnemental

Depuis quelques décennies, l’impact des fluides frigorigènes sur l’environnement est devenu un enjeu majeur. En effet, de par la présence de fuites au niveau du circuit frigorifique, la responsabilité de ces fluides dans la destruction de la couche d’ozone et l’augmentation de l’effet de serre n’est plus à démontrer.

Trou d’ozone au pôle sud.

Que ce soit en conception, en rénovation ou même en maintenance, les fuites de fluides sont donc à éviter. Elles dépendent essentiellement de la qualité :

du choix et de la mise en œuvre des équipements (soudures et connexions des conduites de distribution par exemple);
de l’optimisation du cycle frigorifique;
de la maintenance;
…

En France, en 1997, une étude a montré que le taux de fuites annuelles pouvait atteindre 30 % de la quantité totale en poids (ou en masse) de fluides frigorigènes présent dans les installations frigorifiques des grandes surfaces (Réf.: Zéro fuite – Limitation des émissions de fluides frigorigènes, D. Clodic, Pyc Éditions, 1997).

Depuis lors, les réglementations se sont attaquées à ces problèmes :

Suite au protocole de Montréal (1987) les fluides frigorigènes CFC (chlorofluorocarbures, principaux responsables de la destruction de la couche d’ozone) ont été définitivement abandonnés et remplacés progressivement par les HCFC.

Les réglementations européennes 2037/2000, 842/2006 et 517/2014 ont notamment imposé :
- l’interdiction d’utilisation des HCFC à fort impact sur l’effet de serre (GWP ou global Warming Potential);
- le remplacement progressif des HFC à haut GWP;
- le confinement des installations frigorifiques permettant de réduire la quantité de fluide frigorigène;
- des contrôles réguliers d’étanchéité des installations;
- …

Indices d’impact

Pour établir l’impact des fluides frigorigènes sur la couche d’ozone et l’effet de serre, trois indices principaux ont été définis :

ODP : Ozone Depletion Potential;
GWP : Global Warning Potential;
TEWI : Total Equivalent Warning Impact.

ODP (Ozone Depletion Potential)

C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’appauvrissement de la couche d’ozone. On calcule la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir soit R11 ou R12 qui ont un ODP = 1.

GWP (Global Warning Potential)

C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’effet de serre. On calcul la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir le CO₂, et pour des durées bien déterminées (20, 100, 500 ans). Le CO2 à un GWP = 1.

TEWI (Total Equivalent Warning Impact)

Le TEWI est un concept permettant de valoriser le réchauffement planétaire (global warming) durant la vie opérationnelle d’un système de réfrigération par exemple, utilisant un fluide frigorigène déterminé en tenant compte de l’effet direct dû aux émissions de fluide frigorigène et à l’effet indirect dû à l’énergie requise pour faire fonctionner le système.

À titre indicatif, il est donné par la formule :

TEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m[1-C]) + n x E x β

Où :

GWP : global warming potential;
L : émissions annuelles de fluide en kg;
n : durée de vie du système en années;
m : charge en fluide frigorigène en kg;
C : facteur de récupération / recyclage compris entre 0 et 1;
E : consommation annuelle d’énergie en kWh;
β : émission de CO2 en kg / kWh.

Voici, pour chaque fluide frigorigène, le Ozone Depletion Potential (potentiel de destruction de la couche d’ozone) et le Global Warming Potential (potentiel de participation au réchauffement climatique) sur 100 ans :

		ODP	GWP₁₀₀
R717	Amoniac	0	0
R744	CO₂	0	1
R290	Propane	0	20
R32	HFC, fluide pur	0	675
R134a	HFC, fluide pur	0	1 430
R407C	HFC, mélange	0	1 800
R22	HCFC	0,05	1 810
R410A	HFC, mélange	0	2 100
R427A	HFC, mélange	0	2 100
R417A	HFC, mélange	0	2 300
R422D	HFC, mélange	0	2 700
R125	HFC, fluide pur	0	3 500
R404A	HFC, mélange	0	3 900
R12	CFC	0,82	10 900

Source : 4ème rapport de l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Les fluides frigorigènes fluorés

Fluides frigorigènes fluorés

Les fluides frigorigènes fluorés sont en grande partie responsables de la destruction de la couche d’ozone et contribuent à augmenter l’effet de serre. Les interactions entre les deux phénomènes sont réelles mais d’une grande complexité.

On en distingue plusieurs types :

CFC;
HCFC;
HFC.

CFC (chlorofluorocarbures) (interdits de production depuis janvier 1995)

Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore et de fluor. Elles sont stables; ce qui leur permet d’atteindre la stratosphère sans trop de problèmes. À ce stade, en se transformant elles contribuent à la destruction de la couche d’ozone.

R-11	Groupes centrifuges « basse pression ».
R-12	Essentiellement froid domestique et climatisation automobile, mais aussi dans les groupes refroidisseurs d’eau centrifuges.
R-13	Rares utilisations en froid très basse température.
R-14	Rares utilisations en froid très basse température.
R-113	Abandonné avant son interdiction.
R-114	Pompes à chaleur et climatisation de sous-marin.
R-115	Fluide pas utilisé seul, mais dans le R-502, mélange azéotropique très utilisé en froid commercial basse température.

HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)

Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore, de fluor et d’hydrogène. Elles sont moins stables que les CFC et détruisent l’ozone dans une moindre mesure. Elles sont appelées substances de transition.

R-22	Fluide frigorigène le plus souvent utilisé, aussi bien en froid industriel qu’en climatisation.
R-123	Remplace le R-11 dans les groupes centrifuges.
R-124	Essentiellement utilisé dans certains mélanges.

HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)

Ce sont des molécules composées de carbone, de fluor et d’hydrogène. Elles ne contiennent pas de chlore et donc ne participent pas à la destruction de la couche d’ozone. Par contre, les HFC présentent un Global Warming Potential (contribution à l’effet de serre) sur 100 ans élevé.

R-134a

(Solkane)

Fluide frigorigène qui a remplacé le R-12 en froid domestique et en climatisation automobile.

En application « chauffage », il présente l’avantage de faire fonctionner les pompes à chaleur à haute température (généralement jusqu’à 65 °C) et à relativement basse pression. Son utilisation est compatible avec une production d’eau chaude pour radiateurs en lieu et place d’une chaudière.

C’est également un composant majeur de la plupart des mélanges de remplacement.

R-125

N’est jamais utilisé pur en raison de sa pression critique trop faible (66°C). Il entre dans la composition de nombreux mélanges compte tenu de son pouvoir « extincteur ».

R-32,
R-152a
R-143a

Inflammables et donc utilisés uniquement en mélange avec d’autres composants qui « neutralisent » leur inflammabilité.

Mélange de fluides frigorigènes

On peut les classer en fonction du type de composants fluorés qu’ils contiennent.
Ils se distinguent également par le fait que certains mélanges sont :

Zéotropes : au cours d’un changement d’état (condensation, évaporation), leur température varie.

Azéotropes : ils se comportent comme des corps purs, sans variation de température lors du changement d’état.

Il va de soi que les frigoristes apprécient cette propriété d’azéotropie pour le fonctionnement de la machine frigorifique.

Le R407C (R134a : 52 % + R125 : 25 % + R32 : 23 %)

Le R407C est un fluide non azéotrope (il est composé de plusieurs fluides) afin d’obtenir sa température de changement d’état.

Ce fluide frigorigène présente les particularités suivantes :

Il est ininflammable.

Lors des changements de phase, la température « glisse » d’environ 5 K car les températures d’évaporation et de condensation des fluides frigorigènes qui le constituent sont différentes. Ceci rend les réglages plus difficiles et impose des échangeurs à contre-courant pour tirer le meilleur parti de ce fluide.

En cas de micro-fuite, le composé ayant les molécules les plus volatiles s’échappe préférentiellement. Il en résulte un fluide frigorigène déséquilibré. Il est dès lors nécessaire de vider entièrement l’installation avant de la recharger, le gaz retiré étant recyclé.

Les pressions sont moindres avec ce fluide frigorigène.

Il est moins performant que le R410A …

Le R410A (R32 : 50 % + R125 : 50 %)

Le R410A présente de meilleures qualités thermodynamiques que le R407C et le R22. D’autre part, l’étanchéité des installations est plus élevée avec le R410A, les pertes de pression sont donc faibles et les vitesses de fonctionnement peuvent être élevées. Les composants sont dès lors plus compacts.

Le R410A est cependant toxique ! De plus, il se comporte comme un réfrigérant mono-moléculaire lorsqu’il change de phase : le passage d’un état à un autre se produit à température quasiment constante (le glissement de température est négligeable). On ne doit donc pas vider complètement l’installation avant de la recharger.Pour terminer, les pressions de fonctionnement sont 60 % plus élevées que dans le cas du R22. Ceci limite donc son utilisation aux températures de condensation moyennes : maximum 45 °C.

Le R404A (R143a : 52 % + R125 : 44 % + R134a : 4 %)

Le R404A présente des caractéristiques communes avec le R410A (il se comporte aussi comme un fluide quasi-azéotropique) mais sa pression de fonctionnement est plus basse. Sa particularité est de ne pas beaucoup s’échauffer pendant la compression. La température des vapeurs surchauffées en sortie de compresseur reste donc modérée, ce qui convient parfaitement à la mise en œuvre des PAC fluide/fluide.

Les fluides à bas « effet de serre »

Ils sont considérés comme moins inquiétants pour l’environnement, car à la fois sans action sur l’ozone stratosphérique et d’un faible impact sur l’effet de serre.

Ils présentent tous des inconvénients, soit au niveau sécurité, soit au niveau thermodynamique.

L’ammoniac (NH3) ou R-717

L’ammoniac présente de nombreux avantages en tant que fluide frigorigène :

Impact environnemental nul (ODP et GWP100 nuls);
très bon coefficient de transfert de chaleur;
efficacité énergétique élevée (au moins aussi bonne que le R22, meilleure dans certaines conditions);
le gaz ammoniac est plus léger que l’air;
faibles pertes de charge;
fuites aisément détectables;
faible prix de revient et faibles frais d’entretien des installations;
très difficilement inflammable, limite d’explosion élevée et petits champs d’explosion;
chimiquement stable;
aisément absorbable dans l’eau;
pas très sensible à l’humidité dans le circuit;
naturel donc biodégradable;
grâce à sa haute température critique, il permet de réaliser des températures de condensation très élevées et de concevoir des PAC à haute température.

Les COP obtenus avec ce fluide frigorigène peuvent être équivalents à ceux obtenus avec des HFC.

L’ammoniac est par contre toxique (mais pas cumulativement dans le temps) et irritable. Il peut être explosif dans des cas exceptionnels (les limites inférieure et supérieure d’inflammabilité doivent être très proches l’une de l’autre). Il sera également explosif dans des locaux non aérés où il se crée un mélange d’air, d’azote et d’ammoniac. Les locaux doivent donc absolument être ventilés et le passage de l’air doit également être totalement libre. De plus, le NH3 corrode facilement le cuivre et ses alliages ainsi que le zinc. Les installateurs sont donc obligés d’utiliser de l’acier. Pour terminer, l’ammoniac n’étant pas miscible et soluble dans les huiles minérales, il faut prévoir un séparateur d’huile après le compresseur.

Les installations à l’ammoniac l’utilisent liquide et sa quantité est réduite : la quantité de gaz perdu par fuites est donc faible.

Il est à l’heure actuelle principalement utilisé dans le froid industriel.

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Il s’agit essentiellement du propane (R-290), du butane (R-600) et de l’isobutane (R-600a).

Ces fluides organiques présentent de bonnes propriétés thermodynamiques, mais sont dangereux par leur inflammabilité. Le monde du froid s’est toujours méfié de ces fluides, même s’ils sont réapparus récemment dans des réfrigérateurs et des mousses isolantes. Leur utilisation future paraît peu probable en climatisation, vu le coût de la mise en sécurité aussi bien mécanique qu’électrique. En PAC, on l’utilise donc dans des quantités les plus faibles possible (maximum 3 kg pour les applications résidentielles), de préférence à l’extérieur des bâtiments.

Le dioxyde de carbone (CO₂) ou R-744

Fluide inorganique, non toxique, non inflammable, mais moins performant au niveau thermodynamique. Son usage implique des pressions élevées et des compresseurs spéciaux.

Il possède cependant de bonnes qualités en application PAC pour le chauffage ou l’eau chaude sanitaire. Il est peu coûteux, et sa récupération et son recyclage sont simples à mettre en œuvre.

Actuellement, les spécialistes s’y intéressent à nouveau de par :

son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1);
son faible volume massique entraînant des installations à faible volume (fuites réduites);
…

Il a la particularité de posséder une température critique basse à 31 °C pour une pression de 73,6 bar.

À noter que l’utilisation de ce type de réfrigérant entraîne aussi des contraintes non négligeables telles que la nécessité de travailler :

à des pressions élevées (80 voire plus de 100 bar);
en transcritique qui demande une maîtrise de la condensation en phase gazeuse (gaz cooler);

L’eau (H2O)

Fluide inorganique, bien entendu sans toxicité. Même si sa grande enthalpie de vaporisation est intéressante, il ne se prête pas à la production de froid sous 0°C. Il est peu adapté au cycle à compression et ses applications sont rares.

Synthèse

Frigorigène	Fluide naturel	ODP3	GWP (100ans) valeurs IPCC 3	GWP (100ans) valeurs WMO 4	Temp. critique (°C)	Pression critique (MPa)	Inflammabilité	Toxicité	Coût relatif	Puissance volumétrique
R290 (HC) CH₃CH₂CH₃	Oui	0	20	20	96,7	4,25	Oui	Non	0,3	1,4
R717 (Ammoniac NH₃)	Oui	0	<1	<1	132,3	11,27	Oui	Oui	0,2	1,6
R 744 (CO₂)	Oui	0	1	1	31,1	7,38	Non	Non	0,1	8,4
R718 (H₂O)	Oui	0	0

Caractéristiques environnementales des fluides frigorigènes naturels.

Nomenclature

Les fluides frigorigènes sont soumis à une nomenclature qui se veut internationale. L’ASHRAE, une des plus utilisées, désigne les fluides frigorigènes par la lettre R associée à 2,3 ou 4 chiffre + une lettre (R134a par exemple).

Le tableau ci-dessous montre la méthode de désignation des fluides réfrigérants :

R-WXYZ§
Nomenclature	Appellation courante	R12	R134a	R1270
Nomenclature	Appellation pour la détermination de la formule	R-0012	R-0134a	R-1270
CFC
W = Nombre d’insaturation Carbone = Carbone (C=C)	C=C (double liaison)	0	0	1
X = nombre de Carbone -1	nombre d’atomes de Carbone C = X + 1	1	2	3
Y = nombre de Hydrogène +1	nombre d’atomes d’Hydrogène H = Y – 1	0	2	6
Z = nombre de Fluor	nombre d’atomes de Fluor F = Z	2	4	0
R401A	nombre d’atomes de Chlore Cl*	2	0	0
Formule chimique		C Cl₂F₂	C₂H₂F₄	CH₃ CH=CH₂
Si § = A-E => symétrie Si § = a-b => asymétrie (avec a moins asymétrique que b)	symétrie de la molécule	symétrique	asymétrique	symétrique

Calcul du nombre d’atomes de chlore : Pour les molécules saturées (w = 0), Le nombre d’atomes de chlore s’obtient à partir de la formule suivante : Cl = 2.(C = 1) – H – F.

Publié par : Sylvie 22 Fév, 2012

Pompes à chaleur gaz

PAC à moteur gaz

Principe

La pompe à chaleur à moteur gaz (GHP : Gas engine Heat Pump) s’apparente fort à la pompe à chaleur électrique traditionnelle. Les seules différences résident au niveau :

Du système d’entrainement du compresseur : le moteur électrique accouplé mécaniquement au compresseur est remplacé par un moteur à combustion à gaz.
De l’exploitation de la chaleur générée par le système d’entrainement :
- Le moteur électrique a très peu de pertes (η de l’ordre de = 98 %). En d’autres termes, l’énergie électrique, au rendement près, est transformée totalement en énergie mécanique pour le compresseur.
- Le moteur à gaz, quant à lui, a un rendement mécanique médiocre (45-50 %). Le solde de l’énergie de combustion du gaz est de la chaleur. L’intérêt de la pompe à chaleur à moteur à gaz réside dans la récupération de la chaleur de combustion.

Schéma de principe : PAC à moteur gaz.

Technologie

PAC à moteur gaz (source : Sanyo).

Moteur gaz

Moteur gaz (source : Aisin Toyota).

La technologie des pompes à chaleur à moteur gaz est développée depuis plusieurs décennies. Le moteur gaz est un moteur thermique à faible taux de compression de type volumétrique (cycle de Miller). Le gaz utilisé est soit le gaz naturel ou le LPG. Certains moteurs utilisent le propane. Comme le montre la figure ci-contre, ce fabricant propose un moteur 4 temps accouplé mécaniquement à des compresseurs au moyen d’une ou plusieurs courroies. La particularité de ce moteur est la récupération de la chaleur de combustion du gaz résiduelle au niveau du circuit de refroidissement. Un échangeur, placé au niveau du condenseur du circuit frigorifique permet le refroidissement du moteur et, par conséquent, la récupération de chaleur de combustion du moteur en supplément de celle échangée par le circuit frigorifique.

Circuit frigorifique

Les fabricants de PAC à moteur gaz proposent plusieurs configurations de circuit frigorifique. On retrouve généralement :

Le groupe VRV réversible à détente directe à 2 tubes permettant de travailler en mode « change-over » ou 3 tubes en mode « récupérateur d’énergie ».
la PAC à condenseur à eau. En général, c’est la même machine de base que l’unité externe des groupes VRV. Un condenseur à eau est directement branché sur le circuit frigorifique.

(Source : Aisin Toyota).

Les compresseurs sont généralement des « scrolls ». L’avantage de la pompe à chaleur à moteur gaz réside dans le fait que les compresseurs sont entrainés par un moteur à vitesse variable et, par conséquent, peuvent moduler le débit de fluide frigorigène (R410A par exemple).

PAC gaz à absorption

Principe

Tout part de la succession, dans un cycle fermé :

De l’absorption d’ammoniac (NH3) gazeux en présence d’eau pour donner une solution d’ammoniaque concentré (NH4OH). Elle s’accompagne de la libération d’une grande quantité de chaleur à température élevée.
Et de la désorption de cette même solution d’ammoniaque (NH4OH) qui permet la libération d’ammoniac (NH3) gazeux. La désorption demande de la chaleur.

À ce stade, rien de différencie ce système thermodynamique d’une chaudière gaz à eau chaude. Au lieu de chauffer de l’eau pure en circuit fermé, on chauffe une solution d’ammoniaque (NH4OH).

L’ingéniosité du principe vient de l’utilisation de l’ammoniac (NH3) dans un cycle frigorifique secondaire qui permettra de « pomper » la chaleur d’une source froide (au niveau de l’évaporateur) pour la restituer au niveau de la source chaude (condenseur) : cette chaleur est gratuite !

En combinant la libération de chaleur lors de l’absorption et la chaleur de condensation, le bilan énergétique est nettement positif !

Technologie

Schéma de principe (source Théma).

Générateur (ou déconcentrateur)

Au niveau du générateur, le brûleur chauffe la solution d’ammoniaque (NH4OH) de manière à libérer de l’ammoniac gazeux (NH3) à haute température. En partie haute du générateur, l’ammoniac est injecté dans le circuit principal de la PAC vers le condenseur. Il va de soi que la solution d’ammoniaque se déconcentre. En continuant de chauffer la solution sans rien changer, la production d’ammoniac gazeux risque de s’arrêter d’elle-même. Pour cette raison, il est nécessaire de régénérer (ou concentrer) la solution d’ammoniaque pauvre. C’est l’absorbeur qui s’en charge !

Absorbeur (ou concentrateur)

Dans l’absorbeur, la solution pauvre issue du générateur est projetée en fines gouttelettes sur l’ammoniac gazeux provenant de l’évaporateur de la machine thermodynamique. Il s’en suit un enrichissement de la solution d’ammoniaque avec, en prime, un dégagement de chaleur important (réaction exothermique). La solution d’ammoniaque riche régénérée peut être renvoyée au niveau du générateur. Le cycle de la PAC gaz est fermé !

Sans rien changé, l’efficacité énergétique de la PAC gaz serait vraiment médiocre ! L’ingéniosité du système réside dans la récupération au condenseur de la chaleur d’absorption. Concrètement, la solution riche d’ammoniaque passera par le condenseur de manière à céder sa chaleur à la source chaude.

Condenseur

Le condenseur de la PAC gaz à absorption est de conception un peu particulière. En réalité, c’est un double condenseur :

Un premier échangeur branché sur le circuit thermodynamique principal permet à l’ammoniac (NH3) gazeux de condenser et donc de céder sa chaleur à la source chaude (système de chauffage).
Un second échangeur raccordé au circuit secondaire permet à la phase liquide/gaz d’ammoniaque de céder, elle aussi, sa chaleur d’absorption.

Évaporateur

L’évaporateur de la PAC gaz à absorption est un évaporateur classique comme celui utilisé dans les PAC électriques.

Échangeurs secondaires

La chaleur d’absorption étant libérée à haute température, elle ne peut être, qu’en partie, transmise à la source chaude en demande de températures plus modestes. Pour cette raison, d’autres échangeurs placés en aval du condenseur permettront de successivement récupérer la chaleur d’absorption (intérêt de ces échangeurs).

Disponibilité sur le marché

Environnement

Parler du CO₂ mais aussi de l’impact d’une fuite de NH₃ dans l’air.

PAC gaz à adsorption

Principe

Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur à adsorption s’appuie sur les caractéristiques de la zéolithe, une céramique microporeuse très stable et non polluante. Cette zéolithe est capable de dégager de la chaleur lorsqu’elle adsorbe de l’eau (réaction exothermique lors du passage de la forme déshydratée à la forme hydratée). Lorsqu’elle est saturée, un brûleur à gaz évacue l’eau (désorption). L’emploi de la zéolithe permet de favoriser l’utilisation de l’énergie solaire même à basse température pour le chauffage, sachant que la réaction exothermique d’adsorption peut atteindre 85 °C avec de l’eau à 4 °C.

Phase d’adsorption : dans la partie basse de la pompe à chaleur, l’eau présente dans un réservoir sous vide est chauffée. Cette eau, même à basse température, se transforme en vapeur et migre vers le haut du réservoir. La microporosité de la zéolithe permet de piéger une grande quantité de vapeur (adsorption). La chaleur d’adsorption est utilisée au niveau de la source chaude (comme un plancher chauffant par exemple) ;
Phase de désorption : lorsque la zéolithe saturée d’eau, le minéral est chauffé. L’eau retenue dans la zéolithe est alors libérée sous forme de vapeur (désorption). Cette vapeur coule vers la partie inférieure de la pompe à chaleur, se condense à nouveau et libère de la chaleur. Une récupération de cette chaleur est mise en place. Le système peut redémarrer dans un nouveau cycle d’adsorption.

L’adsorption et la désorption sont des réactions physiques qui n’altèrent pas la structure de la zéolithe. L’alternance adsorption/désorption est alternative, mais peut fonctionner indéfiniment.

Phase de désorption puis d’adsorption (Source : www.gaz-naturel.ch).

Technologie

Le système est conçu sur la base d’une chaudière à condensation, associée à un module à zéolithe sous vide comprenant des billes de céramique microporeuse, de l’eau et les composants hydrauliques.

A l’heure actuelle, certains constructeurs ont un programme de développe des PAC gaz à adsorption pour le résidentiel (maximum 10 kW). L’adsorbant utilisé est la zéolite (Une zéolithe, ou zéolite est un minéral microporeux appartenant au groupe des silicates).

Les sources froides peuvent, comme pour les pompes à chaleur classiques :

L’air ;
L’eau ;
La géothermie …

Comme le montrent les figures ci-dessus, la source froide de la pompe à chaleur à adsorption peut être aussi des panneaux solaires thermiques. Les efficacités saisonnières sont à préciser par le constructeur et à vérifier par des études neutres et en situation réelle. Sur papier, ce système paraît très intéressant sachant qu’on pourrait attendre des …

Point de comparaison des PAC’s

Principe et technologie

Bien que la machine gaz à absorption/adsorption semble assez différente de la machine frigorifique traditionnelle, le principe de base de fonctionnement reste le même :

circulation d’un fluide réfrigérant ;
évaporation du fluide avec production de froid ;
compression du fluide demandant un apport d’énergie ;
condensation du fluide avec production de chaleur.

La différence réside dans le moyen de comprimer le fluide :

mécanique dans le cas d’une machine électrique ou à moteur à gaz ;
thermochimique/thermophysique dans le cas de la machine à absorption/adsorption.

Le type d’énergie nécessaire à cette compression :

électrique dans le cas d’une PAC électrique ;
calorifique dans le cas d’une PAC gaz à absorption.

PAC électrique

Principe de la PAC électrique.

La pompe à chaleur électrique utilise le travail de compression du compresseur pour faire passer la chaleur gratuite disponible à basse température au niveau de l’évaporateur (source froide : l’air extérieur, l’eau d’une rivière ou d’une nappe phréatique, …) à une température plus élevée au niveau du condenseur (source chaude : l’air intérieur, l’eau chaude d’un chauffage à basse température comme le chauffage au sol, l’ECS, …). Le transfert de la chaleur est effectué grâce un fluide frigorigène via le compresseur. A la chaleur gratuite tirée de la source de froid est ajouté le travail de compression, cette énergie étant fournie par le moteur électrique du compresseur.

PAC à moteur gaz

Principe de la PAC à moteur gaz.

Toute chose restant égale, seul le moteur électrique accouplé mécaniquement au compresseur est remplacé par un moteur à combustion gaz.

PAC gaz à absorption

Principe de la PAC gaz à absorption.

Sur le même principe que la pompe à chaleur électrique, le transfert de la chaleur gratuite de la source froide à basse température vers la source chaude à température plus élevée, est assuré grâce à un fluide frigorigène via, non pas un compresseur, mais un générateur de chaleur au gaz. C’est à ce stade que l’analogie s’arrête et que les deux systèmes diffèrent complètement.

Efficacité énergétique

Principe de comparaison

Une pompe à chaleur est énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie pour fournir une puissance calorifique donnée. Pour pouvoir assurer un point de comparaison énergétique entre les différents types de pompe, il est nécessaire, par rapport à leur production de chaleur, de considérer les consommations « primaires » d’énergie. C’est le cas surtout pour l’électricité ! En effet, l’électricité consommée au niveau de la pompe à chaleur est une énergie finale qui ne tient pas compte :

du rendement moyen des centrales électriques en Belgique ;
des pertes en lignes du réseau électrique.

L’énergie primaire à considérer est :

Le gaz disponible au niveau de la conduite d’alimentation du bâtiment. Les kWhPCI sont utilisés pour tenir compte d’une éventuelle phase de condensation (ηPCI > 100 %).
L’électricité disponible au niveau du câble d’alimentation du bâtiment multipliée 2.5. Ce coefficient a été adopté par la CWaPE (Commission Wallonne Pour L’Énergie) se base sur un rendement moyen de 40 % pour les centrales électriques en Europe. En d’autres termes, un 1 kWh consommé au niveau de la pompe à chaleur, 2.5 kWh ont été consommés au niveau de la centrale électrique. Dans le cas de la PAC électrique, la performance se calcule par le rapport :

Technologie

COP = Énergie utile (chaleur) / Énergie consommée (électricité)

Cependant, pour comparer des pommes entre elles par rapport à une PAC gaz à absorption par exemple, l’énergie primaire consommée pour produire de l’électricité nécessaire à alimenter le moteur électrique, doit être considérée. On parle alors de rapport d’énergie primaire REP défini comme suit :

REP (PER) = Énergie utile / (Énergie consommée / η centrale électrique)

La valeur intéressante pour les gestionnaires de bâtiments est la valeur du COPA ou ACOP, … (vive l’Europe !) qui exprime l’efficacité annuelle mesurée en tenant compte de toutes les consommations de la machine par rapport à l’énergie qu’elle fournit. La performance annuelle est naturellement liée à l’efficacité instantanée au cours du temps qui, elle, peut varier en fonction de différents paramètres :

de la température de la source froide ;
de la température de la source chaude ;
du taux de charge de la pompe à chaleur.

PAC électrique

Dans le cas de la pompe à chaleur électrique dont le COP = 3, 1 kWh d’énergie électrique finale consommé, fournit à la distribution d’un système de chauffage 3 kWh. C’est bon pour la poche du consommateur (performance finale de 300 %) ! Mais en termes d’énergie primaire, seulement 3/2.5 soit 1.2 kWh est restitué à la source chaude (performance primaire de 120 %) ; ce qui reste meilleur que la performance d’une chaudière à condensation très efficace quand même (ηPCI = 108 %).

Bilan énergétique (source : Thema).

La performance de la PAC électrique est influencée par les paramètres repris dans le tableau suivant :

Paramètres d’influence	Niveau d’influence	Remarque
Température de la source froide	Forte	Réduction des consommations de + 3 % par augmentation de 1 °C
Température de la source chaude	Forte	Réduction des consommations de + 3 % réduction de 1 °C
Taux de charge	Moyenne	En général, une PAC électrique travaillant à charge partielle réduit les consommations

Comme le montre le tableau précédent, la PAC électrique est très sensible aux types de source chaude et de source froide. On privilégiera le fonctionnement de la PAC à charge partielle par la réduction de la vitesse du compresseur (technique INVERTER).

PAC à moteur gaz

Bilan énergétique (source Théma).

Bilan énergétique et performance (Source : Aisin Toyota).

La PAC gaz à absorption a une efficacité énergétique définie comme suit :

COP = Énergie utile (chaleur) / Énergie consommée (consommation de gaz)

Comme le montre le graphique précédent, le constructeur annonce qu’en pointe (taux de charge faible) pour 1 kWh d’énergie primaire fourni (gaz), une pompe à chaleur à moteur à gaz restitue donc 1,43 kWh maximum, ce qui en fait un système de chauffage hautement intéressant par rapport à l’environnement.
La performance de la PAC à moteur gaz est influencée par les paramètres repris dans le tableau suivant :

Paramètres d’influence	Niveau d’influence	Remarque
Température de la source froide	Faible
Température de la source chaude	Moyenne
Taux de charge	Forte	30 à 40 % d’influence

La modulation de puissance est très importante pour augmenter la performance de la PAC à moteur gaz. Sur un moteur à combustion, comme celui qui équipe ce type de PAC, la modulation de puissance ne pose aucun problème. Elle est donc principalement influencée par le dimensionnement en fonction des besoins de chaleur.

PAC gaz à absorption

Bilan énergétique (source : Thema).

Certains constructeurs annoncent des performances de l’ordre de 150 %.

Tout comme la PAC à moteur gaz, la performance de la PAC gaz à absorption est influencée par les paramètres repris dans le tableau suivant :

Paramètres d’influence	Niveau d’influence	Remarque
Température de la source froide	Faible
Température de la source chaude	Moyenne
Taux de charge	Forte

Comparatif des PAC gaz

Une étude très intéressante de l’IGU (International Gas Union : « Gas Heat Pumps, the renewable heating system for the future ? ») a montré qu’en moyenne, la performance des PAC gaz, toutes parques confondues, était plutôt aux alentours des 116 % avec une valeur à 120 % en cas de configuration de la PAC gaz avec des panneaux solaires thermiques.

Performance moyenne.

PAC électrique, PAC gaz même combat ?

Tout dépend des conditions de fonctionnement (taux de charge, températures des sources chaudes et froides, …) et des consommations des auxiliaires du niveau de dégivrage). Dans la littérature, on s’accorde à dire, qu’effectivement, pour les PAC électriques et gaz c’est le même combat !

Intérêt de la géothermie ?

Par contre, comme le montre la figure ci-dessus, les PAC gaz peuvent fortement se démarquer des PAC électriques au niveau du dimensionnement de la source froide. On voit tout de suite que l’évaporateur peut être de dimension plus faible :

Si la source froide est l’air externe, la taille de l’évaporateur et des ventilateurs sera plus faible d’où réduction de l’investissement pour la partie évaporateur. Il s’ensuit que les consommations des auxiliaires seront aussi réduites.
Si la source froide est l’eau, et plus spécifiquement, la géothermie, le dimensionnement du système de géothermie est presque divisé par 3.

Surtout dans le domaine de la conception et de l’exploitation de la géothermie qui, en règle générale, passe à la trappe pour une question d’investissement (grande quantité de sondes géothermiques, profondeur importante, …), l’association d’une PAC gaz avec une géothermie est très intéressante.

Publié par : Sylvie 15 Fév, 2012

Évaluer l’association cogen et chaudière condensation

Intérêt énergétique, environnemental et financier

Y a-t-il un intérêt énergétique, environnemental et financier à associer une cogénération avec une chaudière à condensation ?

Dans ce qui suit, on tente d’y répondre par l’exploitation du logiciel d’étude de pertinence de cogénération de la Région Wallonne CogenSim.

Simulation

En partant du principe qu’une cogénération est dimensionnée pour produire la base du profil des besoins de chaleur, le solde étant fourni par une chaudière, plus cette chaudière sera performante, plus importante sera la réduction des consommations énergétiques pour fournir ce solde.

Une manière d’y arriver est de simuler une cogénération associée à une chaudière dont le rendement saisonnier évolue de 80 à 99 %.

Exemple

Les besoins de chaleur et d’électricité d’un bâtiment tertiaire sont représentés par les profils de chaleur suivants. Un exemple de profil de besoins est donné dans CogenSim.On constate que :

la puissance maximale correspondant au dimensionnement est de 1 000 kW, soit 100 % de taux de charge ;
le besoin de chaleur résiduelle en été est de l’ordre de 200 kW. Ce besoin résiduel est de l’ordre de grandeur d’un besoin d’ECS ;
le profil électrique montre que le bâtiment est occupé 7 jours sur 7 avec une réduction d’activité le weekend.

Besoin de chaleur.

Besoin d’électricité.

La monotone de chaleur permet de mieux visualiser la fréquence des puissances de chauffe nécessaires sur une année :

Monotone de chaleur.

Les hypothèses de simulation sont nombreuses. L’objectif dans cet exemple étant de ne pas vous assommer de chiffres, les principales sont reprises ci-dessous :

Vecteur énergétique : gaz.
Type de régulation :
- l’injection d’électricité sur le réseau est autorisée ;
- le rejet de chaleur est interdit.
Les certificats verts sont garantis par la RW au prix de 65 €.
Les prix de l’électricité avant cogénération : 150 €/MWh.
Les prix de l’électricité après cogénération : 157 €/MWh.
La vente d’électricité : 40 €/MWh.
Les prix du combustible avant cogénération : 60 €/MWh.
Les prix du combustible après cogénération : 32.8 €/MWh.
Le taux de charge minimum de la cogénération : on considère en général qu’une cogénération ne peut moduler sa puissance qu’entre 60 et 100 %.
Le taux de charge minimum et maximum : 40 et 60 %.
La capacité du ballon tampon : 10 000 litres.

Simulation

CogenSim a sélectionné une cogénération d’une puissance de 200 kW_électriqueet 297 kW_thermique. Les caractéristiques principales de la machine sont détaillées dans le tableau suivant :

Combustible
Puissance nominale électrique (hors auxiliaires électriques)	200 kW
Puissance appelée par les auxiliaires électriques	4 kW
Puissance nominale thermique	297 kW
Rendement électrique à charge nominale	35 %
Rendement électrique à mi-charge	31 %
Rendement thermique à charge nominale	52 %
Rendement moyen électrique	34 %
Rendement moyen chaleur	52 %
Rendement moyen de fonctionnement	86 %

Pour différentes valeurs de rendement (80, 85, 90 et 100 %), le bilan énergétique donne :

Bilan énergétique
Rendement de la chaudière associée	80 %	85 %	90 %	100 %
Sans cogénération
Énergie électrique consommée	4,956,554	4,956,554	4,956,554	4,956,554	kWh_électrique/an
Besoins thermiques nets	3,521,490	3,521,490	3,521,490	3,521,490	kWh_th/an
Combustible consommé	4,401,862	4,142,929	3,912,766	3,521,842	kWh_combustible/an
Énergie électrique primaire consommée	12,391,385	12,391,385	12,391,385	12,391,385	kWh_combustible/an
Énergie primaire totale sans cogénération	16,793,247	16,534,314	16,304,151	15,913,227	kWh_combustible/an
Avec cogénération
Énergie primaire consommée par la cogénération	3,984,400	3,984,400	3,984,400	3,984,400	kWh_combustible/an
Chaleur utile produite par la cogénération	2,076,437	2,076,437	2,076,437	2,076,437	kWh_th/an
Économie combustible correspondante pour la chaufferie	2,595,546	2,442,867	2,307,152	2,076,644	kWh_combustible/an
Chaleur utile encore à produire par la chaufferie	1,448,450	1,448,450	1,448,450	1,448,450	kWh_th/an
Consommation correspondante par la chaufferie	1,810,562	1,704,059	1,609,389	1,448,595	kWh_combustible/an
Énergie électrique produite par la cogénération	1,358,704	1,358,704	1,358,704	1,358,704	kWh_électrique/an
dont énergie électrique revendue au réseau	110	110	110	110	kWh_électrique/an
dont énergie électrique auto-consommée	1,358,594	1,358,594	1,358,594	1,358,594	kWh_électrique/an
Énergie électrique consommée au niveau du réseau	3,597,960	3,597,960	3,597,960	3,597,960	kWh_combustible/an
Énergie primaire totale avec cogénération	14,789,863	14,683,360	14,588,690	14,427,896	kWh_électrique/an
Taux d’économie de CO₂	12 %	11 %	11 %	9 %

Sur base des résultats obtenus et dans ce cas précis, on peut « tirer » les informations suivantes :

> Le bilan énergétique théorique est favorable à l’association d’une chaudière, quelle qu’elle soit, à une cogénération.

> Lorsqu’on tend vers le rendement d’une chaudière à condensation, les consommations en énergie primaire diminuent. En effet, le besoin thermique résiduel pris en charge par la chaudière génèrera une consommation d’autant plus faible que meilleur sera le rendement de la chaudière.

Quant au bilan économique, il est présenté dans le tableau suivant :

Bilan financier
Sans cogénération
Coûts	80 %	85 %	90 %	100 %
Montant facture électricité	743,483	743,483	743,483	743,483	€/an
Montant facture combustible	264,111	248 575	234, 65	21,310	€/an
Montant facture énergie globale	1,007,594	992,058	978,249	954,730	€/an

Avec cogénération
Coûts
Montant facture électricité	566,678	566,678	566,678	566,678	€/an
Montant facture combustible	347,443	341,068	335,401	325,776	€/an
Montant entretien pour la cogénération	22,328	22,328	22,328	22,328	€/an
Montant facture énergie globale	936,451	930,075	924,408	914,783	€/an
Gain
Rente de l’électricité injectée	4	4	4	4	€/an
Économie annuelle sans C.V.	71,144	77,519	83,186	92,811	€/an
Taux d’économie en CO₂	32 %	32 %	32 %	32 %
Certificats verts	28 306	28 306	28 306	28 306	€/an
Économie annuelle avec C.V.	99,451	105,826	111,493	121,118	€/an
Investissement
Cogénérateur complet (hors installation)	197,181	197,181	197,181	197,181	€
Groupe cogénération & stockage de chaleur	205,772	205,772	205,772	205,772	€
Aide à l’investissement	1 %	1 %	1 %	1 %
Facteur de surinvestissement	50 %	50 %	50 %	50 %
Groupe cogénération NET	305,572	305,572	305,572	305,572	€
Chaudière	33,333	33,333	33,333	50,000	€
Temps de Retour Simple (TRS)	3.4	3.2	3.0	2.9	Années

L’analyse du bilan financier montre que l’augmentation du rendement de la chaudière permet d’améliorer la rentabilité financière de l’ensemble de l’installation.

Remarque
Attention qu’il existe deux taux d’économie en CO₂. On les appellera librement le taux d’économie en CO₂ énergétique et le taux d’économie en CO₂ lié au calcul des certificats verts (production verte d’électricité) :

> Le taux d’économie en CO₂ énergétique (énergie primaire) est exprimé par la formule suivante :

t_{CO2 énergétique} E_ref + Q – F / E_ref + Q %

Où,

E_ref= émissions d’une centrale électrique de référence (kg CO₂/an). Si la centrale de référence est une TGV (turbine gaz vapeur), le rendement de la CWaPE est de 55 %. Par conséquent, E_ref = 456 kg CO2/MWh ;
Q = émissions d’une chaudière de référence (kg CO2/an) ;
F = émissions de la cogénération (kg CO2/an).

> Le taux d’économie en CO2 (calcul CV) est exprimé par la formule suivante :

t_{CO2 énergétique} E_ref + Q – F / E_ref %

Où,

E_ref = émissions d’une centrale électrique de référence (kg CO2/MWh électrique.
Q = émissions d’une chaudière de référence (kg CO2/ MWh électrique).
F = émissions de la cogénération (kg CO2/ MWh électrique).

Publié par : Sylvie 20 Déc, 2011

Choisir une PAC en fonction de la performance de l’enveloppe

Stratégie de chauffage et de refroidissement

Lorsque la performance de l’enveloppe d’un bâtiment augmente, pour une même surface nette ou un même volume de bâtiment, la quantité d’énergie nécessaire au chauffage devient faible.

« On peut passer d’une valeur de 200 kWh/m².an à 15 kWh/m².an lorsqu’on tend vers un bâtiment passif ! ».

Source : PMP (Plateforme Maison Passive).

De même, la puissance à mettre à disposition pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment se voit réduite de manière significative.

« Les puissances mises en jeu pour combattre les déperditions au travers des parois et par ventilation et pour assurer la relance en cas d’intermittence (ou ralenti nocturne), passent de l’ordre de 70 W/m³ à 20 W/m³ voire moins encore ! ».

Le renforcement de l’isolation et de l’étanchéité d’un bâtiment interagit donc sur la puissance du système de chauffage. À première vue, pour autant que les fabricants de systèmes de chauffage puissent proposer des équipements de faible puissance, il n’y a pas de restriction quant au choix de tel ou tel type de système de chauffage par rapport à la puissance.

Cependant, si le concepteur n’y prend pas garde, l’isolation d’un bâtiment n’engendre pas seulement que des réductions des besoins de chauffage. Il risque de générer aussi une augmentation des besoins de rafraichissement. D’un point de vue énergétique, si c’est le cas, il est primordial de produire du froid gratuitement ou à peu près !

La manière de produire le plus écologiquement du froid dans notre bonne Belgique est de faire appel au « free cooling » par ventilation naturelle. Ce n’est pas toujours possible !

En effet :

Le confort, dans certains cas, ne peut pas être assuré en permanence. On image difficilement qu’une chambre d’isolé dans un hôpital, de surcroit occupée la nuit, puisse être ventilée naturellement.

Certains maîtres d’ouvrage ne voient pas d’un bon œil de laisser des fenêtres ouvertes la nuit par souci de sécurité (même grillagée).

Les coûts d’une automatisation des systèmes d’ouvertures risquent d’être importants.

La régulation des systèmes d’ouverture n’est pas toujours évidente.

Le choix du « géocooling » comme moyen de refroidissement naturel s’impose donc. Cela tombe bien puisqu’avec le même système, on pourra produire du chaud par « géothermie » et du froid par « géocooling ». En effet, par le choix d’une pompe à chaleur géothermique eau/eau, réversible ou pas suivant le besoin de froid, on peut envisager la stratégie suivante :

En hiver, la chaleur sera « pompée » du sol par la pompe à chaleur en travaillant en mode « chaud », le sol se refroidissant par la même occasion.

En été, le froid accumulé en hiver sera extrait du même sol soit par la pompe à chaleur travaillant en mode froid, soit par 2 pompes de circulation permettant de travailler de manière satisfaisante au niveau énergétique (c’est la seule consommation des pompes qui permet de refroidir le bâtiment).

Cependant, le choix de la géothermie, comme source froide pour des bâtiments à forte isolation, est dépendant aussi de l’équilibre entre les besoins de chaud et de froid de l’immeuble.
Un bâtiment en demande de chaleur :

Qui nécessite peu de besoins de froid sous forme de « géocooling », ne permettra pas de recharger le sol en chaleur en été. Il s’en suivra, dans certains cas, d’un appauvrissement de la capacité du sol à fournir de la chaleur. Dans certaines études (simulation PileSim), on remarque qu’après 15 à 20 ans, la température du sol reste très basse. Dans ces conditions, l’énergie du sol sera plus difficilement exploitable. Si c’est possible, le refroidissement pourra être pris en charge par un système de « free-cooling » de nuit sur l’air par exemple.

Équilibré par la même demande en refroidissement permettrait de pérenniser la source froide.

En pratique, un équilibre 50/50 entre les besoins de chaud et de froid permettra de garantir une géothermie optimale à long terme.

Influence sur le choix du type de source froide et son dimensionnement

Pour une même emprise au sol, un bâtiment tertiaire dont l’enveloppe est performante est moins gourmand en besoin de chauffage qu’un bâtiment de type « passoire ». Par conséquent, il « pompera » moins d’énergie à la source froide.

Source froide : l’air ou aérothermie

L’air est en quantité « infinie » autour du bâtiment ; ce qui signifie que l’influence du niveau d’isolation du bâtiment sur le choix de l’air comme source froide reste faible. Bien que ! Si on pousse le raisonnement à l’absurde, une concentration de bâtiments peu isolés dont le choix de leur système de chauffage se porterait sur une PAC air/eau par exemple, contribuerait à créer un micro climat plus froid qu’il ne serait si les bâtiments étaient peu isolés.

Donc, la performance de l’enveloppe du bâtiment influence l’air comme source froide, mais il faut pousser le raisonnement très loin !

Pour un bâtiment bien isolé, la taille de l’évaporateur pourra être plus petite. Attention toutefois que les évaporateurs sont une source de nuisance sonore dont il faudra tenir compte.

Source froide : le sol ou géothermie

Le sol est une ressource limitée en quantité et en temps. Pour des bâtiments peu « déperditifs », la géothermie peut être intéressante dans le sens où, pour une même empreinte au sol du bâtiment, plus celui-ci est isolé :

Moins il sera gourmand en puissance disponible et plus petite sera l’installation de géothermie.
Plus grande sera la disponibilité d’énergie dans le sol.

Influence de la performance du bâtiment sur la source froide géothermique.

L’augmentation de la performance de l’enveloppe d’un bâtiment permet de mieux exploiter un même volume de sol, c’est vrai ! Mais il est nécessaire de tenir compte comme décrit ci-avant de l’équilibre entre les besoins de chaleur et les besoins de refroidissement.

Une fois n’est pas coutume, c’est la source froide qui risque de conditionner le niveau d’isolation de l’enveloppe du bâtiment !

En effet :

Une enveloppe de bâtiment très performante entraine un déséquilibre entre les besoins Chaud/froid en faveur du besoin de froid : la source froide risque de se réchauffer au cours des années. Il s’ensuit une interrogation au niveau de l’écologique, de l’autorisation d’exploiter le sol, …

Une enveloppe de bâtiment peu performante inverse la tendance : la source froide se refroidit.

Il n’est donc pas dit, avec une technologie comme la géothermie, que le renforcement à outrance de la performance de l’enveloppe du bâtiment soit l’idéal. Comme tout est une question de compromis, dans ce cas particulier, on ne visera pas nécessairement le passif voire mieux. Mais c’est du cas par cas !

Un bureau d’étude spécialisé permettra, par simulation thermique dynamique, de trouver le réel équilibre pour optimiser l’exploitation de la géothermie. On en tiendra compte dès l’avant projet du bâtiment.

Source froide : l’eau ou hydrothermie

Tout comme le sol, l’eau comme source froide (hydrothermie) est une ressource limitée qui dépend, entre autres, du débit de renouvellement du volume d’eau pris comme source froide (plan d’eau, …). Le fait de rendre les bâtiments performants permettra de disposer d’une source froide de taille plus petite (le lac de Genval plutôt que l’Eau d’heure par exemple). Cependant, s’il existe un besoin de refroidissement du bâtiment, l’eau devra être en mesure d’absorber la chaleur extraite du bâtiment par le système de pompe à chaleur réversible. Ceci implique qu’en été :

le débit de renouvellement de la source froide soit suffisant ;
les réglementations en vigueur permettent un rejet de chaleur à température plus élevée que la température moyenne de la source froide.

Influence sur le choix du type de source chaude et son dimensionnement

Régime de température

Les émetteurs à eau

Pour une même volumétrie des locaux dans un bâtiment bien isolé, la puissance d’émission nécessaire sera plus faible. On pourra donc prévoir un régime de température plus faible, et par conséquent la performance énergétique de la PAC associée pourra être améliorée (de l’ordre de 3 % par °C de température de gagné).

Exemple

On considère que la température de l’eau au niveau du condenseur se situe entre 35 et 45 °C pour – 8 °C extérieur dans le cas d’un bâtiment K45. Si on décide d’opter pour la conception d’un bâtiment plus performant (basse énergie ou passif), on pourrait avantageusement passer à des températures de condensation entre 25 et 30°C, soit un gain théorique de l’ordre de 30 % des consommations énergétiques.

Les émetteurs à air

Tout dépend du type d’émetteur :

En détente directe sur l’air hygiénique, les températures de condensation risque de devoir être aussi hautes que pour un bâtiment non isolé sachant que c’est de l’air externe que l’on réchauffe. Dans ce cas, le niveau de performance de l’enveloppe du bâtiment ne joue pas.

Pour des ventilo-convecteur à eau, cela revient au même que pour les radiateurs classiques : les températures de condensation seront sensiblement les mêmes (entre 25 et 30 °C par – 8 °C extérieur).

Inertie de l’émetteur

Dans un bâtiment dont l’enveloppe est performante, la faible inertie de l’émetteur est primordiale. En effet, en mi-saison, la surchauffe risque d’être dommageable si l’inertie de l’émetteur est importante. En effet, en cas de nuit froide, la dalle se chargera pour anticiper la journée qui suit. Malheureusement, le stockage de chaleur risque de ne servir à rien si les apports solaires pendant la journée sont élevés. La combinaison des apports solaires au travers des parois vitrées et des apports internes générés par la dalle de sol chauffante ne peuvent être évacués. Il s’ensuit une surchauffe importante des locaux.

Pour pallier à ce problème, on pense, par exemple, au plancher chauffant qui doit nécessairement être à faible inertie. L’émetteur dynamique à faible inertie, comme montré ci-dessous, permet de bien répondre aux besoins de réactivité d’un bâtiment performant. Tout dépendra naturellement du type de revêtement qui sera placé en finition au-dessus du plancher chauffant. Un matériau thermiquement isolant impliquera une augmentation de la température de l’eau de l’émetteur entrainant une dégradation de la performance de la pompe à chaleur. On rappelle qu’une augmentation de 1 °C de la température de condensation de la PAC entraine une dégradation de sa performance de l’ordre de 3 %.

Source Opal-système.

Influence sur le choix du type de compresseur

Les bâtiments qui présentent un niveau d’isolation important permettront le choix de pompe à chaleur de puissance raisonnable dans une gamme plus élargie. Au point que pour certains bâtiments tertiaires de petite taille, on pourrait même envisager d’étendre la gamme aux pompes à chaleur domestiques.

Quand on est en présence d’un bâtiment performant, le système de chauffage, quel qu’il soit, doit être très réactif à la relance et pouvoir moduler sur une plage de puissance large. On considère que la plage de variation de puissance des PAC (taux de charge) peut raisonnablement varier entre 30 et 100 %. L’idéal est donc de choisir des pompes à chaleur avec compresseur à vitesse variable (technologie INVERTER).

Publié par : Sylvie 20 Déc, 2011

Dimensionner une installation de chauffage : principes généraux

Dimensionnement de la production de chaleur

Le principe du dimensionnement

Durant la saison de chauffe, deux besoins de chauffe apparaissent :

Un transfert de chaleur s’effectue de l’ambiance intérieure chaude vers l’extérieur plus froid, au travers des parois.

De l’air hygiénique entre dans le bâtiment « neuf et froid »,… et sort « vicié et chaud ».

Ces pertes de chaleur sont appelées les déperditions du bâtiment.

Le but de l’installation de chauffage est de compenser ces déperditions pour maintenir la température intérieure constante. Dimensionner les systèmes de chauffage, c’est calculer la puissance utile nécessaire pour y parvenir lors des conditions extrêmes : lorsque la température extérieure est minimale, qu’il n’y a pas de soleil et que les apports internes sont nuls.

Les déperditions du bâtiment doivent être calculées suivant la norme NBN B 62-003. (nouvelle norme NBN EN 12831 : 2003).

Toutefois, le Cahier des Charges 105 de la Régie des Bâtiments (1990) ne prend en compte que la moitié des déperditions par infiltration calculées pour chaque local. En effet, celles-ci ne se manifestent jamais simultanément : selon la direction du vent, une façade est en surpression et la façade opposée est en dépression. Conséquence, seule une partie du bâtiment (environ la moitié) voit son air renouvelé par de l’air extérieur, l’autre se voit traversé par cet air déjà préchauffé.

Actuellement, la réglementation impose l’organisation d’une ventilation permanente :

S’il s’agit d’une ventilation permanente organisée naturellement, une règle similaire peut être d’application : les débits qui entrent dans les locaux munis d’orifice d’alimentation sont les mêmes que ceux qui sont évacués par les locaux en dépression, après passage dans les couloirs (« le même air est utilisé 2 fois »). Si bien que le taux de renouvellement d’air moyen β peut être pris égal à 0,5.

Si l’installation est mécanique, c’est l’entièreté du débit d’air neuf hygiénique qui doit être pris en compte.

Attention à la température extérieure de référence !

La température extérieure extrême pour laquelle il faut dimensionner l’installation est mentionnée dans la norme NBN B 62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003), pour chaque commune de Belgique. Cette température, appelée « température de base », correspond à la « température extérieure moyenne journalière qui, en moyenne, n’est dépassée vers le bas que pendant un seul jour par an ».

C’est cette température qui doit servir de référence et non l' »impression » du chauffagiste qui pense qu’il fait souvent plus froid dans sa région, ou qui veut à tout prix que le confort soit garanti en cas de gel à – 20 °C comme on en rencontre tous les 30 ans.

En fait, un bâtiment a de l’inertie et ses besoins de chauffage sont sensibles à la T°moyenne jour/nuit. D’ailleurs, lorsque la température de – 10 °C est choisie, il s’agit d’une moyenne entre les extrémis jour et nuit. En fait, dimensionner pour « – 10 °C », c’est en réalité dimensionner pour – 15 °C la nuit et – 5 °C le jour, par exemple. Donc une installation calculée pour – 10 °C « tiendra » pour – 15 °C la nuit.

Températures extérieures minimales de base, en Belgique.

Faut-il surdimensionner la production de chaleur pour permettre l’intermittence ?

Lorsque l’on pratique un chauffage discontinu (coupure nocturne, de week-end, …), la relance de l’installation demande une surpuissance par rapport au fonctionnement continu. Cette surpuissance sera surtout fonction de l’inertie thermique du bâtiment (la masse des matériaux) qu’il faudra réchauffer. Et l’isolation renforcée des bâtiments récents augmente l’importance relative de la puissance de relance par rapport à la puissance des déperditions en régime permanent.

La norme NBN B62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003) estime qu’il faut tenir compte de cette surpuissance dans le dimensionnement de la production de chaleur. Mais le calcul (emprunté à la norme allemande DIN 4701) est assez complexe et peut générer des surpuissances « exagérées » (selon « rapport n°1 » du CSTC).

Par contre, le cahier des charges type 105 de la Régie des Bâtiments, et nous penchons plutôt dans ce sens, préconise de choisir la puissance de la production correspondant aux déperditions du bâtiment et de dimensionner les émetteurs de chaleur à un régime de température d’eau inférieur à celui du générateur. Par exemple, en régime 80°/60° pour les émetteurs, si la production de chaleur est dimensionnée pour un régime de 90°/70°.

Durant la saison de chauffe

Cette méthode donne lieu à un surdimensionnement des émetteurs de 27 % en moyenne, ce qui est une surcapacité suffisante dans la plupart des situations de l’année, sachant que la production de chaleur est de toute façon surdimensionnée 364 jours par an !

En fait, sur la saison de chauffe, toute installation possède une surpuissance moyenne de 100 %. En effet, la température extérieure moyenne d’une saison de chauffe est de l’ordre de 6 °C (5 °C en Ardenne) et la température extérieure de base prise en compte pour le dimensionnement est en moyenne de – 10 °C. La différence de température entre intérieur et extérieur à vaincre est donc en moyenne de 20 °C – 5 °C = 15 °C, alors que l’installation a été dimensionnée pour une différence de 20 °C – (- 10 °C) = 30 °C, soit 2 fois plus.

Lors de la situation la plus critique

Il reste la situation la plus critique : on peut imaginer, par exemple, que le chauffage est coupé entre Noël et Nouvel An, que le bâtiment est seulement maintenu à 14 °C et qu’il gèle à – 10 °C le jour de la reprise…

Le surdimensionnement des émetteurs ne sera pas utile si la production de chaleur ne l’est pas.
Mais plusieurs critères vont renforcer la puissance de chauffe effective :

Lors de la sélection de la production de chaleur, la norme NBN D30-001 (1991) propose la répartition de puissance suivante :

Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de production de chaleur	Puissance utile de la production de chaleur
Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de production de chaleur	Production de chaleur 1	Production de chaleur 2	Production de chaleur 3
< 200	1	1,1 x Q_tot	–	–
200 kW < .. < 600	2	0,6 x Q_tot	0,6 x Q_tot	–
> 600	3	0,33 x Q_tot	0,33 x Q_tot	0,5 x Q_tot
> 600	3	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot
de facto, la puissance de la (des) production (s) de chaleur sera surdimensionnée de 10 à 20 %,

Lors des calculs, des marges de sécurité sont prises sur la définition des caractéristiques thermiques des matériaux qui composent les parois.

La production de chaleur choisie dans un catalogue de fournisseur aura une puissance supérieure à la valeur calculée.

La ventilation mécanique des bâtiments doit être mise à l’arrêt en période d’inoccupation, et donc aussi pendant la relance. La ventilation mécanique représentant de l’ordre de 50 % de la puissance de chauffe d’un bâtiment bien isolé, c’est autant de puissance de relance qui se dégage. Si l’installation de ventilation est naturelle, une fermeture soit des grilles d’entrée d’air, soit des cheminées de sortie d’air est recommandée pour limiter les déperditions en période d’inoccupation. S’il s’agit d’un ancien bâtiment sans système de ventilation, portes et fenêtres resteront fermées durant la relance.

La régulation par optimisation relancera suffisamment tôt le chauffage, quitte par période exceptionnelle de gel intense, à ce que l’installation fonctionne en régime continu sans interruption.

Dès l’arrivée des occupants, des apports internes (éclairage, bureautique, …) viendront renforcer l’apport des corps de chauffe.

Les périodes de froid intense sont accompagnées de ciel serein et donc de soleil, permettant un éventuel complément de chauffe en milieu de matinée.

Et finalement, faudrait-il vraiment surdimensionner toute une installation pour une situation exceptionnelle pouvant nuire très temporairement à notre confort ?

Faut-il tenir compte des pertes de distribution ?

Non, le dimensionnement ne doit pas tenir compte des pertes dans le réseau de distribution. En effet, celles-ci sont en partie récupérées par le bâtiment et, lorsque les conduites parcourent des zones non chauffées, leur degré d’isolation est suffisant pour rendre les pertes négligeables.

Comment vérifier que le dimensionnement a été effectué correctement ?

Déperditions au travers des parois et pertes par ventilation

C’est le bureau d’études ou l’installateur qui doit effectuer le dimensionnement, c’est-à-dire calculer les déperditions du bâtiment suivant la norme NBN B62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003). Pour cela, il a besoin de connaître :

La surface et la composition de toutes les parois qui entourent le volume chauffé du bâtiment : murs extérieurs, murs intérieurs en contact avec des locaux non chauffés, portes et fenêtres, planchers sur sol, sur cave, sur vide ventilé, toiture ou plafond sous grenier non chauffé, coupoles, …

Les températures de consigne de chacune des zones intérieures (la norme donne des valeurs indicatives à prévoir en fonction du type de local).

Ce qui signifie que si ces données n’ont pas été demandées, le dimensionnement n’a pas été réalisé selon les règles.

À titre de contrôle, on peut se faire une idée de la puissance à installer en utilisant le tableau suivant (attention, ce tableau ne peut être utilisé pour dimensionner, mais bien pour vérifier un calcul !) :

Puissance spécifique à installer [W/m³] pour une température intérieure de consigne de 19 °C, une température extérieure de base de – 8 °C et un taux de renouvellement d’air de 0,7 vol/h
Compacité du bâtiment (Volume chauffé / Surface déperditive) [m]	Niveau global d’isolation
	K35	K45	K70	K150
0,5	23,9	31,6	46,3	67,6
1	16,7	19,4	26,6	47,3
1,5	14,7	17	22,6	40,6
2	13,9	15,9	21,0	37,2
3	13,5	15,2	20,2	33,8
4	–	–	16,8	32,1

K35 = bâtiment basse énergie ;
K45 = bâtiment bien isolé (construire avec l’énergie) ;
K70 = bâtiment isolé des années 80 ;
K150 = bâtiment ancien et non isolé.

On se rend compte que l’on atteint qu’exceptionnellement une puissance de 60 W/m³. Ce ne sera que pour un petit bâtiment très peu compact (fort étalé et présentant beaucoup de recoins) et extrêmement mal isolé.

Calculs	Pour adapter ces valeurs à votre situation et contrôler le dimensionnement de votre nouvelle chaudière.
Cahier des charges	Dimensionnement de la production de chaleur. Puissance de la production combinée de chauffage et d’eau chaude sanitaire.

Puissance de relance

A la puissance nécessaire pour vaincre les déperditions au travers des parois et les pertes par ventilation, il faut adjoindre la puissance de relance en cas d’intermittence ou de ralenti nocturne. Comme le montre le tableau suivant (extrait de la norme NBN EN 12831), la puissance de relance dépend principalement :

De l’inertie du bâtiment ;
De la chute prévue de la température intérieure lors du ralenti ;
Du temps de relance toléré pour atteindre le confort.

Temps de relance pour une durée maximale de ralenti de nuit de 12 heures	f_rh W/m²
	Chute prévue de la température intérieure lors du ralenti
	2K			3K			4K
	Inertie du bâtiment
	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte
1 2 3 4	18 9 6 4	23 16 13 11	25 22 18 16	27 18 11 6	30 20 16 13	27 23 18 16	36 22 18 11	27 24 18 16	31 25 18 16

L’addition des puissances dues aux déperditions des parois et des pertes par ventilations avec la puissance de relance détermine la puissance totale à prévoir pour le système de production de chaleur.

Influence de la performance de l’enveloppe du bâtiment

Facteurs d’influence

Le dimensionnement d’une installation de chauffage dépend donc :

de la charge thermique due aux déperditions au travers des parois ;
de la charge thermique due à la ventilation et aux in/exfiltrations ;
de la puissance de relance nécessaire en cas d’intermittence.

Au travers de différents exemples repris ci-dessous, on se propose d’étudier l’influence de l’amélioration de la performance de l’enveloppe d’un bâtiment.

Exemple 1

Soit un immeuble de bureau modélisé avec les caractéristiques suivantes :

Composé d’un sous-sol enterré sur la moitié de la surface au sol, d’un RDC + 2 ;
Empreinte au sol de 980 m² ;
3 411 m² de surface nette totale ;
10 233 m³ de volume intérieur ;
La hauteur sous plafond est de 2,5 m ;
Le bâtiment est équipé d’un système de ventilation double flux avec un récupérateur de chaleur de rendement thermique de 70 % ;
Le taux de renouvellement est de 1 vol/h ;
Le rendement moyen du récupérateur de chaleur sur l’air hygiénique est de 70 % ;
La compacité volumique du bâtiment (V/At) est de 3.3 ;
L’inertie du bâtiment est moyenne.

Sur base de la norme de dimensionnement NBN EN 12831 : 2003, on calcule les charges thermiques par transmission (déperditions des parois) et par renouvellement d’air, ainsi que la puissance de relance, et ce en fonction de l’évolution de la performance de l’enveloppe. On entend par performance de l’enveloppe, la prise en compte du niveau d’isolation des parois externes et de l’étanchéité du bâtiment. Une image parlante (mais à prendre avec des pincettes) est la valeur K du bâtiment.

Les hypothèses suivantes sont prises :

La température extérieure de dimensionnement est de – 8 °C ;
La température interne est de 20 °C ;
La moyenne de la température externe est de 8 °C ;
Le temps de relance est de 3 heures ;
En fonction de la performance de l’enveloppe, les hypothèses suivantes sont prises :

Niveau de performance de l’enveloppe	Taux de renouvellement n50 (h^-1)	Rendement thermique du récupérateur (%)	U moyen du bâtiment (W.m-2.K^–
K70	5	–	1.2
K45	2,5	70	0.8
K30	2	70	0.5
K19	0,6	70	0.3

Remarque : de manière tout à fait arbitraire, on considère que le bâtiment de type K70, à l’époque, n’était pas équipé d’un récupérateur de chaleur.

Le graphique suivant donne une idée de l’évolution de la puissance de chauffe en fonction du niveau d’isolation du bâtiment.

Image de la performance de l’enveloppe.

Lorsque le niveau d’isolation augmente :

Les charges thermiques par transmission diminuent. En d’autres termes, le U_moyen du bâtiment (W/m².K) s’améliore de par l’augmentation de l’épaisseur d’isolant dans les parois externes.

Les charges thermiques par ventilation et infiltration diminuent sachant que :
- Celles par ventilation du système de ventilation hygiénique restent constantes. En effet, on considère que les débits ne sont pas changés. Dans le cas du bâtiment K70, le système de ventilation n’étant pas équipé d’un récupérateur (courant sur les vieilles installations), la charge thermique augmente de 70 %.
- Celles par infiltration diminuent. Effectivement, lorsqu’on améliore le niveau d’isolation, on peut considérer qu’un soin particulier doit être pris à réduire aussi le niveau d’infiltration.

Concernant la puissance de relance :
- En absolu, elle diminue. En effet, par la pratique de l’intermittence ou de l’abaissement de la consigne de température de nuit, le bâtiment se refroidit. Plus l’enveloppe du bâtiment est performante, moins la chute de température interne sera conséquente et plus facile sera la relance.
- En relatif, par rapport aux autres charges thermiques, elle augmente comme le montre les diagrammes ci-dessous :

Exemple 2

En décidant de réduire l’inertie du bâtiment (plancher et plafond en bois par exemple), l’influence de la puissance de relance sur la puissance totale de dimensionnement se réduit comme le montre le graphique suivant.

Image de la performance de l’enveloppe.

Exemple 3

A l’inverse, quand l’auteur de projet décide de renforcer l’inertie du bâtiment (plancher et plafond en béton), l’influence de la puissance de relance sur la puissance totale de dimensionnement augmente comme le montre le graphique suivant.

Image de la performance de l’enveloppe.

En résumé

L’augmentation de la performance énergétique de l’enveloppe :

En absolu, s’accompagne d’une réduction de la puissance de dimensionnement du système de chauffage. En effet :

Les déperditions au travers des parois sont réduites de par l’isolation croissante.
Le taux d’in/exfiltrations diminue. En d’autres termes, l’étanchéité du bâtiment s’améliore.
En cas d’intermittence, la puissance de relance diminue :
- Pour un bâtiment à faible isolation, la coupure du chauffage en période nocturne ou le WE peut engendrer des variations de température entre le début et la fin de la coupure de l’ordre de 4 K.
- Pour un bâtiment à forte isolation, toute autre chose restant égale (par exemple l’inertie), l’intermittence ou le ralenti nocturne provoque une réduction de la température interne limitée. Sur une période de 12 heures, on pourrait observer une chute de température de l’ordre de 2 K par exemple.

En relatif, met en évidence une augmentation significative de la part de puissance prise en charge pour la relance. Ce qui signifie, qu’au cours d’une journée un bâtiment bien isolé :

Demandera tôt le matin une puissance de relance proche de la puissance nominale du système de chauffage, et ce pendant un temps relativement court.
- Lorsque le bâtiment sera occupé, nécessitera une puissance très faible pour contrecarrer les déperditions relativement faibles pendant un temps plus long.

Publié par : Sylvie 20 Déc, 2011

Moderniser une chaufferie existante en associant une chaudière à condensation et un cogénérateur

Intérêt énergétique, environnemental et financier

Pour rappel, que ce soit en rénovation ou en conception, la cogénération est juste là pour produire un maximum d’énergie thermique et électrique locale sur base d’un profil de chaleur. L’appoint en chauffage, via des chaudières à condensation par exemple, n’est là que pour :

Donner un « coup de pouce » en termes de puissance pendant les périodes froides ;
Prendre le relai en mi-saison lorsqu’on décide de ne pas faire fonctionner la cogénération ;
Palier à une défectuosité de la cogénération.

Scénario de départ

Le gestionnaire d’un parc immobilier décide de remplacer une des deux chaudières d’un bâtiment. Il pense naturellement à une chaudière à condensation. Mais aurait-il un intérêt à investir aussi dans une cogénération ?

Avant de se lancer dans une entreprise d’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il est impératif de savoir s’il existe un intérêt énergétique, environnemental et financier réel à les associer. En d’autres termes :
Vaut-il mieux se contenter :

De remplacer les anciennes chaudières par des chaudières à condensation et d’optimiser l’installation tant au niveau hydraulique qu’au niveau de la régulation du système de chauffage, et ce dans le but d’optimiser uniquement le rendement saisonnier de la chaufferie ?
De continuer à « importer » de l’électricité à partir du réseau ??

Ou faut-il viser directement l’association des chaudières avec un cogénérateur en considérant que sur site :

La cogénération consomme plus de combustible pour chauffer le bâtiment et produire de l’électricité en local ?
Les chaudières consomment un solde de combustible lorsque la cogénération ne « tourne pas » ?
Le réseau fournit le solde de besoin d’électricité ?

En se lançant dans l’aventure de la cogénération, il faut bien être conscient qu’un cogénérateur doit tourner un maximum de temps et la ou les chaudières classiques ou à condensation doivent être considérées comme un appoint à la cogénération.

Dans ce qui suit, on tente d’y répondre par l’utilisation du logiciel d’étude de pertinence de cogénération de la Région Wallonne CogenSim (version 3.11 ; 2011) :

Simulation

Le postula de départ est qu’une étude de faisabilité d’installation d’une cogénération a démontré un intérêt énergétique, environnemental et financier intéressant.

On utilisera CogenSim comme logiciel de simulation. Comme point de départ les données suivantes sont nécessaires :

Le profil de chaleur est mesuré sur place pendant au moins 2 semaines complètes.
Le profil électrique obtenu sur base d’une analyse pertinente des enregistrements :
- réalisés sur site et synchronisés avec l’analyse thermique ;
- donnés par le fournisseur d’électricité.

Profil de puissance électrique quart horaire, profil électrique mensuel.

Profil de puissance électrique quart horaire, profil électrique hebdomadaire.

En partant du principe qu’une cogénération est dimensionnée pour assurer la base du profil de besoins de chaleur, le solde étant fourni par une chaudière, plus cette chaudière sera performante, plus importante sera la réduction des consommations énergétiques pour fournir ce solde.

Calculs

Pour plus de renseignements sur le calcul de rentabilité de l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation.

Une manière d’y arriver est de simuler une cogénération associée à une chaudière dont le rendement saisonnier évolue de 80 à 99 %.

Y a-t-il un intérêt réel d’association ?

En préliminaire, il faut toutefois faire remarquer que le cas simulé dans la note de calcul est très favorable à l’investissement dans une cogénération. En effet, les profits des besoins de chaleur et d’électricité se complètent bien. Tous les projets ne sont pas toujours aussi favorables ! Par exemple, lorsque le besoin de chaleur est faible par rapport à la demande d’électricité, l’investissement dans une cogénération n’est pas toujours rentable.

A voir donc au cas par cas !

Concevoir

Pour plus de renseignements sur les cogénérateurs

Niveau énergétique

En partant du principe :

que pour les profils de chaleur et d’électricité mesurés précisément, l’étude précise de faisabilité du placement d’une cogénération est intéressante énergétiquement, environnementalement et financièrement parlant ;
que le remplacement d’au moins une chaudière existante est acquis ;

l’association d’une ou de plusieurs chaudières à condensation au cogénérateur est un plus énergétique comme le montre le graphique suivant :

Évolution des consommations en énergie primaire.

Niveau environnemental

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est liée à la différence des consommations en énergie primaire de la nouvelle chaudière et du cogénérateur par rapport à celles de l’ancienne chaudière et de la centrale électrique. Dans le cas étudié dans la note de calcul , la réduction des émissions de CO₂ est effective même pour une cogénération au gaz et sera d’autant meilleure que le rendement des chaudières d’appoint sera élevé. On privilégiera donc les chaudières à condensation. Le bilan environnemental sera naturellement influencé par le type de combustible utilisé par la cogénération. En effet, le nombre de certificats verts octroyés (CV) sera d’autant plus important que le combustible sera renouvelable (bois, huile végétale, …).

Niveau financier

Quant au bilan financier, il est en général lié aux éléments principaux suivants :

aux coûts imputés aux consommations des différents combustibles et aux frais de maintenance ;
à l’investissement :
- dans l’installation de la cogénération et de la (des) chaudière(s) ;
- dans la modification du circuit hydraulique primaire ;
- dans l’adaptation de la régulation de la cascade cogénération/chaudière(s) ;
à l’octroi des primes et des certificats verts (CV) ;
à l’autoconsommation maximale de l’électricité produite par la cogénération (réduction de la facture électrique) ;
à la revente résiduelle d’électricité. Attention à ne pas devenir producteur d’électricité.

Le bilan financier est très variable. La rentabilité de la cogénération provient du gain engendré sur la facture électrique et les CV. Le premier gain est très important d’où l’importance d’auto consommer un maximum l’électricité produite par la cogénération pour maximiser la rentabilité de l’installation.

Aspect hydraulique et de régulation

Condition de cohabitation

On rappelle ici que la cogénération est maître dans l’association cogérateur(s)/chaudière(s). Ce qui signifie que, si l’étude de faisabilité de la cogénération a été réalisée correctement, elle doit fonctionner pendant une partie non négligeable de la saison de chauffe (un ordre de grandeur de 4 à 5 000 heures est courant pour une rentabilité acceptable). Tout dépend naturellement du profil de chaleur du bâtiment considéré. La cohabitation n’est effective que lorsque le besoin de chaleur est supérieur à la puissance de la cogénération.

Pour qu’une cogénération puisse cohabiter avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il faut en même temps alimenter :

La chaudière à condensation avec un retour en chaufferie le plus froid possible (pour le gaz < 55 °C) ;
Le cogénérateur avec un retour dont la température n’est pas inférieure à 60 °C.

C’est à ce niveau que les aspects d’adaptation des circuits hydrauliques et de la régulation ainsi que la disposition des équipements de production, les uns par rapport aux autres, prennent toute leur importance.

Avant d’entamer un projet de grand « chambardement » au niveau de la chaufferie, il faut d’abord savoir si, en fonction des différents besoins de chaleur, on peut ramener un retour d’eau « froid » au niveau de la chaufferie. Pour être franc, c’est important, mais pas fondamental ! En effet, que la chaudière à condensation condense ou pas, en général son rendement est meilleur que celui d’une chaudière classique (les échangeurs des chaudières à condensation sont surdimensionnés). Mais il serait quand même dommage d’investir dans une technologie pointue pour ne pas ou peu l’exploiter !

Le retour froid en chaufferie est, entre autres, conditionné par le régime de température des émetteurs. Ce régime est déterminé en fonction de la charge thermique par déperdition au travers des parois et par in/exfiltration ainsi que la charge thermique par ventilation hygiénique des différents locaux du bâtiment :

> Pour un « bâtiment passoire », les besoins thermiques sont importants. Pour les contrecarrer, il est nécessaire de produire de la chaleur à haute température (régime 90-70 °C). En période froide, un retour à 70 °C ne permettra pas à la chaudière de condenser pleinement.

> Pour un bâtiment dont la performance de l’enveloppe a été améliorée (isolation des parois, remplacement de châssis à simple vitrage par des châssis à double vitrage à basse émissivité, placement de récupérateur de chaleur sur un système de ventilation à double flux, …), les régimes de température pourront avantageusement être revus à la baisse (régime 80-60 °C ou encore 70-50 °C).

Aspect hydraulique

Température de retour

Lorsqu’on peut envisager un retour froid au niveau de la chaufferie, il est souvent nécessaire de modifier le circuit (hydraulique des chaudières et de la distribution primaire). Vannes à 4 voies, bypass, …

En première approximation, on pourrait dire que si l’hydraulique permet de faire cohabiter une chaudière à condensation avec une chaudière classique à plus haute température, il n’y a pas de raison pour qu’elle ne puisse pas cohabiter avec une cogénération. En effet, les chaudières classiques et les cogénérations nécessitent un retour d’environ 60 °C minimum, et ce pour éviter justement la condensation des fumées de combustion qui leur est néfaste. À noter qu’une température de retour de 70 °C est un maximum.

Exemple de configuration hydraulique

L’exemple repris ici est une configuration parmi d’autres. En rénovation, c’est quasi du cas par cas. Il sera toujours nécessaire de faire appel à un bureau d’étude spécialisé maîtrisant à la fois les techniques liées à la cogénération et aux chaudières qu’elles soient traditionnelles ou à condensation.

Dans les chaufferies existantes d’un certain âge, on retrouve régulièrement la même configuration :

Deux chaudières traditionnelles à brûleur à deux allures travaillant sur sonde de température d’eau chaude de départ. Pour les chaudières plus récentes, elles pourraient être équipées d’un bruleur modulant piloté par une courbe de chauffe tout en prenant soin de ne pas atteindre la température de condensation dans l’échangeur.
Le collecteur est bouclé.
Deux pompes primaires en parallèle assurent le débit nominal.

Chaufferie existante : chaudières classiques.

Remplacement d’une chaudière existante par une chaudière à condensation et placement d’une cogénération.

En rénovation, on décide de remplacer une des chaudières traditionnelles par une chaudière à condensation. De plus, on décide d’y adjoindre une unité de cogénération.
Les modifications à apporter à l’hydraulique sont les suivantes :

L’hydraulique de la chaudière traditionnelle est modifiée : il est nécessaire de lui assurer un débit et une température de retour minimum. Une vanne 3 voies-mélangeuse et un circulateur permettent d’y arriver.

Le cogénérateur et son ballon tampon sont en tête de cascade. C’est lui qui fournit la chaleur en priorité via le ballon tampon en modulant de 60 à 100 % de sa puissance thermique. Certains constructeurs sont contre la modulation de puissance, car il est vrai qu’elle dégrade principalement le rendement électrique : on perd de l’ordre de 1 à 2 %. Cependant le fait d’essayer d’atteindre les 100 % en permanence risque de faire « pomper » la cogénération (marche/arrêt successifs) ; ce qui réduit la durée de vie de la cogénération. Sans rentrer dans les détails, on parvient à limiter cet effet par la présence d’un ballon tampon bien dimensionné et du contrôle de son taux de charge.
La chaudière à condensation est positionnée hydrauliquement pour amener un appoint à la cogénération si le besoin de chaleur dépasse la puissance nominale de la cogénération. La chaudière à condensation est équipée de deux retours permettant de différencier la haute et la basse température avant la dérivation vers l’ensemble ballon tampon/cogénérateur. La dérivation vers l’échangeur haute température passe d’abord vers l’installation de cogénération ; celle vers l’échangeur à condensation (basse température) est directe.
Le maintien des deux pompes primaires est inutile sachant que l’ancienne chaudière a maintenant son propre circulateur pour assurer la mise à température de son retour si nécessaire et que le ballon et la chaudière à condensation seront irrigués par les circulateurs secondaires. On notera toutefois que les circulateurs secondaires devront être remplacés de manière à adapter les débits et les hauteurs manométriques. Dans la même lignée, le bouclage sera supprimé. On restera toutefois attentif à ce que les circulateurs des circuits secondaires puissent assurer la prise en charge des pertes de charge du circuit primaire (collecteur principal, chaudière à condensation, …).
Attention que, dans le cas où le collecteur est éloigné, le bouclage de collecteur doit être maintenu, mais néanmoins « bridé » de manière à assurer, par un débit minimum, un maintien en température du collecteur. Il s’ensuit qu’une pompe à débit variable doit remplacer les deux pompes de circulation existantes.

Exemple de configuration hydraulique délicate

Le positionnement hydraulique de la cogénération par rapport aux chaudières a toute son importance. Sans y prendre garde, on peut vite arriver à des situations qui, après coup, deviennent ingérables tant au niveau de l’équilibrage hydraulique que de la régulation comme, par exemple, une cogénération qui se « repique » sur une réserve en bout du collecteur principal :

Remplacement d’une chaudière existante par une chaudière à condensation et placement d’une cogénération en bout de collecteur.

En rénovation l’installateur et le maître d’ouvrage seront tentés d’utiliser un départ/retour de réserve du collecteur pour installer la cogénération. En effet, cette configuration permet :

de s’en sortir à moindre coût au niveau de la modification de l’hydraulique de l’installation ;
de ne pas interrompre la production de chaleur. Par exemple lorsque les circuits de chauffage et d’ECS sont branchés sur le même collecteur et que l’ECS a un profil de puisage relativement continu (cas des hôpitaux).

Cette configuration est simple à mettre en œuvre, mais elle pose un certain nombre de problèmes difficiles à solutionner par la suite, à savoir :

des déséquilibres hydrauliques importants sont inévitables. On pourrait très bien se retrouver avec un « conflit » de production, les chaudières et certains circuits de distribution devenant émetteurs ou l’inverse ;
des problèmes de régulation de cascade comme par exemple le « pompage » de la cogénération.

Aspect régulation

La globalisation de la régulation tant au niveau de la cascade des chaudières que de la cogénération est primordiale. Dans des projets existants, on trouve trop souvent des cogénérateurs avec leur propre régulation qui viennent se « greffer » sur une cascade existante de chaudières, elles-mêmes avec leur propre système de régulation. Travailler avec un seul fabricant garantit la compatibilité.

Pour bien réguler l’ensemble de l’association chaudières classiques/chaudières à condensation/cogénérateur, on considérera l’ordre de priorité suivant :

Zone 1 : priorité à une chaudière à condensation pour les faibles besoins de mi-saison par exemple. C’est intéressant de faire fonctionner la chaudière à condensation à faible charge sachant que dans une plage de modulation de 10 à 50 % voire 60 %, ce type de chaudière est très performant au niveau énergétique.
Zone 2 : priorité au cogénérateur durant la saison de chauffe. Pendant cette période, il module entre 60 et 100 % de sa puissance thermique nominale. Suivant le profil de besoin, la quantité de démarrages peut être limitée, « ce qui lui sauve la vie ! » .
Zone 3 : le cogénérateur travaille à 100 % de son taux de charge et la chaudière à condensation module de 10 à 100 %. À noter toutefois que pour quelques heures par an, la seconde chaudière peut donner un appoint. = Zone 4.

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation de l’association chaudières classiques/chaudière à condensation/ cogénérateur.

Publié par : Sylvie 23 Sep, 2010

Choisir la cheminée et la ventilation de la chaufferie

Étanchéité et alimentation en air

Distinction entre chaudières étanches (figures du bas) et non-étanches (figures du haut) ainsi que des chaudières à tirage naturel (figures de gauche) et à tirage forcé (figure de droite)

Étanchéité de la chaudière

On distingue les chaudières étanches et non-étanches. Les chaudières étanches ont des circuits de combustion étanches par rapport à l’enveloppe du bâtiment. Elles tirent leur air de combustion de l’environnement extérieur. À l’opposé, la chaudière non-étanche soutire son air de combustion de la pièce dans laquelle elle est installée. Cette distinction a une influence sur la stratégie de ventilation du local de chauffe. De manière générale, la ventilation a pour objectif de maintenir la température du local en-dessous d’un certain seuil (typiquement 40°C). En effet, la chaudière ainsi que les circuits hydrauliques associés sont sujet à des pertes de chaleur. Le but de ventilation est alors d’évacuer ces pertes. Dans le cas d’une chaudière non-étanche, la ventilation du local doit aussi amener l’air nécessaire pour une combustion correcte dans l’appareil. Cela aboutit à un dimensionnement différent, essentiellement en ce qui concerne l’amenée d’air neuf dans le local de chauffe.

Tirage naturel ou forcé

Une seconde distinction concerne la force motrice qui assure le mouvement des gaz dans le circuit de combustion. On trouve, d’une part, les chaudières munies d’un ventilateur. Si celui-ci est suffisamment puissant, il assurera la majeur partie du travail pour amener l’air neuf à la chaudière et pour évacuer les fumées. On parle alors de tirage forcé. D’autre part, on a les chaudières travaillant essentiellement par tirage naturel. En effet, l’air contenu dans la cheminée a une température plus élevée que la température ambiante si bien que la densité de l’air dans cette cheminée est plus faible. Du coup, cette colonne d’air a tendance à s’élever tout en appelant de l’air frais vers l’appareil de combustion. De nouveau, cette distinction entre mode de fonctionnement conditionne le dimensionnement de la cheminée. Dans le cas du tirage naturel, celle-ci doit être dimensionnée de manière rigoureuse pour assurer une évacuation correcte des produits de combustion et amener une quantité suffisante d’air neuf à l’appareil et donc garantir une bonne combustion.

Cheminée

Le rôle de la cheminée est d’évacuer les gaz de combustion. Ces gaz contiennent principalement du CO₂ et de l’eau mais aussi des composants toxiques comme le CO ou des oxydes d’azote (NOx).

Une mauvaise cheminée peut donc être dangereuse pour les occupants ou se détériorer sous l’effet de la condensation des fumées. Elle peut également perturber les performances de la chaudière, en tout cas pour les chaudières en dépression.

Le conduit de cheminée doit respecter 4 critères :

être bien dimensionné,
avoir le tracé le plus rectiligne possible,
avoir un débouché à l’abri des perturbations du vent,
avoir une faible inertie thermique et une bonne isolation.

Dans le cas des chaudières étanches, les conduits d’évacuation sont considérés comme faisant partie intégrante de la chaudière si bien que le couple chaudière et circuit a été conçu par le fabricant. Il faut se référer à ses spécifications pour garantir un fonctionnement correct de l’installation. Dans les cas des chaudières non-étanches, on doit les raccorder à un circuit d’évacuation qui doit être correctement dimensionné.

Dimensionnement de la cheminée

Le dimensionnement du conduit d’évacuation diffère selon que la chaudière est dotée d’une chambre de combustion non-étanche (ouverte) ou étanche.

Dimensionnement pour chaudières étanches

Dans le cas des chaudières étanches, les conduits d’évacuation sont considérés comme faisant partie intégrante de la chaudière si bien que le couple chaudière et circuit a été conçu par le fabricant. Il faut se référer à ses spécifications pour garantir un fonctionnement correct de l’installation.

Dimensionnement pour chaudières non-étanches

Dans les cas des chaudières non-étanches, il faut les raccorder à un circuit d’évacuation qui doit être correctement dimensionné. La chaudière ne peut fonctionner correctement sans cette cheminée adaptée. C’est pourquoi, la cheminée doit être choisie en fonction de la chaudière et non l’inverse.

Par exemple, une chaudière avec un ventilateur suffisamment puissant ne nécessite pas systématiquement un tirage naturel pour assurer la bonne évacuation des fumées. Dans ce cas de figure, le conduit d’évacuation peut être relativement court. En effet, dans le cas des chaudières où le tirage naturel joue un rôle prépondérant, la longueur de la cheminée doit être suffisamment longue pour assurer le tirage souhaité. À l’opposé, ce conduit ne doit pas être trop long si on veut éviter la condensation et ses désagréments. On l’aura compris, dimensionner un cheminée est question de spécialiste qui mérite un traitement rigoureux.

En outre, on distingue les foyers dits « pressurisés » et les foyers « à dépression ». La situation est encore différente avec une chaudière gaz atmosphérique. La puissance de la chaudière joue également un rôle important puisqu’elle conditionne le volume de gaz à évacuer. Cela est d’ailleurs une donnée importante en rénovation.

Exemple pour une chaudière à tirage naturel :

On remplace une ancienne chaudière à foyer en dépression (à tirage naturel) dont la température de fumée ne descendait pas en dessous de 220°C, par une chaudière à foyer en surpression (à tirage naturel) dont la température de fumée est de l’ordre de 160°C. De plus, le surdimensionnement de l’ancienne installation a été réduit. On est ainsi passé d’une puissance de 500 kW a une puissance de 300 kW.

Suivant la norme NBN B61-001, l’ancienne chaudière demandait une cheminée (pour une hauteur de 18 m) d’un diamètre de 48 cm. La nouvelle chaudière ne demande plus qu’un diamètre de 24 cm.

Si on raccorde la chaudière de 300 kW au conduit existant, la surface déperditive du conduit devient trop importante pour la masse plus réduite des fumées. Les risques de condensation sont alors importants. Le refroidissement des fumées le long du conduit peut également être tel qu’il réduit dangereusement le tirage.

Les mauvaises réactions, face à cette situation visent à tenter d’augmenter la température des fumées à la sortie de la chaudière :

enlever certains turbulateurs situés dans les tubes de l’échangeur pour accélérer les fumées dans la chaudière et diminuer l’échange de chaleur dans celle-ci,
modifier le réglage ou la régulation du brûleur (par exemple en « pontant » la première allure).

Cela a évidemment pour conséquence de diminuer le rendement de la nouvelle chaudière.

Le bon réflexe est d’accompagner le remplacement de la chaudière d’une modification de la section du conduit de fumée, par exemple, grâce à un tubage du conduit existant.

Dimensionnement pour chaudières non-étanches à tirage naturel

De manière générale, la section des conduits d’évacuation des chaudières à tirage naturel peut être évaluée au moyen d’abaques qui tiennent compte :

du type de chaudière,
de la hauteur de la cheminée,
de la puissance de la chaudière,
de la température des fumées à la sortie de la chaudière.

En fait le calcul d’une cheminée dépend d’autres paramètres comme :

la longueur du conduit de raccordement,
la hauteur de la cheminée,
la hauteur du conduit de raccordement,
les résistances locales comme les coudes, les tés, le couronnement de cheminée, …
la nature de la surface du conduit,
l’isolation du conduit,
l’inertie thermique du conduit,
le type de chaudière,
la puissance de la chaudière,
le rendement de combustion,
le taux de CO2 compris dans les fumées,
la température des gaz de combustion.

Lorsque les conditions réelles de fonctionnement s’écartent des conditions d’établissement des abaques, il faut procéder à un calcul plus précis. Pour simplifier celui-ci, les fabricants de cheminées ont établi des tableaux et graphiques relatifs à leur produit, en fonction des types de chaudière et des conditions de fonctionnement les plus courantes. Les abaques repris dans les normes peuvent cependant donner des ordres de grandeur de contrôle permettant d’éviter un surdimensionnement excessif.

Tracé de la cheminée

Coudes et changements de section

Quelque soit la force qui assure l’évacuation des fumées, c’est-à-dire un ventilateur et/ou le tirage naturel, l’objectif est d’atteindre le débit nominal d’échappement en vainquant les forces de frottement du conduit (les pertes de charge). Il faut donc veiller à ce que le circuit d’évacuation des fumées aie des pertes de charge compatibles avec la force motrice disponible.

Dans le cas du tirage naturel, la force dépend essentiellement de la hauteur de la cheminée et de la température des fumées : plus la température est élevée et la cheminée haute, plus le tirage est important (sans arriver pour autant à la condensation). Comme on souhaite travailler avec la température de fumées la plus basse et une cheminée la moins haute possible, on comprend que le tirage naturel est limité. Il est dès lors vital de limiter les frottements (les pertes de charge) au sein du conduit d’évacuation. On comprend aisément que la rugosité, les coudes dans le conduit vont créer des frottements complémentaires qui sont autant d’entraves au tirage. Il en va de même pour les changements de section ou de forme (comme le passage d’une section carrée à une percée de toit ronde). Pour que les changements de section et de forme ne présentent quasi pas de perte de charge, il faut ceux-ci se fassent progressivement sous en angle de 15°C. Idéalement, les virages devraient s’exécuter avec des coudes de 15°. Les coudes jusqu’à 30°C présentent des résistances encore tolérables.

Dans le cas du tirage forcé, c’est le ventilateur qui principalement assure le débit d’évacuation. Sur base des caractéristiques de ce ventilateur, on peut connaître les pertes par frottement qu’il est capable de vaincre. Typiquement, le constructeur peut donner la longueur maximale du conduit qu’il est possible de placer en aval de la chaudière ainsi que le nombre de coudes. Ces coudes peuvent avoir des angles très élevés, voire même des angles droits. Spatialement parlant, les conduits des chaudières à tirage forcé sont plus faciles à intégrer que leur homologues à tirage naturel.

Raccordement de la chaudière

Le conduit de raccordement joint le bord externe du conduit de sortie de l’appareil de combustion au conduit d’évacuation.

Dans le cas où le tirage naturel joue un rôle important dans l’évacuation des fumées, le conduit de raccordement doit aussi assurer son rôle ou du moins, ne pas perturber ce processus.
À cette fin, le raccordement de la chaudière à la cheminée ne devrait pas présenter de contre-pente, voire idéalement ne pas se faire suivant un conduit horizontal mais plutôt au moyen d’un conduit ascendant. Typique, on prescrit une pente de 45°C, surtout si la cheminée est peu élevée.

Débouché de la cheminée

De nouveau, on fait la distinction entre tirage naturel et forcé.

Dans le cas du tirage naturel, les conditions météorologiques extérieures ont une influence sur ce tirage. On pense à la température mais aussi aux variations de pression statique induites par le vent. En l’absence d’obstacles, le vent induit une dépression au niveau du débouché de cheminée par effet Venturi et ce, même en l’absence de combustion. Si cette dépression n’est pas trop importante, elle contribue favorablement au tirage. En présence d’obstacles, par exemple à proximité du bâtiment, l’écoulement autour de ceux-ci peut engendrer des dépressions ou surpressions locales (suivant l’orientation du vent). Les surpressions peuvent réduire le tirage voire engendrer du refoulement. Il faut donc veiller à ce que le débouché de cheminée se trouve hors de la zone d’influence des différents obstacles. Par obstacle, on entend le bâtiment lui-même voire un bâtiment voisin. C’est pourquoi les normes NBN B61-001 et NBN B61-002 définissent des zones d’emplacement autorisées des débouchés de cheminées par rapport aux bâtiments et autres obstacles voisins.

De manière générale, le débouchés ne peuvent gêner les constructions voisines ou se trouver dans une zone inaccessible au personnel d’entretien ou aux pompiers. Si le fonctionnement de la cheminée ne doit pas être perturbé par son environnement (essentiellement, le vent), la cheminée ne peut elle non plus perturber son environnement. En effet, elle rejette des produits de combustion qui doivent être suffisamment dilués avant de rencontrer des ouvertures de bâtiments.

Forme de la cheminée

Toujours dans l’optique de contrôler le tirage, la cheminée idéale est ronde. C’est ainsi que pour une section donnée, la surface de paroi et donc les frottements sont les moindres. Les pertes de chaleur sont également les plus faibles. Une section carrée avec coins arrondis convient aussi.

Isolation de la cheminée et inertie thermique

Plus la cheminée est haute, plus il est important de l’isoler, afin d’éviter que les gaz de combustion ne se refroidissent trop, risquant de provoquer de la condensation non prévue. En effet, à partir de 70°C, le souffre contenu dans les combustibles (principalement de fuel) se transforme en acide liquide. Dans le cas du tirage naturel, un refroidissement risquerait de réduire significativement ce tirage. La résistance thermique minimale est 0.75 m².K/W pour la norme NBN B61-001 et de 0.4 m².K/W pour la norme NBN B61-002, plus récente.

Les produits isolants choisis doivent résister à des températures élevées (en cas de dérèglement de la chaudière), être imputrescibles et ne peuvent pas se tasser (les isolants en « vrac » sont interdits). Notons que l’isolation du conduit de cheminée limite également les nuisances sonores.

Plus la cheminée est chaude, plus le tirage est important et moins les fumées se refroidissent. Ainsi, plus le conduit de cheminée a une inertie thermique importante, plus le temps nécessaire pour parvenir au tirage maximal est long. On choisira donc de préférence un conduit de cheminée dont la paroi intérieure est légère (avec bien entendu la résistance mécanique requis

Matériaux

Différents matériaux peuvent être utilisés pour réaliser un conduit de cheminée :

les boisseaux en terre cuite ou en béton,
les conduits en inox, c’est-à-dire en acier inoxydable,
les conduits en aluminium,
les conduits en matériau synthétique (Polyvinyldène Fluoride, PVDF, et Polypropylène, PP).

Les caractéristiques des produits de combustion des chaudières de chauffage central déterminent le choix du conduit de raccordement et d’évacuation. Il s’agit :

de la température des fumées,
de leur composition chimique,
du risque de la formation de condensation,
de la présence de suie,
du niveau de pression.

Des normes européennes (NBN EN 1443 et 1856-1) permettent de classifier les conduits suivant leur résistance à ces différentes caractéristiques. Ces classes, complétées d’information concernant l’épaisseur minimale de paroi, le débit de fuite maximal admis et les exigences de sécurité incendie, offrent la possibilité de faire le choix parfait pour les conduits de raccordement et d’évacuation à utiliser.

Exemple de marquage de conduit d’évacuation métallique : différentes « classe » par caractéristiques étudiées (classe de température, de résistance aux condensats, etc.).

Bien évidemment, ces caractéristiques des produits de combustion sont influencée par le type de combustible et le type de chaudière (par exemple, avec ou sans condensation).

Boisseaux en terre cuite et en béton.

Cheminée en inox double paroi et en PVDF.

Pour les conduits métalliques ou synthétiques, on parle de « système », c’est-à-dire que le conduit de raccordement, le conduit vertical et le débouché forment un ensemble constitué du même matériau. Le fonctionnement de ce système est de la responsabilité du fabricant de conduit. Le premier avantage de ces systèmes est la facilité de dimensionnement : chaque fabricant dispose d’abaques permettant de choisir le diamètre le plus approprié à la chaudière choisie.

Quelques remarques :

Différentes variantes d’acier inoxydables existent. Suivant ces différences de composition, ils peuvent être mis en œuvre avec différents types de chaudière. À titre d’exemple, l’acier ANSI 316 est interdit pour les chaudières fuel à condensation et pour les chaudières à combustible solide. L’acier ANSI 904L peut quant à lui être appliqué à tout type de chaudière.

Les conduits en aluminium ne conviennent que pour les chaudières au gaz.

Les conduits en matière synthétique ne peuvent être utilisés que si les températures des fumées ne dépassent jamais 80°C, typiquement pour des chaudières à condensation. Une protection doit garantir que cette température maximale ne sera pas dépassée (par exemple, un thermostat de sécurité). Les conduits synthétiques doivent quant à eux pouvoir tenir jusqu’à une température de 120° (correspond à la classe de température T120).

Régulation du tirage

Comme le tirage naturel dans la cheminée peut fortement influencer le rendement de combustion et que ce tirage est lui-même influencé par les conditions atmosphériques (température de l’air extérieur, vent), il faut équiper une cheminée d’un régulateur de tirage. Remarquons que les chaudières gaz atmosphériques sont, quant à elles, d’office équipées d’un coupe-tirage intégré qui remplit les mêmes fonctions que le régulateur de tirage. De manière générale, on ne place pas un régulateur de tirage si la chaudière est déjà équipée d’un coupe-tirage.

Régulateur (ou stabilisateur) de tirage.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’impact du tirage sur le
rendement de combustion.

Le régulateur de tirage présente également d’autres intérêts :

1. Les brûleurs pulsés actuels (gaz ou fuel) sont équipés d’un clapet d’air qui se referme automatiquement à l’arrêt. Il n’y a donc plus de ventilation du conduit de cheminée quand la chaudière est arrêtée (pertes par balayage). La cheminée reste donc humide (condensation des fumées, pénétration d’eau de pluie). A l’arrêt, le régulateur de tirage maintiendra une certaine ouverture et une ventilation permanente de la cheminée par l’air de la chaufferie, permettant au conduit de sécher.
2. Lorsque le clapet est ouvert, le mélange de l’air de la chaufferie et des fumées diminue la concentration en vapeur d’eau des fumées et diminue la température de rosée et donc les risques de condensation.

Nombre de conduits

Selon la norme NBN B61-001 et NBN B61-002, il y a lieu de prévoir un conduit par chaudière. C’est la règle générale qu’il faut retenir.

Il existe néanmoins deux exceptions qui s’applique aux chaudières atmosphériques à tirage naturel :

Premièrement, on peut utiliser des conduits collectifs pour des chaudières gaz atmosphériques si les dispositions locales ne permettent pas de disposer d’un conduit individuel. Dans ces cas, il faut se référer à la norme NBN D51-003 qui mentionne notamment que plusieurs chaudières peuvent être raccordées sur une même cheminée.

Notons que pour y voir plus clair, l’ARGB a édité un cahier des charges « Exigences pour les ensembles composés de chaudières en batterie et fonctionnant en cascade » qui permet de définir les critères à respecter en matière d’évacuation des produits de combustion. Pour le lecteur intéressé, l’ARGB a également édité un dossier technique « Installations alimentées en gaz combustible plus léger que l’air, distribué par canalisations » (février 2000), qui permet de s’y retrouver dans les méandres de la norme NBN D51-003 et de ses addenda 1 et 2.

Deuxièmement, dans le cas des chaudières non-étanches avec évacuation des produits de combustion par tirage naturel et de puissance inférieure à 70 kW, des chaudières de même type, montées en batterie et installées dans un même espace, peuvent être assimilées à une chaudière unique pour autant que :

les chaudières font partie d’un ensemble prévu pour fonctionner comme une seule unité (chaudières en cascade),

les chaudières sont équipées d’un collecteur de fumées spécialement conçu par le fabricant qui assure une évacuation correcte des produits de combustion et une combustion optimale dans n’importe quelle condition de fonctionnement,

le bon fonctionnement de l’ensemble a été contrôlé en laboratoire et certifié,

la puissance de démarrage à froid est, de minimum, 25 % de la puissance utile de l’ensemble des chaudières.

Il est en tout cas défendu de raccorder sur un même conduit, une chaudière gaz atmosphérique et une chaudière à brûleur pulsé.

Cas particulier des chaudières à 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.

Les solutions possibles sont :

La cheminée étanche à l’humidité, en acier inoxydable ou en 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.

Le tubage, qui s’applique à une cheminée ancienne, doit être étanche, résistant à la corrosion et installé dans une cheminée. Le tubage doit pouvoir fonctionner en surpression dans toute sa longueur.

La cheminée en boisseaux pour peu qu’elle possède un agrément technique ATG pour fonctionner avec une chaudière à condensation.

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 80°C (selon la norme NBN B61-002). 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.

Évacuation des condensats avec une chaudière à condensation : NIT 235 du CSTC

Une chaudière installée dans une maison unifamiliale moyenne produit approximativement 500 à 2000 litres de condensat par an. Il s’agit de rejets acides avec un pH compris entre 2 et 4 dans le cas du mazout pauvre en soufre (mazout extra) et entre 4 à 5 dans le cas du gaz naturel. Il est donc important que les matériaux qui entrent en contact avec les condensats présentent une bonne résistance à la corrosion : matières synthétiques, grès, fonte …

Il est vivement déconseillé d’évacuer les condensats sur des toitures comportant des éléments métalliques (couverture, avaloirs, gouttières, conduits d’évacuation, …) ou de les mettre en contact avec des matériaux de construction pierreux traditionnels ou des produits à base de ciment (tuyaux en fibres-ciment, par exemple).

A l’heure actuelle, il n’existe en Belgique aucune prescription spécifique applicable à l’évacuation de ces condensats acides. Il est conseillé de ne pas déversé ces condensats directement mais de les mélanger préalablement avec les eaux usées domestiques qui sont de nature plutôt basique (produits de nettoyage), donc apte à neutraliser l’acidité. Si l’on ne parvient pas à ramener le pH à un minimum de 6.5, il est alors recommandé de réaliser un traitement des condensats pour les neutraliser.

Si la chaudière à condensation fonctionne au mazout, il y a lieu de disposer, en amont du système neutralisant éventuel, un filtre à charbon actif dans le but de débarrasser l’effluent des dérivés huileux.

Remplacement de chaudière et adaptation de la cheminée

Le remplacement d’une ancienne chaudière s’accompagne presqu’inévitablement d’une diminution du débit et de la température des fumées à évacuer. En effet :

la puissance de la chaudière est revue à la baisse (souvent fortement),
l’échange de chaleur entre les fumées et l’eau est optimalisé dans la chaudière.

Suivant les prescriptions reprises ci-dessus, cela devrait nécessiter une modification de la section de la cheminée existante.

Dans tous les cas, si des condensations apparaissent dans le conduit de cheminée après la rénovation, il ne faut pas corriger le tir en détériorant les performances de la chaudière, c’est-à-dire :

en modifiant le réglage du brûleur pour augmenter la température des fumées (diminution du rendement de combustion),

en forçant l’ouverture du clapet d’air du brûleur à l’arrêt de la chaudière (augmentation des pertes à l’arrêt).

Deux solutions permettent de limiter les risques de condensation sans modifier la cheminée :

isoler le conduit de raccordement entre chaudière et la cheminée pour augmenter la température des fumées à l’entrée de la cheminée,

maintenir, à l’arrêt, l’ouverture du régulateur de tirage pour assurer une ventilation de la cheminée à l’arrêt. Notons que la présence d’un régulateur de tirage diminue, en soi, les risques de condensation car la dilution des fumées dans de l’air diminue le point de rosée.

Si ces deux solutions n’apportent pas de résultat, le tubage de la cheminée pour adapter celle-ci à la nouvelle chaudière, devient inévitable.

Ventilation du local contenant les appareils de chauffe

La ventilation a pour objectif d’évacuer les pertes de chaleur des équipements de combustion afin de maintenir une température acceptable au sein du local contenant ces appareils. En outre, la ventilation assure la qualité de l’air en amenant l’air frais et en évacuant l’air vicié.

Dans le cas des appareils non-étanches, la ventilation doit aussi

assurer un apport d’air comburant suffisant au brûleur pour permettre un déroulement correct de la combustion,
maintenir constante la dépression entre la chaufferie et la cheminée.

Pour les installations de chauffage de puissance supérieure à 70 kW, les prescriptions en matière de ventilation des chaufferies sont reprises dans la norme NBN B61-001. Dans ce cas, il est nécessaire de travailler avec un chaufferie qui sera équipée d’une ventilation basse et d’une ventilation haute. Celles-ci sont directement en contact avec l’extérieur ou raccordées à des conduits suivant les indications de la norme.

Pour les installations de chauffage de puissance inférieure à 70 kW, les prescriptions en matière de ventilation des chaufferies sont reprises dans la norme NBN B61-002. Comme évoqué ci-dessus, une chaufferie spécifique n’est pas toujours nécessaire. A la base, un débit de 0.72 m³/h.kW avec un minimum de 25.3 m³/h doit être garantis pour maintenir la température du local inférieure à 40°C. Se superpose ensuite les contraintes inhérentes à la technologie des chaudières, à savoir si la chaudière est étanche ou pas. Si la chaudière est non-étanche, il faut garantir un débit d’air suffisant pour assurer la combustion optimale. Si l’on travaille sur base d’une ventilation naturelle, l’air est admis au sein du local de chauffe au moyen d’un orifice ou d’un conduit dont les caractéristiques sont prescrites par la norme. L’air vicié du local est évacué par un orifice de diamètre au moins égal au tiers de l’orifice d’admission.

Ventilation basse pour P > 70 kW

L’amenée d’air doit se faire au moyen d’un dispositif de ventilation basse situé le plus près possible du sol (au maximum au 1/4 de la hauteur du local).

D’une manière générale, pour les chaufferies de moins de 1 200 kW, la section à prévoir est de :

1 dm² par 17,5 kW, si la cheminée est plus haute que 6 m.

1,5 dm² par 17,5 kW, si la cheminée est moins haute que 6 m.

Cette section minimale augmente en fonction des accidents de parcours entre l’extérieur et la chaufferie (si la conduite d’amenée d’air comprend plus de 3 coudes). Dans ce cas et pour les chaufferies de plus de 1 200 kW, il faut se référer à la norme.

Exemples de ventilation basse pour une chaufferie en sous-sol.

1. première grille, 2. deuxième grille, 3. premier coude à 90°, 4. deuxième coude à 90°, 5. découpe en biais à 45°

Si un conduit d’amenée d’air est nécessaire dans la chaufferie, celui-ci sera coupé à 45°C, pour éviter une obstruction intempestive.

L’ouverture de ventilation basse ne doit pas forcément déboucher à l’extérieur. Elle peut communiquer avec un autre local, pour autant que celui-ci soit à son tour ventilé.

Ventilation haute pour P > 70 kW

L’air vicié éventuellement accumulé dans la chaufferie doit également être évacué à l’extérieur. À cet effet, une ventilation haute doit être prévue à la partie haute du local, du côté opposé à la ventilation basse pour permettre un bon balayage du local.

Le conduit de ventilation haute peut être un conduit parallèle à la cheminée. Dans ce cas, son débouché à l’extérieur doit se trouver entre 0,5 et 1,5 m sous le débouché de la cheminée.

Conduit de ventilation haute associé à la cheminée.

Cela peut également être un conduit plus court débouchant au-dessus de la toiture ou à un niveau intermédiaire. Dans ce dernier cas, le débouché doit être le plus éloigné possible des portes et fenêtres.

Cas particulier des chaufferies en ambiance polluée

L’air aspiré par le brûleur doit être exempt de produits corrosifs pour la chaudière.

Par exemple, si l’air de combustion risque d’être pollué par des composants halogénés en provenance, par exemple de firmes de nettoyage à sec, d’imprimeries, de teintureries, d’une piscine…, des précautions doivent être prises pour assurer une amenée d’air frais pur. Dans certains cas, l’utilisation de chaudières étanches avec prise d’air dans un endroit non pollué est à conseiller.

Chaudières gaz raccordées à une cheminée à ventouse (on parle aussi de combustion étanche) : l’air comburant est aspiré à l’extérieur par le conduit externe et les fumées sont évacuées par le conduit interne. Les deux conduits peuvent être séparés mais suffisamment proches pour être exposés à des conditions de vent identiques. Dans le cas, la ventilation basse de la chaufferie n’est plus nécessaire.

Les chaudières sont également très sensibles aux poussières. Celles-ci sont aspirées par le brûleur, encrassent le ventilateur, sont brûlées et se déposent dans la chaudière. Il en résulte une perte de rendement. C’est pourquoi, il faut partir du principe, pourtant rarement respecté qu’:

une chaufferie ne peut être un atelier !

Exemple.

Dans une institution hospitalière, une chaudière s’avère difficile à régler, tombe souvent en panne et s’encrasse rapidement.

La raison : la ventilation basse de la chaufferie est en communication directe avec la buanderie. Une quantité importante de pluches est retrouvée dans le ventilateur du brûleur !

Publié par : Sylvie 2 Sep, 2010

Concevoir le préchauffage par capteurs solaires

La non-simultanéité de la production et des besoins

Le problème essentiel du chauffage par capteurs thermiques est la non-simultanéité de la production solaire possible et la demande de chauffage du bâtiment. (À l’inverse, la climatisation solaire présente une adéquation relative entre les besoins et la disponibilité solaire. Mais le défi est de taille : faire du froid avec du chaud ! Cela se fait par l’intermédiaire d’une machine à ad/absorption).

Le graphe ci-dessus montre donc tout l’intérêt pour le chauffage de développer des technologies de stockage inter-saisonnier ! Si un jour les recherches aboutissaient en ce sens, il serait tout à fait possible de se chauffer gratuitement en hiver grâce à la récolte solaire estivale ! Mais avant cela, pensons d’abord à réduire nos besoins énergétiques !

À l’heure actuelle, le stockage d’énergie étant basé sur le réchauffement d’un ballon d’eau, on peu difficilement stocker l’énergie pour plusieurs semaines !
De plus, le système doit alors être dimensionné sur les besoins de mi-saisons voir plus tôt dans l’année. Les surfaces de capteurs nécessaires, considérables tout comme dans le cas d’installations solaires couvrant uniquement une grande partie des besoins d’ECS, seront donc superflues en été, diminuant le temps d’utilisation des capteurs et leur production surfacique.

Cela rend, dans les conditions actuelles de prix, les installations collectives avec appoint chauffage difficilement viables économiquement par rapport aux systèmes plus traditionnels.

Néanmoins, certains cas seront plus favorables aux économies de chauffage possibles par le placement de capteurs solaires. La condition principale est une demande de chauffage bien présente en mi-saison voire en été.

Cette condition est plus facilement rencontrée dans des bâtiments où la consigne reste importante en intersaisons (maisons de soins, maisons de repos,…) ou qui ne peuvent valoriser les gains solaires directs (via les fenêtres).

La première chose à faire sera donc d’identifier ses besoins de chauffage par rapport à la disponibilité solaire mensuelle.

D’un point de vue technique, les capteurs à tubes sous-vide de type heat pipe ainsi qu’un chauffage à basse température conviendront mieux à ce type d’applications.

Les cas de figure étant nombreux et tellement différents qu’une étude préalable au projet devrait confirmer la pertinence d’un tel système.

Publié par : Energie-Plus 20 Oct, 2009

Choisir l’émetteur de chaleur [PAC]

Introduction

Pour pouvoir parler de l’émetteur de chaleur, il faut faire le choix de la source « chaude » : l’air, l’eau, ou le sol dans le cas où la pompe à chaleur est à condensation directe.

La redistribution de température doit se faire à la température la plus basse possible (maximum 50 °C) car la PAC sera plus efficace. On peut effectuer cette redistribution soit par un chauffage à air pulsé, un chauffage par le sol ou mural, ou un chauffage à ventilo-convecteurs.

L’air comme source chaude

On utilise cette source chaude en général dans les PAC air/air.

L’air est pulsé dans un échangeur de chaleur fluide/air et chauffé par le fluide frigorigène comprimé jusqu’à 30 ou 40 °C. Il est ensuite envoyé vers les pièces du bâtiment. L’avantage de cette source chaude est de répondre rapidement à la température demandée de par la faible inertie de l’air. Cet avantage devient un inconvénient au point de vue financier dans la mesure où il ne peut y avoir d’accumulation de chaleur pendant la nuit et donc aucun bénéfice des tarifs de nuit pour l’électricité.

Quatre types d’installations existent dans le cas où l’air est choisi comme source chaude :

Installation compacte intérieure. Dans ce cas, il y a une conduite d’amenée et de rejet d’air extérieur vers l’évaporateur qui se trouve à l’intérieur du bâtiment. La PAC est installée près d’un mur extérieur. La traversée des conduites dans le mur est isolée et protégée contre la pluie.
Installation compacte extérieure. La PAC est reliée au réseau de distribution d’air par des conduites isolées. Cette solution est coûteuse à cause du transfert des sources chaude ou froide.
Système mono-split : ce système, d’une grande souplesse d’installation, permet de chauffer une seule pièce du bâtiment. Une ou deux unités intérieures (dans la même pièce) sont reliées à une unité extérieure unique qui traite l’air. L’évaporateur se trouve ainsi à l’extérieur et le condenseur à l’intérieur du bâtiment, ce qui permet à l’évaporateur d’être bien alimenté en air extérieur. Le fluide frigorigène doit passer à travers la paroi du bâtiment dans des conduites calorifugées et l’air chaud est distribué via des gaines de différents diamètres en fonction des débits et des pressions demandés. La quantité de fluide frigorigène présente dans ce système est supérieure aux deux systèmes précédents.
Système multi-split : plusieurs pièces peuvent être chauffées, à l’aide d’un ou deux ventilo-convecteurs dans chacune d’entre elles. Il y a donc plusieurs condenseurs, mais toujours un unique évaporateur extérieur.

Les ventilo-convecteurs sont des émetteurs de chaleur qui fonctionnent dans ce cas-ci à « condensation directe » : le fluide frigorigène cède directement l’énergie thermique à l’air.

Le système split

Dans ce type de système :

l’évaporateur est placé à l’extérieur
le condenseur est placé soit dans un local technique où il est relié à un réseau de distribution, soit directement dans le local à chauffer, par exemple dans un ventilo-convecteur.

Le transfert de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur se fait par le fluide frigorigène qui traverse la peau du bâtiment dans des canalisations calorifugées.

Les systèmes split installés directement dans les locaux ont l’avantage de la souplesse d’installation : un simple réseau bitube est suffisant pour le transport du fluide frigorigène, on évite les intermédiaires puisque la PAC chauffe directement l’air du local, il ne faut pas d’accumulateur ni de régulation complexe d’un réseau hydraulique, … en contrepartie, ils présentent un plus grand risque de fuite de fluide frigorigène.

Lorsque l’on multiplie le nombre d’échangeurs de chaleur, on parle de système multi-split. Les différents échangeurs intérieurs, par exemple un par local, sont alors tous reliés à un (ou plusieurs) échangeurs de chaleur extérieur. Différentes « boucles » sont donc « juxtaposées » avec comme seule interconnexion la ou les unités extérieures.

Un condenseur commun et plusieurs unités intérieures = multi-split.

Exemple de système multi-split :

La longueur maximale de tuyauterie autorisée va de 35 à 70 mètres au total selon l’unité extérieure choisie dans la gamme. Le branchement de plus de 4 unités intérieures par unité extérieure n’est pas possible.

Les unités intérieures peuvent être murales, en consoles, gainables ou en cassette 2 ou 4 voies. Leur puissance frigorifique varie entre 1 et 4,5 kW et leur puissance calorifique entre 1,1 et 6,4 kW.

Chaque unité intérieure accepte une longueur de tuyauterie de 25 m.

Le prix des groupes de condensation (unité extérieure) est entre 2 285 et 4 150 €, celui des unités intérieures de 585 à 2 235 € pièce.

L’eau comme source chaude

Dans ce cas, le fluide frigorigène comprimé donne sa chaleur à l’eau du circuit de chauffage par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur. La température de l’eau de condensation devant être la plus basse possible (entre 35 et 45 °C pour – 8 °C extérieurs), le chauffage par pompe à chaleur sera réalisé par un plancher chauffant à eau, par des ventilo-convecteurs à eau ou par des grands radiateurs à basse température.

Plancher chauffant à eau

Cette solution efficace procure un excellent confort thermique uniforme dans la pièce. La surface d’émission est suffisamment grande pour permettre une température faible : maximum 28 °C. Cette température permet d’éviter les problèmes de circulation dans les jambes. Cet émetteur de chaleur présente l’avantage (pour des constructions neuves) d’être complètement invisible et de dégager de la place aux murs par rapport aux radiateurs conventionnels.

Installation d’un plancher chauffant.

Le plancher chauffant est composé d’un réseau de tubes en polyéthylène enfouis dans du béton coulé, et montre une grande inertie thermique. Les réponses aux variations de température demandées sont donc lentes (de l’ordre de quelques heures). Le revêtement de sol doit présenter une résistance thermique faible, comme un carrelage ou un parquet (même si ce dernier a une résistance thermique plus élevée que le carrelage pour des épaisseurs égales). Pour obtenir une bonne transmission de la chaleur entre la couche de béton et l’ambiance, le parquet doit être de préférence collé. Dans tous les cas, il faut éviter les couches d’air car elles ont un effet isolant.

Le chauffage par plancher chauffant peut nécessiter un appoint. On peut également jouer sur la distance entre deux tubes pour avoir plus ou moins de puissance surfacique. Si on augmente la longueur de tube chauffant dans le sol, on peut diminuer la température de l’eau qui y circule pour un même confort thermique dans l’ambiance.

Murs chauffants

Les murs peuvent également être utilisés comme surface de chauffage. C’est parfois une meilleure solution dans le cas d’une rénovation.

Installation d’une cloison chauffante

Ventilo-convecteur à eau

Ce type de ventilo-convecteur est un échangeur qui transmet la chaleur de l’eau (chauffée dans le convecteur) à de l’air forcé à l’intérieur. C’est le même type d’appareil qu’un ventilo-convecteur à condensation directe, hormis le fait que le fluide chauffant est de l’eau et non un fluide frigorigène.

Cette solution permet la production de froid quand c’est nécessaire en été.

Radiateur basse température

Ces radiateurs, incompatibles avec des systèmes de chauffage autres que la PAC, contiennent de l’eau dont la température est de 40-50 °C. Cette température est nettement inférieure à celle des radiateurs conventionnels (70 – 90 °C), mais est néanmoins suffisante pour chauffer un local, car les radiateurs basse température sont de grandes dimensions. Ils peuvent être construits en fonte, en fonte d’aluminium ou en acier. Bien évidemment, cette solution n’est pas compatible avec l’installation d’une pompe à chaleur réversible (rafraîchissement et climatisation en été).

Le sol comme source chaude

Dans ce cas, le fluide frigorigène circule dans un réseau de tuyaux en cuivre dans le sol, c’est la solution « à condensation directe ». Il n’y a pas d’échangeur intermédiaire et les tubes constituent eux-mêmes le condenseur de la PAC.

La quantité de fluide frigorigène utilisée est importante, ce qui impose le respect de règles dans la vérification, la récupération des fuites, etc. La mise en place des tubes doit être réalisée par des personnes qualifiées pour éviter tout risque de fuite et afin de garantir l’efficacité de l’installation.

Publié par : Energie-Plus 3 Juin, 2009

Choisir les éléments principaux de la pompe à chaleur

Choix du fluide frigorigène

Les fluides frigorigènes envisageables aujourd’hui pour les nouvelles installations de pompes à chaleur sont nombreux et font partie soit des hydrofluorocarbones (HFC), soit des fluides frigorigènes naturels. Plus question aujourd’hui de concevoir une installation chargée au R12 (CFC) ni au R22 (HCFC), ces réfrigérants destructeurs de la couche d’ozone participant fortement au réchauffement climatique.

Les fluides frigorigènes peuvent être choisis suivant différents critères :

Critères thermodynamiques	Critères de sécurité	Critères techniques	Critères économiques	Critères environnementaux
Pression d’évaporation.	Toxicité.	Action sur les composants de l’installation.	Prix.	Action sur la couche d’ozone.
Température critique.	Inflammabilité.	Comportement avec l’huile	Disponibilité.	Action sur l’effet de serre.
Taux de compression.	Caractère explosif.	Comportement avec l’eau.		Possibilité de récupération et de recyclage.
Efficacité des échanges thermiques.		Aptitudes aux détections des fuites.
Température de refoulement.		Stabilité.
Production frigorifique. Volumétrique spécifique.

Les fluides frigorigènes peuvent être soit des mélanges de fluides dans des proportions précises, soit des fluides purs. Les comportements diffèrent dans l’un ou l’autre cas. Les fluides purs s’évaporent à température constante alors que les mélanges (sauf mélanges azéotropiques) s’évaporent à des températures variables.

Les HFC

Les plus répandus sont le R134a, le R407C, le R410A et le R404A.

Les HFC présentent un Global Warming Potential (contribution à l’effet de serre) sur 100 ans relativement élevé. Pour cette raison, la réglementation impose de vérifier l’étanchéité des installations de HFC afin d’éviter les fuites dans l’atmosphère.

La détection et la récupération des fuites doivent se faire avec un outillage adapté et les frigoristes doivent être certifiés.

Les fluides frigorigènes naturels

Les quatre fluides frigorigènes HFC ont été largement utilisés dans les installations de PAC neuves. Cependant, vu leur impact sur l’effet de serre, la réglementation prévoit leur abandon progressif en faveur des fluides montrant un potentiel de participation au réchauffement climatique sur 100 ans plus faible voire des fluides frigorigènes « naturels ».

Choix de l’évaporateur de la PAC

Le fluide frigorigène capte la chaleur de l’environnement (eau, air ou eau glycolée) dans l’évaporateur de la pompe à chaleur. Il y passe de l’état liquide à l’état gazeux à basse température en emmagasinant de l’énergie. L’évaporateur est donc un échangeur de chaleur, au même titre que le condenseur et la température d’évaporation doit être la plus élevée possible pour augmenter les performances de la pompe à chaleur.

Les évaporateurs sont classés suivant leur type et leur source froide. Ainsi, on aura d’un côté, des évaporateurs à air ou à eau en fonction de la source froide choisie, et d’un autre côté on aura soit des évaporateurs secs, soit noyés.

Sec vs Noyé

La différence entre ces deux technologies réside premièrement dans l’état de la vapeur qui sort de l’échangeur :
Dans le cas des évaporateurs de type sec, également appelés « à surchauffe » ou « à détente sèche », le fluide frigorigène vaporisé sera complètement sec à l’admission au compresseur. Ceci est dû à la succession de deux phases : l’ébullition du liquide frigorigène puis la surchauffe des vapeurs obtenues (la température du gaz frigorigène sortant de l’évaporateur est donc légèrement supérieure à la température d’évaporation proprement-dite).
La surchauffe est par contre pratiquement nulle dans le cas des évaporateurs de type noyé. Cela présente un inconvénient : la nécessité de prévoir une bouteille anti-coups de liquide avant le compresseur pour le protéger. Le mélange liquide-vapeur sortant de l’évaporateur est à la même température que le liquide entrant (en négligeant les pertes de charge).
La configuration de l’évaporateur est également différente dans les deux cas :
Dans les évaporateurs noyés, les surfaces d’échange (les plus grandes possibles) doivent être en contact permanent avec du fluide frigorigène liquide. Les tubes qui contiennent le fluide caloporteur (qui est souvent de l’eau glycolée) sont dès lors noyés dans le fluide frigorigène liquide qui se vaporise.
C’est l’inverse dans le cas des évaporateurs secs. Les coefficients d’échange obtenus pour les évaporateurs noyés sont très élevés et ne varient pas beaucoup par rapport à ceux des évaporateurs à détente sèche.
(En effet, de façon générale, l’échange de chaleur sera élevé si :- la surface d’échange augmente ;
– la vitesse de passage des fluides est faible ;
– la différence de température entre les fluides est grande ;
– le débit de la source de chaleur est important par rapport au fluide frigorigène.).

Les évaporateurs de pompes à chaleur sont en général du type sec à cause des inconvénients que présentent les évaporateurs noyés (besoin d’une bouteille anti-coups de liquide, piégeage de l’huile de lubrification, etc.).

À air vs à eau

Pour les sources de chaleur liquides, les évaporateurs présentent une des 5 configurations suivantes :
Type noyé

L’échangeur à serpentin noyé (puissances supérieures à 30 kW).

L’échangeur multitubulaire noyé (puissances supérieures à 30 kW), qui est en général utilisé avec un compresseur à pistons ou à vis. Il faut faire attention au risque de gel de l’eau à l’intérieur des tubes. Autre inconvénient : ces évaporateurs peuvent accumuler de l’huile non désirée, dans le cas où ils sont utilisés avec un compresseur volumétrique lubrifié.

À surchauffe :

Les évaporateurs multitubulaires à surchauffe (puissances supérieures à 30 kW) sont très utilisés avec les compresseurs à pistons ou à vis. Les risques de gel sont amoindris par rapport à l’échangeur multitubulaire noyé et il n’y a pas de problème de retour d’huile.

L’échangeur à plaques brasées : Ces échangeurs ont tendance à se généraliser dans l’application des pompes à chaleur eau glycolée/eau. Ils sont performants (car les coefficients d’échange thermique sont élevés), robustes, compacts et étanches. Il faut toutefois faire attention à ce qu’il n’y ait pas d’encrassement. Attention également au risque de gel (il faut dès lors prévoir de l’antigel en suffisance).

Les évaporateurs coaxiaux sont très utilisés pour des puissances frigorifiques allant jusqu’à 100 kW. Ils présentent des difficultés d’entretien et nécessitent de l’eau très propre non entartrante.

Les types d’évaporateurs à air sont au nombre de 3 :

Les évaporateurs à ailettes à convection naturelle ;
Les évaporateurs à tube lisse à convection naturelle.

Ces deux premiers types d’évaporateurs à air ne sont utilisés que pour des faibles puissances. De plus, les coefficients d’échanges thermiques sont faibles, car la ventilation est naturelle. On les retrouve donc très peu pour les pompes à chaleur.

Les évaporateurs à ailettes à convection forcée : c’est le type d’évaporateur à air qui est le plus utilisé. Ils sont munis d’un ou plusieurs ventilateurs pour assurer la circulation de l’air à travers les surfaces d’échange. Le problème de ces échangeurs réside dans la formation de givre ou de condensation lorsque la température des parois extérieures de l’évaporateur est inférieure à la température de rosée de l’air.

Techniques

Pour plus de détails concernant certains types d’évaporateurs de pompes à chaleur, cliquer ici !

Choix du compresseur

Il existe deux types de compresseurs qui peuvent être utilisés dans les pompes à chaleur : les compresseurs volumétriques et les compresseurs centrifuges (ou turbocompresseurs). Dans le premier cas, une réduction du volume à l’intérieur de la chambre de compression permet d’y augmenter la pression. En général les compresseurs sont de ce type. Dans le second cas, la compression résulte de la force centrifuge obtenue par entraînement dynamique au moyen d’une roue à aubes. On utilise ces compresseurs pour des applications précises, ou pour de grandes puissances.

Les compresseurs volumétriques à pistons

Les compresseurs volumétriques à pistons sont les plus répandus pour les circuits frigorifiques et ils sont alternatifs pour la plupart. Ils sont de plusieurs types, suivant qu’ils sont ouverts, semi-ouverts ou fermés (hermétiques) au niveau de l’association entre le moteur et le compresseur.

Hermétique, semi-hermétique et ouvert.

Hermétique

Dans ce cas le moteur électrique et le compresseur sont logés dans une même enveloppe soudée. L’ensemble n’est pas démontable. On utilise beaucoup ce type de compresseur pour de faibles puissances, jusqu’à 30 kW environ.

Avantages

Le faible coût de l’ensemble.
L’encombrement réduit.
La bonne étanchéité.
Le peu de bruit par rapport aux autres compresseurs volumétriques à pistons.
La rapidité de la recharge en fluide frigorigène, car bonne tolérance aux coups de liquide.
Pas de problème de mise en ligne du compresseur et du moteur, car pas d’accouplement.
Le refroidissement effectué par le fluide frigorigène lui-même, car le moteur est dans le circuit du fluide frigorigène.
La bonne récupération au condenseur de la chaleur dissipée par le moteur, de par la configuration fermée.

Inconvénients

Le compresseur est inaccessible. Si un problème survient, il faut changer le compresseur, car il n’est en général par réparable.
Les performances sont médiocres, car l’accent est en général mis sur de bonnes puissances frigorifiques à un prix réduit, au détriment de la consommation du compresseur.
Les hautes températures de refoulement peuvent présenter un danger à certains régimes de fonctionnement (surchauffe).
Le bobinage du moteur peut se retrouver court-circuité à cause d’une attaque chimique de l’isolant du bobinage par un fluide frigorigène pollué, de l’humidité ou d’une surchauffe (dans ce dernier cas, prévoir un organe de sécurité qui coupera l’alimentation électrique lors d’une surchauffe). Si le moteur « grille », il faut remettre en état le bobinage et nettoyer l’ensemble du circuit, car il sera pollué.
La puissance ne peut pas être réglée, sauf par variation de fréquence du courant d’alimentation.

Semi-hermétique

Le compresseur est entraîné directement par le moteur électrique, qui est accolé au compresseur. Ces compresseurs sont utilisés pour des puissances se situant entre 0,4 et 100 kW (on peut aussi monter jusqu’à 400 kW en recourant à plusieurs compresseurs). Ces puissances sont plus élevées que pour les compresseurs hermétiques, car il n’y a plus de limitation d’entretien.

Avantages

L’accessibilité à tous les organes mécaniques et électriques.
Pas de problème de mise en ligne du compresseur et du moteur, car pas d’accouplement.
L’encombrement réduit.
Pas besoin d’élément d’étanchéité entre le moteur et le compresseur, donc pas de risque de fuites de fluide frigorigène.
La récupération partielle au condenseur de la chaleur dissipée par le moteur.
La bonne qualité de fabrication, d’où une bonne performance.

Inconvénients

Moins résistant aux coups de liquide.
Le coût plus élevé.
Pas de récupération totale de la chaleur dissipée par le moteur.
Le bobinage du moteur peut se retrouver court-circuité à cause d’une attaque chimique de l’isolant du bobinage par un fluide frigorigène pollué, de l’humidité ou d’une surchauffe (dans ce dernier cas, prévoir un organe de sécurité qui coupera l’alimentation électrique lors d’une surchauffe). Si le moteur « grille », il faut remettre en état le bobinage et nettoyer l’ensemble du circuit, car il sera pollué.

Ouvert

Ici le moteur et le compresseur sont totalement séparés ; le moteur est donc accouplé au compresseur en bout d’arbre à l’aide d’un manchon, ou alors par des poulies et des courroies. La gamme de puissances est similaire à celle des compresseurs semi-hermétique.

Avantages

L’entretien aisé, car le compresseur est démontable.
Peut être entraîné par des moteurs de différents types (moteurs électriques à courant alternatif, continu, à vitesse fixe ou variable, moteurs à combustion interne, turbine à gaz,…).
La très bonne qualité de fabrication.
La possibilité de choisir la vitesse de rotation la mieux adaptée.
Pas de pollution du circuit frigorifique en cas de court-circuit dans le moteur.

Inconvénients

Le coût élevé.
La mise en ligne moteur-compresseur difficile.
La faible résistance aux coups de liquide.
Aucune récupération de la chaleur dissipée par le moteur.
Il faut une garniture d’étanchéité entre le moteur et le compresseur, d’où le risque de fuites de fluide frigorigène.

Le compresseur volumétrique hermétique spiro-orbital Scroll

Le compresseur Scroll comprime les vapeurs en continu en faisant tourner une partie mobile autour d’un élément fixe en forme de spirale. Ce type de compresseur est de plus en plus utilisé dans les circuits frigorifiques. Sa gamme de puissances va de 2 à 60 kW seulement, mais on peut très bien mettre plusieurs compresseurs en parallèle.

Avantages

La robustesse et fiabilité.
La légèreté.
La faible consommation.
Le prix réduit.
Le haut rendement volumétrique par rapport à l’espace mort.
L’encombrement réduit.
Le faible niveau sonore.
L’excellente tolérance aux coups de liquide.
La récupération quasi totale au condenseur de la chaleur dissipée par le moteur.
La séparation totale des gaz d’aspiration et de refoulement, réduisant leur échange thermique mutuel.
Il y a moins de pièces en mouvement que dans le cas du compresseur à pistons, et donc moins de frottements internes. De plus, il n’y a pas de clapets d’aspiration et de refoulement. Pour ces raisons le rendement est supérieur à celui des compresseurs à pistons, de même que le COP.

Inconvénients

L’inaccessibilité des organes du compresseur. On doit changer l’ensemble en cas de problème.
Le bobinage du moteur peut se retrouver court-circuité à cause d’une attaque chimique de l’isolant du bobinage par un fluide frigorigène pollué, de l’humidité ou d’une surchauffe (dans ce dernier cas, prévoir un organe de sécurité qui coupera l’alimentation électrique lors d’une surchauffe). Si le moteur « grille », il faut remettre en état le bobinage et nettoyer l’ensemble du circuit, car il sera pollué.

Les compresseurs volumétriques à vis

Les compresseurs de ce type sont soumis à deux classifications : les compresseurs à vis mono-rotor ou bi-rotor d’une part, et les compresseurs à vis hermétiques ou ouverts d’autre part.

Le compresseur à vis mono-rotor : une vis hélicoïdale unique tourne à grande vitesse.
Le compresseur à vis bi-rotor : le compresseur est composé de deux vis (une femelle et une mâle) à dentures hélicoïdales. L’insertion progressive des cannelures de la vis mâle dans celles de la vis femelle (par simple rotation) provoque la compression des vapeurs de fluide frigorigène.

Les compresseurs à vis de tous types sont utilisés dans le domaine des pompes à chaleur de fortes puissances : de 100 à 5 000 kW de puissance calorifique au condenseur. De ce fait, ils sont utilisés dans les pompes à chaleur eau/eau.

Avantages

Pas de soupapes et peu de pièces en mouvement, excellent rendement (indiqué et volumétrique).
L’absence de vibrations et peu de bruit.
Le taux de compression élevés.
Le flux de gaz pratiquement continu.
L’absence de parties sujettes à usure.
Le réglage facile.
La relative insensibilité aux coups de liquide.
Quasiment pas d’entretien nécessaire.
La régulation de puissance possible de 10 à 100 %.
Les rotors à profils asymétriques, ce qui est préférable au point de vue énergétique.
Le compresseur peu volumineux.

Inconvénients

Le coût relativement élevé.
Consomme plus d’énergie que les autres types de compresseurs.
Le moteur plus rapide donc groupe moto-compresseur assez bruyant.
La nécessité d’usiner avec une grande précision.
Uniquement utilisable pour de fortes puissances.
La nécessité d’adapter le taux de compression interne au taux de compression externe, sinon pertes.

En outre, les compresseurs à vis ouverts montrent l’avantage de pouvoir être entraînés par toutes sortes de moteurs, et l’inconvénient de ne pas récupérer au condenseur la chaleur dissipée par le moteur. Ils sont plus courants que les moteurs à vis semi-hermétiques.

Le compresseur volumétrique rotatif

Dans ce type de compresseur, un stator cylindrique renferme un rotor excentré par rapport à l’axe du stator. Un volume en forme de croissant est piégé. Du fluide frigorigène est introduit (aspiration) et la rotation du rotor comprime cet espace jusqu’à atteindre la pression souhaitée (refoulement).

Deux technologies existent :

Le compresseur rotatif à piston roulant : il est constitué d’un stator à l’intérieur duquel est disposé un rotor excentré (piston) qui comprime les vapeurs en se déplaçant. Une palette est montée sur le stator et assure l’étanchéité entre les chambres d’aspiration et de refoulement.

Le compresseur rotatif à palettes : la compression des vapeurs est obtenue par le déplacement des palettes qui sont logées dans des rainures dans le rotor, et qui appuient contre le stator grâce à la force centrifuge. Le rotor est monté de façon excentrique à l’intérieur du stator de manière à créer des volumes de plus en plus réduits pour les vapeurs.

Compresseur à piston roulant et compresseur à palettes.

Ces compresseurs sont utilisés pour des puissances calorifiques jusqu’à 10 kW et bénéficient d’une grande souplesse de fonctionnement. De plus, ils sont peu bruyants.

Le compresseur centrifuge

Ces compresseurs, appelés aussi turbocompresseurs, ne sont utilisés que dans le cas des très fortes puissances : de 1 000 kW à 50 000 kW de puissance calorifique au condenseur. Ils sont donc envisageables dans les grands centres industriels et commerciaux. Ils appartiennent aux pompes à chaleur de type eau/eau et peuvent être de type ouvert ou fermé.

Avantages

L’encombrement réduit.
Pas d’huile dans le circuit frigorifique et pas de problème d’huile piégée dans l’évaporateur, car les deux circuits (fluide frigorigène et huile) sont bien séparés.
Les puissances très élevées et réglables de 20 à 100 %
Peut être entraîné par des moteurs de différents types, dans le cas des compresseurs ouverts.
L’excellente qualité de fabrication.
Le coût plus faible que les compresseurs à vis.

Inconvénients

Le taux de compression faibles : ce compresseur se rencontre souvent donc en multi-étagé.
Moins de souplesse d’adaptation aux régimes de marche et aux fluides frigorigènes.
Utilisables pour les très fortes puissances uniquement.
Pas de récupération au condenseur de la chaleur dissipée par le moteur.
Plus délicat que les compresseurs à pistons à faible charge à cause du phénomène de pompage qui survient pour des faibles débits et qui peut endommager le compresseur (pompage : le débit oscille entre un débit nul et le débit maximal d’où écoulement pulsatoire).

PAC électrique ou au gaz ?

Les pompes à chaleur fonctionnent pour la majorité à l’électricité. Mais il est également possible de faire fonctionner la pompe à chaleur à l’aide d’un moteur à gaz, la PAC prélevant la chaleur sur l’air extérieur ou sur de l’air extrait d’un bâtiment. Le moteur thermique est alimenté en gaz naturel (méthane), ou en LPG (propane + butane) et ces PAC au gaz sont chargées avec les HFC (par exemple du R410A).

Les pompes à chaleur à gaz présentent les avantages suivants :

Leurs performances sont bonnes et leur rendement est indépendant des fluctuations de la température extérieure, car elles récupèrent la chaleur dissipée par le moteur et celle contenue dans les gaz d’échappement.
Grâce à cette récupération de chaleur, le dégivrage n’est plus nécessaire et la montée en régime est rapide. La PAC fonctionne en continu.
Contrairement à leurs homologues électriques sur l’air extérieur, elles fonctionnent bien en monovalence, c’est-à-dire qu’aucun appoint n’est nécessaire (ni de chaudière).
Leur coût énergétique est inférieur d’environ 30 % par rapport aux PAC électriques. Elles consomment peu d’électricité (90 % en moins).
Elles sont utilisables dans n’importe quel type de bâtiment, aussi bien dans les maisons particulières que dans des installations industrielles.
Elles peuvent être équipées d’un kit hydraulique pour produire de l’eau chaude ou de l’eau froide.
Les coûts d’entretien sont faibles.
Il est possible de réutiliser les installations existantes de PAC électriques en ne remplaçant que la PAC elle-même.
Les unités peuvent être connectées en série ; ce type de PAC est donc applicable à de grandes installations.
Elles sont compatibles avec les systèmes classiques de chauffage basse température : chauffage par le sol ou par le plafond, ou ventilo-convecteurs.

Ces PAC sont par contre plus chères que les PAC électriques. Peu de constructeurs exploitent cette solution pour l’alimentation d’une PAC.

Performances de la PAC à gaz

Il n’est pas possible de comparer directement le COP d’une PAC à gaz et celui d’une PAC électrique. En effet, dans le premier cas, l’énergie est primaire, dans le deuxième elle ne l’est pas.

Considérons que l’électricité est produite à partir de centrales dont le rendement moyen en Belgique est de 38 %. Pour produire 3 kWh thermiques, la pompe à chaleur aura donc utilisé 2,6 kWh primaires. Le « COP » sur énergie primaire est alors égal à 3 / 2,6 = 1,15.

Le PER (Primary Energy Ratio) de la PAC à gaz se situe quant à lui entre 1,2 et 1,6. Ce « COP » n’est pas beaucoup plus élevé que celui de la PAC électrique, mais contrairement à cette dernière, les performances sont conservées en cas de grand froid.

Choix du condenseur

On distingue les condenseurs à air et à eau.

Dans le premier cas, on utilise en général un condenseur à air à tubes à ailettes, un ventilateur centrifuge pour brasser l’air et un filtre. Les coefficients d’échange des condenseurs à air vont de 20 à 30 [W/m².K].

Dans le cas des condenseurs à eau, il existe :

Les condenseurs à serpentins : ils ne sont utilisés que pour des faibles puissances calorifiques au condenseur. Ils présentent l’inconvénient de montrer des difficultés d’entretien et de devoir utiliser une eau très propre et non entartrante.

Les condenseurs à tubes coaxiaux : utilisés pour des puissances calorifiques allant jusqu’à 100 kW. De même que le précédent, il nécessite une eau propre, car les entretiens ne sont pas évidents.

Les condenseurs à plaques brasées : leur coefficient d’échange thermique est élevé et donc ils se généralisent pour les pompes à chaleur air/eau et eau/eau. Ils sont performants, compacts, les pertes de charge sur l’eau sont en général assez faibles et la petite taille des canaux réduit la quantité de fluide frigorigène. Par contre, ce dernier atout présente l’inconvénient de favoriser l’encrassement des tuyaux. De nouveau, l’eau doit être très propre ou filtrée avant d’entrer dans le condenseur.

Les condenseurs multitubulaires : ils sont utilisés lorsque les puissances calorifiques sont importantes.

Les coefficients d’échange des condenseurs à eau vont de 700 à 1 100 [W/m².K].

Choix de l’organe de détente

Détendeur	Thermostatique. C’est le détendeur le plus utilisé dans les pompes à chaleur. Il fonctionne de façon automatique et règle le débit du fluide frigorigène de manière à ce que la surchauffe des gaz qui sortent de l’évaporateur soit constante. Son inconvénient est de ne pas présenter un temps de réponse instantané, mais ce détendeur est très fiable, il permet d’adapter l’alimentation de l’évaporateur en fluide frigorigène, et de plus, certains détendeurs thermostatiques peuvent fonctionner dans les deux sens, évitant ainsi un second détendeur et des clapets dans les pompes à chaleur réversibles.
Capillaire de détente	Il est utilisé dans les petits matériels de série. Son inconvénient réside dans le fait qu’il ne permet aucun réglage de la détente, mais cet inconvénient est aussi un avantage, car le capillaire de détente ne permet pas de déréglage de la détente dans le temps. Le capillaire peut se boucher facilement, il faut donc veiller à la parfaite déshydratation du circuit. Il faut également éviter l’utilisation d’une bouteille accumulatrice de liquide, car pendant l’arrêt du compresseur, l’évaporateur se remplirait alors exagérément (en effet le capillaire n’interrompt pas la communication entre condenseur et évaporateur, même pendant l’arrêt du compresseur). La charge en fluide frigorigène doit donc rester limitée. D’un autre côté, l’équilibre des pressions qui s’établit pendant l’arrêt du compresseur permet à ce dernier de redémarrer plus facilement. Autre avantage : le temps de réponse de la détente est instantané.
Détendeur électronique	Il en existe de deux sortes : le détendeur moteur pas-à-pas et le détendeur à impulsion. C’est un détendeur très précis et fiable, de par la régulation numérique. L’injection du fluide frigorigène, la régulation de la température de la source froide et le dégivrage sont donc optimalisés et la surchauffe est maîtrisée. Le rendement de la pompe à chaleur reste ainsi optimal à tous les régimes. De plus, le système s’adapte à tous les fluides frigorigènes. Son inconvénient réside toutefois dans son coût élevé.
Orifice calibré	Il s’appelle aussi « accurator » et s’utilise pour les pompes à chaleur réversibles. C’est un détendeur très fiable et son temps de réponse est instantané. Par contre, on ne peut pas adapter l’alimentation en fluide frigorigène en fonction de la charge thermique à l’évaporateur. De plus, ce détendeur n’est pas protégé par un filtre en amont, il faut donc faire attention lors d’interventions sur le circuit.
Régleur manuel	Il est uniquement utilisé comme organe de secours d’un autre détendeur. Il fonctionne comme un capillaire, mais le réglage peut être modifié par la suite. Son temps de réponse est instantané, mais comme pour l’orifice calibré, on ne peut pas adapter l’alimentation en fluide frigorigène en fonction de la charge thermique à l’évaporateur. Lors de l’arrêt du compresseur, il est nécessaire de prévoir une vanne magnétique pour éviter le remplissage en liquide de l’évaporateur.
Détendeur à flotteur haute pression	Il est souvent utilisé dans les groupes centrifuges. Ce détendeur règle le débit de liquide vers l’évaporateur en fonction du débit des vapeurs condensées, qui sont à haute pression. Son problème réside dans le fait qu’il faut mesurer très précisément la charge en fluide frigorigène pour éviter un retour de liquide vers l’aspiration du compresseur en cas d’excès de charge, et une alimentation insuffisante de l’évaporateur en cas de défaut de charge.
Détendeur à flotteur basse pression	Il est très utilisé en combinaison aux évaporateurs noyés et également pour les pompes à chaleur de forte puissance. Ce détendeur règle le débit de liquide vers l’évaporateur en fonction de son niveau de liquide, qui est à basse pression. Le fluide frigorigène a un niveau constant, quelle que soit la charge thermique de l’évaporateur.
Contrôleur de niveau magnétique	C’est une variante du détendeur à flotteur basse pression. Le flotteur porte ici un aimant permanent ou une masselotte en fer doux et actionne magnétiquement les contacts de commande de la vanne solénoïde placée sur l’arrivée de liquide dans l’évaporateur.
Contrôleur de niveau à bulbe chauffé	Ici un bulbe est chauffé électriquement, et sa chaleur agit sur l’injection de liquide vers l’évaporateur.

Publié par : Energie-Plus 19 Mar, 2009

Coefficients de performance d’une PAC

Le COP du groupe moto-compresseur

Ce COP s’écrit ε_cet on l’appelle « indice de performance ». C’est le rapport de la puissance thermique utile délivrée au condenseur à la puissance électrique absorbée par le compresseur uniquement. Cet indice est variable en fonction des températures des sources chaude et froide. Quand on précise une valeur de ε_c, on doit donc indiquer les bases de température et spécifier s’il s’agit de sources extérieures ou intérieures.

ε_c= chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Par exemple, si, à un moment de mesure donné, les températures des sources chaudes et froides d’une certaine PAC sont telles qu’elle transmet via son condenseur une puissance de 3 kW alors qu’au même moment son compresseur requiert une puissance de 1 kW, on pourra dire que son indice de performance vaut 3 kW / 1 k W = 3 pour ces conditions de température.

ε_cest obtenu après essais thermiques dans des conditions standard et il intègre donc les imperfections thermodynamiques (les écarts de température à l’évaporateur et au condenseur). Les pertes thermodynamiques, mécaniques, électriques du compresseur ont également été prises en compte.

L’indice de performance n’intègre par contre pas la consommation des auxiliaires (permanents ou non) et les pertes de chaleur dans les conduits.

Le COP global de la PAC

C’est le COP qui est donné par les constructeurs de pompes à chaleur. Pour le calculer, en plus de la puissance du compresseur, on devra prendre en compte la puissance des auxiliaires non permanents (dispositif antigel, pompes et ventilateurs régulés en même temps que le compresseur, etc). La puissance consommée aux auxiliaires permanents (pompes de circulation dans le plancher, tableau électrique, régulation et système de sécurité) n’est pas assimilée.

Puissance thermique au condenseur (chaleur restituée dans le bâtiment)

COP = ————————————————————————–

Puissance absorbée pour réaliser le transfert de chaleur (compresseur et auxiliaires NP)

Les mesures ne concernent que les éléments rattachés à la pompe à chaleur et sont indépendantes de l’installation de chauffage, de l’accumulateur, etc. La norme européenne EN 14511 fixe des conditions de mesures standardisées très précises qui ne correspondent aux situations réelles que dans certaines circonstances. Il ne faut pas perdre cela de vue lorsque l’on travaille avec ce COP.

Reprenons l’exemple de PAC ci-dessus. Dans les conditions imposées par la norme EN 255, la puissance mise à disposition au condenseur ne sera peut-être pas 3 kW mais 3,2 kW pour une température de sortie du condenseur identique. De plus, la puissance absorbée par l’ensemble des équipements à prendre en compte ne sera peut-être pas de 1 kW mais de 1,1 kW. Le coefficient de performance vaudra alors 3,2 / 1,1 = 2,9.

Le COP est le coefficient le plus utile car il donne des performances réelles d’une pompe à chaleur. De même que pour l’indice de performance, il n’intègre pas les pertes dans les conduits.

Le COP global de l’installation

Ce COP, que l’on peut écrire ε_i, sera toujours inférieur au COP global de la PAC vu ci-dessus. Il tient compte des éléments suivants :

les imperfections de l’installation (pertes d’énergie par les réseaux de distribution, pertes aux échangeurs, etc.) qui ne participent pas au chauffage des locaux,
les auxiliaires (pompes, circulateurs, ventilation, etc.),
la mise en œuvre de l’installation (dimensionnement, pose, etc.).

Si l’installation était parfaite, ε_i serait égal au COP global de la PAC donné par les constructeurs.

Le COP saisonnier ou global annuel de l’installation

Le coefficient annuel, ou COPA, évalue la performance annuelle de l’installation de la pompe à chaleur, auxiliaires compris. C’est l’indice le plus important dans l’examen d’une installation de pompe à chaleur. Toutes les quantités d’énergie produite et injectées pendant une année y sont comparées. Il ne s’agit pas d’une valeur théorique calculée à partir de puissance installées, mais d’une mesure réelle sur site de la quantité d’énergie consommée et fournie. C’est le coefficient de performance annuel qui donne vraiment idée du « rendement » et de l’efficacité de l’installation.

Il vaut le rapport des valeurs mesurées :

énergie calorifique restituée dans le bâtiment sur une saison de chauffe

COPA = ————————————————————————–

énergie consommée pour le fonctionnement de l’installation (pompe à chaleur + auxiliaires)

Imaginons que notre PAC fasse maintenant partie de toute une installation de chauffage. Les variations de température des sources froides et chaudes, les pertes par émission du réseau de distribution, la consommation d’un chauffage d’appoint, etc… font que 13 000 kWh* de chaleur sont produits sur une année, tandis que les consommations globales s’élèvent à 6 200 kWh* d’énergie électrique. On dira alors que le COPA de cette installation vaut 13 000 kWh / 6 000 kWh = 2,17.

*Ces valeurs ne servent qu’à illustrer la définition du COPA. Il ne s’agit pas d’une quelconque moyenne d’installations existantes ou du résultat d’une étude de cas.

Le facteur de performance saisonnier SPF

Le SPF évalue théoriquement la performance annuelle de la pompe à chaleur (et pas de l’installation). Il est le rapport des quantités d’énergie fournies et apportées en un an calculées de façon théorique sur base du COP instantané à différentes températures.

Il s’agit donc bien d’une valeur théorique mais prenant en compte les variations de température de la source froide et non pas d’une valeur mesurée en situation réelle comme le COPA. De plus, le SPF décrit une PAC tandis que le COPA décrit une installation complète. On ne tiendra donc pas compte pour le calcul du SPF des pertes de l’accumulateur par exemple, ou d’un mauvais réglage d’un dispositif de dégivrage, qui augmenteraient la quantité d’énergie demandée au compresseur et donnerait une valeur finale moins avantageuse mais plus réelle. On calculera le SPF comme ceci :

Q_demandée est la quantité d’énergie demandée à la PAC durant la période de chauffe [kWh/an].
P(T_ext) est la puissance à apporter lorsque la température de la source froide est T_ext (par exemple les déperditions thermiques d’une maison selon la température extérieure) [kW].
t(T_ext) est le temps durant lequel la température de la source froide est T_ext [h/an]
COP(T_ext) est le coefficient de performance de la pompe à chaleur lorsque la température de la source froide est T_ext.

Le rendement en énergie primaire des PAC

Si la pompe à chaleur à la vertu de produire une moyenne saisonnière de 2 à 3,5 kWh thermique pour chaque kWh électrique consommé, il faut toute de même considérer l’énergie primaire nécessaire à la production de ce kWh électrique en amont.

Le facteur d’énergie primaire de l’électricité est fixé en 2019 à 2,5. Il faut ainsi 2,5kWh d’EP (énergie primaire) pour produire 1kWh d’énergie électrique en Europe.

Le rendement comptabilisé en énergie primaire tombe donc à 2,5kWh d’EP pour 2 à 3,5kWh thermiques. Soit un rendement global équivalent de 1 à 1,4. On sait par ailleurs qu’un kWh de gaz (=1 kWh d’EP) utilisé dans une bonne chaudière produit également ±1kWh d’énergie thermique.

Les PAC voient également leur rendement baisser fortement quand les températures baissent sous les 6-7 degrés en raison des principes de la thermodynamique (cycle de Carnot) mais également de la nécessité d’actionner le dégivrage des éléments extérieurs. Cette baisse de rendement rend souvent nécessaire d’y adjoindre une petite chaudière au gaz.

Bon à savoir : si, avec un kWh d’électricité, nous pouvons obtenir 2 à 3,5 kWh thermique avec une PAC, il faudra 2 à 3,5 kWh de gaz pour produire la même énergie thermique avec une chaudière. Là encore, économiquement, le gaz étant 2 à 4 fois moins cher que l’électricité, le gain économique lié au choix de la PAC n’est pas des plus évident.

Publié par : Energie-Plus 3 Fév, 2009

Organes de détente

Principe de fonctionnement

La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif « abaisseur de pression » dans le circuit d’une pompe à chaleur. C’est le rôle du détendeur, qui va donc abaisser la pression du fluide frigorigène sortant du condenseur à l’aide d’un dispositif d’étranglement. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. Le détendeur alimente ensuite l’évaporateur en fluide frigorigène en modulant son débit.

La détente se produit sans échange de chaleur ou de travail avec le milieu extérieur.

Un mauvais contrôle de la quantité de fluide frigorigène admise dans l’évaporateur, entraîne les conséquences suivantes :

Trop peu de fluide frigorigène : il est immédiatement évaporé et il continue à se réchauffer. C’est l’effet de surchauffe. L’efficacité de l’évaporateur diminue.

Trop de fluide injecté : l’excès de fluide n’est pas évaporé par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspirée par le compresseur. Celui-ci peut alors être sérieusement endommagé (coup de liquide).

Le détendeur thermostatique

C’est le dispositif le plus fréquemment utilisé dans les pompes à chaleur. Le détendeur thermostatique, qui fonctionne de façon automatique, est un corps de vanne qui règle le débit du fluide réfrigérant de façon à maintenir constante la surchauffe des gaz qui viennent de l’évaporateur.

Le corps de vanne est muni d’un orifice fixe et d’un pointeau mobile. La position du pointeau est contrôlée à partir d’un ensemble composé d’une membrane (4), d’un train thermostatique dont la pression interne est fonction de la température du bulbe (= la sonde) (3) et d’un ressort, dont la force d’appui sur la membrane est contrôlée par une vis de réglage (5). Si la charge thermique de l’évaporateur augmente, la sonde détectera une montée de température, agira sur la membrane et le pointeau s’ouvrira afin d’augmenter le débit de réfrigérant (1) jusqu’à obtention de la même surchauffe des vapeurs. D’un côté du soufflet règne la pression d’évaporation (amont ou aval de l’évaporateur suivant l’existence ou non d’une égalisation de pression) ; de l’autre côté du soufflet règne la pression de saturation correspondant à la température du bulbe.

Il existe deux classes de détendeurs thermostatiques : les détendeurs thermostatiques à égalisation interne de pression et les détendeurs thermostatiques à égalisation externe de pression.

Dans le premier cas, les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et, d’autre part, la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à l’entrée de l’évaporateur (prise à l’intérieur du détendeur). Ce type de détendeur est bien adapté lorsque la perte de charge entre l’aval du détendeur et la sortie de l’évaporateur est faible, ce qui est le cas la plupart du temps, des pompes à chaleur de faible puissance dont l’évaporateur est équipé d’un ou de deux circuits sans distributeur de liquide.
Dans le second cas, les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et, d’autre part, la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à la sortie de l’évaporateur. Cette pression aval est transmise dans un compartiment du détendeur par l’intermédiaire d’une tuyauterie d’égalisation de pression dont le raccordement est effectué à la sortie de l’évaporateur, et de préférence après le bulbe pour éviter d’influencer celui-ci par la turbulence locale occasionnée par le piquage. La perte de charge occasionnée par le distributeur de liquide et l’évaporateur n’intervient pas sur l’ouverture ou la fermeture du pointeau. Seule la surchauffe à la sortie de l’évaporateur agit sur le pointeau.

L’utilisation de ce type de détendeur présente l’inconvénient de ne pas avoir un temps de réponse instantané. Les avantages sont :

Une grande fiabilité.
Les détendeurs thermostatiques permettent d’adapter au mieux l’alimentation de l’évaporateur en fluide frigorigène, quelle que soit la charge thermique de celui-ci.
Certains détendeurs thermostatiques à égalisation de pression peuvent fonctionner dans les deux sens, évitant un second détendeur et les clapets dans les pompes à chaleur réversibles.

Le capillaire de détente

Ce type d’organe de détente, qui est non-automatique, est utilisé dans les petits matériels de série. On se contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement dans la conduite du fluide frigorigène avant l’évaporateur. L’étranglement est assuré par un tube capillaire de très faible diamètre dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. La longueur et le diamètre du tube capillaire sont déterminés par le constructeur.

Le capillaire de détente n’interrompt jamais la communication entre le condenseur et l’évaporateur. Pendant l’arrêt du compresseur, rien ne s’oppose donc à ce que le fluide frigorigène s’écoule du condenseur (où il est sous haute pression) vers l’évaporateur.

Le capillaire ne permet aucun réglage de la détente, ce qui peut être un inconvénient. D’un autre côté, il ne permet aucun déréglage de la détente dans le temps, ce qui est un avantage. Le circuit doit être soigneusement déshydraté sinon le capillaire se bouche. De plus, il faut éviter l’utilisation d’une bouteille accumulatrice de liquide afin de ne pas remplir exagérément l’évaporateur durant l’arrêt du compresseur. La charge en frigorigène du circuit doit donc être relativement limitée, ce qui nécessite une recherche particulièrement soignée des fuites. En ce qui concerne les avantages de ce système, on remarque que l’équilibre de pression qui s’établit entre la haute pression et la basse pression pendant l’arrêt du compresseur permet un démarrage plus facile de celui-ci. De plus, le temps de réponse de la détente est instantané.

Le détendeur thermostatique.

Deux techniques existent :

Le détendeur avec moteur à impulsion : le temps d’ouverture détermine la surchauffe.
Le détendeur avec moteur pas à pas : le degré d’ouverture permet une alimentation correcte de l’évaporateur.

Le détendeur électronique fonctionne sur le même principe que le détendeur thermostatique mais il permet un réglage plus précis de l’injection à l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera nécessaire et le rendement de la pompe à chaleur reste ainsi optimal à tous les régimes. La température d’évaporation remontera de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur.

Il se compose d’une sonde de température (placée à la sortie de l’évaporateur contrôlant la surchauffe des gaz), d’une sonde de pression d’évaporation et d’une carte électronique dont le rôle est d’analyser ces valeurs et d’agir en conséquence sur une vanne de détente motorisée (moteur pas à pas à 2 500 positions) ou séquentielle.

Le système s’adapte à tous les fluides frigorigènes et, pour passer d’un fluide à l’autre, il suffit de modifier le paramétrage de la corrélation pression/température du fluide en ébullition. La vanne de détente peut se fermer en période d’arrêt et jouer ainsi le rôle d’une vanne magnétique de départ liquide.

Les systèmes avec vanne de détente séquentielle posent quelquefois des problèmes de tenue mécanique des évaporateurs à faible inertie (coup de bélier).

L’orifice calibré

Cet organe de détente est composé d’un orifice calibré réalisé dans un corps mobile coulissant. Son fonctionnement comme détendeur s’apparente à un tube capillaire associé à un clapet de retenue autorisant le passage du liquide en sens inverse. Lorsque le fluide frigorigène circule dans un sens, il joue le rôle d’organe de détente grâce à l’orifice calibré. Dans l’autre sens, le corps mobile coulisse, dévoilant des rainures permettant de laisser passer le fluide liquide sans détente.

Les autres détendeurs

D’autres détendeurs de PAC existent ; ils sont brièvement expliqués sur cette page-ci.

Publié par : Energie-Plus 3 Fév, 2009

Évaporateurs [PAC]

Les évaporateurs à air

Ce type d’évaporateurs s’utilise lorsque la source froide est… l’air.

Le fluide frigorigène circule dans un tube qui traverse de nombreuses ailettes d’aluminium (en général rectangulaires, mais aussi parfois circulaires ou hélicoïdales). Les tubes sont disposés en série, formant une nappe, et les différentes nappes sont associées en parallèle. On peut avoir deux configurations des tubes en ce qui concerne l’alimentation en fluide frigorigène :

Soit, les nappes sont assemblées en parallèle à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur. Le collecteur d’entrée est alors alimenté par le détendeur.

Soit, les nappes sont assemblées en parallèle seulement à la sortie. Le détendeur est alors un capillaire d’alimentation et il y a un distributeur de liquide à l’entrée de l’évaporateur. Ce dernier répartit le fluide en quantités égales dans chacun des circuits. La sortie de chaque circuit aboutit au collecteur d’aspiration.

Dans ces évaporateurs, il peut y avoir de la ventilation (c’est-à-dire de la convection forcée) ou de la convection naturelle. Les ailettes alimentées par ventilation seront très rapprochées les unes des autres, les ailettes alimentées par convection naturelle seront très espacées.

En pratique, l’on procède souvent à une filtration de l’air avant l’évaporateur. Le ventilateur peut être de type centrifuge ou hélicoïdal.

Condensation et givre

Lorsque la température des parois extérieures de l’évaporateur devient inférieure à la température de rosée de l’air, il se produit le phénomène de condensation ou de givrage sur l’évaporateur (condensation si la température de paroi est supérieure à 0 °C et givrage si non). Une chaleur latente, résultant de l’apparition d’eau ou de glace, s’ajoute à la chaleur sensible captée sur l’air. Ceci influence directement les échanges thermiques.

Au fur et à mesure qu’il se forme, le givre a pour effet de produire une isolation thermique de l’évaporateur conduisant à une chute du coefficient d’échange thermique. Il contribue également à la diminution du passage d’air, conduisant à une augmentation de la perte de charge côté air et par suite à une diminution du débit d’air. On cherchera donc à éliminer le givre.

La condensation a pour effet de mouiller l’évaporateur. Il convient d’éliminer l’eau condensée et d’éviter son entraînement dans les circuits d’air. On choisira donc des vitesses de passage d’air inférieures à 3 m/s.
Dans certains cas de refroidissement, il ne se produit ni givrage ni condensation, et ce, même lorsque la température de paroi est négative.

Les évaporateurs à eau ou à eau glycolée

Les différents évaporateurs à eau qui existent sont listés dans cette section. Pour comprendre les notions d’évaporateurs à surchauffe ou noyés, cliquer ici !.

Évaporateurs coaxiaux en spirale (ou évaporateurs double tube) = Évaporateurs à surchauffe

Dans ces évaporateurs, deux tubes de cuivre coaxiaux sont enroulés en spirale. Le fluide frigorigène qui se vaporise circule dans le plus petit tube (le tube intérieur) et le fluide caloporteur (eau glycolée) circule à contre-courant dans l’espace annulaire entre les deux tubes.

Ces évaporateurs présentent des difficultés d’entretien et il faut utiliser de l’eau propre non entartrante.

Évaporateurs à plaques brasées = Évaporateurs à surchauffe

Ils se composent d’une série de plaques d’acier inoxydable assemblées par brasure (= avec un métal d’apport). L’eau glycolée et le fluide frigorigène en évaporation circulent à contre-courant de chaque côté de ces plaques.

La conception de ces échangeurs favorise des coefficients d’échange thermique très élevés avec une différence de température très faible entre les deux fluides. Ceci en fait des appareils très performants et compacts, en plus d’être robustes. Un autre avantage est les pertes de charge sur l’eau qui sont en général assez faibles. Ces évaporateurs sont aussi suffisamment étanches pour permettre l’utilisation de fluides frigorigènes.

La petite taille des canaux facilite cependant l’encrassement. Les circuits doivent donc être très propres ou alors on peut prévoir des filtres à l’entrée de l’eau glycolée dans l’évaporateur. Un autre inconvénient est la non-résistance au gel de ces échangeurs. De l’antigel doit donc être présent en quantité suffisante et de façon homogène dans les circuits de capteurs enterrés.

Évaporateurs multitubulaires = Évaporateurs à surchauffe ou noyés

Les évaporateurs multitubulaires noyés sont constitués d’un faisceau de tubes métallique soudé sur des plaques à l’intérieur d’un corps cylindrique en acier. L’eau de la source froide circule dans les tubes intérieurs et le fluide frigorigène s’évapore dans le corps principal à l’extérieur des tubes. Il y a un séparateur de gouttelettes dans l’évaporateur pour éviter les entraînements de liquide vers le compresseur. Malgré cela, il faut en plus prévoir une bouteille anti-coups de liquide pour protéger le compresseur. Ces évaporateurs présentent un autre problème : celui de piéger l’huile de lubrification (si elle est présente dans l’installation).

Les évaporateurs multitubulaires à surchauffe sont aussi appelés évaporateurs à épingles (à cause de la forme du faisceau tubulaire) ou évaporateur Dry-Ex. Ici le fluide frigorigène circule dans les tubes, à l’inverse de l’évaporateur multitubulaire noyé. Les tubes sont en général munis d’ailettes intérieures afin d’augmenter la surface d’échange. L’évaporateur est alimenté par un détendeur thermostatique, qui permet d’adapter le débit de fluide frigorigène entrant dans l’évaporateur et donc de contrôler la surchauffe des vapeurs. Cet évaporateur ne montre pas de problème de piégeage d’huile, car elle se dirige vers le carter du compresseur si elle est entraînée par le fluide frigorigène.

Évaporateurs à serpentin = Évaporateurs noyés

Dans ce cas, les tubes (le plus souvent en cuivre) de l’évaporateur sont noyés dans un réservoir d’eau (de nappe phréatique, d’étang, etc.). Ils sont enroulés en spirale ou suivant la forme du bac. L’eau pénètre dans le réservoir et peut déborder. Cette technique permet d’éviter les problèmes de gel car la glace se forme autour des tubes sans dégrader l’évaporateur.

Ce type d’évaporateur, facilement nettoyable, autorise l’usage d’eau de mauvaise qualité sur le plan de la propreté (sable, débris de feuilles,…). Par contre, les coefficients d’échange thermique sont assez faibles, ce qui nécessite de grandes longueurs de tubes et conduit à un encombrement important.

Publié par : Energie-Plus 3 Fév, 2009

Condenseurs [Chauffage, PAC]

Le principe de fonctionnement du condenseur

Le condensation du fluide frigorigène transmet la chaleur à l’environnement à chauffer.

Trois phases se succèdent le long d’un échangeur de chaleur à contre-courant (le fluide frigorigène et le fluide à chauffer vont dans des sens opposés) : la désurchauffe, la condensation proprement dite et le sous-refroidissement.

Pendant la désurchauffe, le fluide frigorigène à l’état de vapeur qui vient du compresseur se refroidit à pression constante en cédant de sa chaleur sensible au fluide extérieur.
La condensation commence quand la première goutte de liquide frigorigène apparaît, et se produit à pression et température constantes. Lors de cette phase, les vapeurs qui se condensent cèdent leur chaleur latente de condensation au fluide extérieur qui se réchauffe.
Lorsque toute la vapeur a été condensée, le liquide frigorigène va se sous-refroidir à pression constante en cédant de nouveau de la chaleur sensible au fluide extérieur.

Cependant, en pratique, les trois phases coexistent dans une même section de l’échangeur de chaleur. Le fluide frigorigène circule dans un tube en contact avec l’eau ou l’air. La partie du fluide frigorigène qui touche le tube est liquide et se sous-refroidit. Le fluide qui est en contact avec ce liquide condense à son tour. Le gaz frigorigène qui est au centre du tube désurchauffe simplement.

En résumé, la quantité de chaleur évacuée au condenseur comprend la chaleur sensible de la vapeur surchauffée, la chaleur latente de condensation du fluide frigorigène et la chaleur sensible de sous-refroidissement du liquide frigorigène.

Les condenseurs à air

On utilise ce type de condenseur lorsque le fluide extérieur à chauffer est de l’air. On se trouve alors dans le cas d’une pompe à chaleur air/air ou eau/air.

Le condenseur à air le plus couramment utilisé comprend des tubes à ailettes, un ventilateur centrifuge de brassage d’air et un filtre. Les tubes sont reliés parallèlement les uns aux autres entre deux collecteurs. Un de ces collecteurs alimente les tubes en vapeur frigorigène surchauffée, l’autre évacue le liquide.

Les condenseurs à eau

Dans ce cas la source chaude est de l’eau. On distingue quatre types de condenseurs à eau :

Les condenseurs à serpentins : Le serpentin en cuivre forme une spirale à l’intérieur d’une enveloppe d’acier soudé. L’eau de la source chaude circule dans le serpentin et le fluide frigorigène dans l’enveloppe d’acier. Le fluide frigorigène se condense dans l’enveloppe au contact de la surface du serpentin.

Les condenseurs à tubes coaxiaux : Les tubes concentriques en cuivre sont enroulés ensemble en forme de spirale. L’eau circule dans le tube intérieur et le fluide frigorigène se condense à l’extérieur.

Les condenseurs à plaques brasées : Cet échangeur se compose de plaques en acier inoxydable assemblées par brasage. Le fluide frigorigène en condensation circule dans une plaque sur deux, et l’eau à réchauffer dans les autres plaques.
Les condenseurs multitubulaires.

Un grand nombre de tubes, dans lequel circule l’eau à chauffer, sont placés à l’intérieur d’un anneau. La condensation du fluide frigorigène s’effectue sur la surface extérieure des tubes, à l’intérieur de l’enveloppe. À chaque extrémité de l’anneau se trouvent des boîtes à eau qui distribuent l’eau en série et parallèle dans les divers tubes. Les tubes sont souvent équipés de petites ailettes afin d’augmenter le coefficient d’échange thermique.

Publié par : Energie-Plus 3 Fév, 2009

Compresseurs

Les compresseurs volumétriques à pistons

Dans les compresseurs volumétriques à pistons, les vapeurs de fluide frigorigène sont comprimées à l’aide du mouvement alternatif de pistons dans des cylindres. Ces derniers sont pourvus de clapets d’aspiration et de refoulement. En plus de ces éléments, le compresseur se compose :

d’un excentrique, qui sert à transformer un mouvement circulaire en un mouvement rectiligne alternatif,
d’un carter, qui contient le moteur d’entraînement électrique et qui forme la réserve d’huile de graissage (car le compresseur a besoin d’être constamment lubrifié),
d’une pompe à huile, qui assure la distribution de l’huile aux paliers et bielles.

Quelques remarques sur les compresseurs à pistons :

Les gaz aspirés pénètrent dans le compresseur généralement à la partie haute du moteur électrique, évitant ainsi l’introduction de liquide frigorigène dans les cylindres en cas de fonctionnement anormal de l’installation. Le refoulement est effectué au travers d’une tuyauterie souple brasée à l’enveloppe.

Le compresseur à piston est très sensible à l’arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. Il faut donc des protections anti-coups de liquide (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide). Le carter joue aussi en quelque sorte un rôle analogue à celui d’une bouteille anti-coup de liquide, mais sa capacité est très limitée en volume et le rôle protecteur ne sera réel que pour de faibles admissions de liquide à l’aspiration.

Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.

La vitesse de rotation du moteur d’entraînement est de 3000 tours/min la plupart du temps, pour des raisons d’encombrement et de coût de fabrication. Certaines rares séries sont cependant encore réalisées avec des moteurs dont la vitesse de rotation est de 1500 tours/min.
Le moteur électrique est alimenté par des fils reliés à des bornes étanches.

Les compresseurs volumétriques à pistons sont de trois types :

hermétique : le moteur et le compresseur sont situés à l’intérieur d’une cloche et ne sont pas accessibles. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 4 suivant la puissance désirée (un seul cylindre entre 0 et 2 kW, 2 cylindres entre 2 et 5,5 kW et 4 cylindres entre 5,5 et 15 kW).

semi-hermétique : le moteur est accolé au compresseur et certaines parties du compresseur peuvent être démontées pour une réparation ou un entretien. Une des extrémités de l’arbre du vilebrequin porte le rotor du moteur qui entraîne le compresseur. Le moteur est refroidi en grande partie par le fluide frigorigène aspiré par le compresseur, mais aussi parfois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé autour du moteur. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils sont disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

ouvert : le compresseur est accouplé au moteur soit simplement en bout d’arbre par un manchon d’accouplement, ou bien à l’aide de poulies et courroies. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils peuvent être disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La vitesse de rotation est ajustable par exemple en changeant la poulie du moteur, en arrêtant certains cylindres ou en changeant le régime de fonctionnement du moteur.

Le compresseur volumétrique hermétique spiro-orbital (Scroll)

Un compresseur Scroll comprime un gaz en continu en faisant tourner une partie mobile en forme de spirale autour d’une autre spirale fixe identique à la première. Ces deux spirales sont déphasées de 180°. Elles forment plusieurs volumes qui se créent à l’aspiration, se réduisent progressivement au fur et à mesure du déplacement orbital de la spirale mobile pour déboucher vers l’orifice de refoulement central.

Le type de compresseur ne nécessite pas de clapets d’aspiration et de refoulement, mais un clapet existe cependant afin d’éviter l’équilibrage des pressions haute et basse au moment de l’arrêt et la rotation en sens inverse de la spirale mobile.
Le moteur d’entraînement est situé à l’intérieur du carter. L’huile de lubrification se trouve en fond de carter et est envoyée par pompage vers les pièces mobiles.
Les compresseurs Scroll encaissent facilement les coups de liquide à l’aspiration par désolidarisation radiale des deux spirales. Ceci est un avantage important pour les systèmes à inversion de cycle.
Pour les applications en pompe à chaleur à haute température, il est possible d’effectuer une injection de liquide intermédiaire au milieu des spirales dans le but d’abaisser la température de refoulement et d’augmenter la puissance et le COP.
Diverses méthodes de régulation de vitesse sont possibles :

Régulation « tout ou rien ».
Régulation par moteur à 2 vitesses.
Régulation par variateur de vitesse

Attention : en cas de rotation en sens contraire, il n’y a pas de compression et un bruit insolite avertit le technicien !

Le compresseur volumétrique à vis

Ces compresseurs peuvent comporter une ou deux vis et être du type semi-hermétique ou ouvert.

Compresseur à vis mono-rotor.

Le compresseur à vis bi-rotor est constitué de deux rotors à dentures hélicoïdales (un rotor mâle et un rotor femelle) tournants à grande vitesse. Le rotor mâle est entraîné par le moteur et entraîne à sa suite le rotor femelle.

Les deux rotors à dentures hélicoïdales d’un compresseur à vis.

Le volume du gaz frigorigène est réduit progressivement par la rotation qui provoque l’insertion des lobes du rotor mâle dans le rotor femelle. Quatre phases se succèdent lors de la compression du gaz frigorigène :

L’aspiration.
Le transfert : les dentures emprisonnent le gaz aspiré.
La compression : le gaz diminue de volume à cause de la rotation des dentures et est ainsi comprimé.
Le refoulement : le gaz s’échappe par l’orifice de refoulement lorsqu’il est découvert pendant la rotation.

Les variations de puissance s’obtiennent dans les grosses machines par l’action d’un « tiroir » qui décide de l’utilisation d’une plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines (toujours très grandes comparées à des compresseurs à pistons), la modulation de puissance s’obtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports d’aspiration auxiliaires, soit par les deux.
Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié pour assurer l’étanchéité entre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène. On peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu’à 20) sans altérer le fluide frigorigène. Le circuit de graissage comprend un déshuileur, un réservoir d’huile, un refroidisseur d’huile et une pompe à huile.
Quelques caractéristiques des compresseurs à vis ouverts :

La garniture d’étanchéité au passage de l’arbre est indispensable.
Quelquefois (pour les plus gros compresseurs), les moteurs sont pourvus d’un refroidissement hydraulique permettant de récupérer également de la chaleur sur le circuit d’eau.

Dans la version semi-hermétique, le moteur électrique est accouplé directement sur l’arbre du rotor mâle, côté flasque de refoulement, et fait corps avec le compresseur. Le refroidissement du moteur est obtenu directement par les gaz de refoulement qui le traversent en totalité avant de pénétrer dans le séparateur d’huile.

> Pour connaître les avantages/inconvénients des compresseurs à vis, cliquer ici !

Le compresseur volumétrique rotatif

On rencontre deux technologies :

le compresseur rotatif à piston roulant,
le compresseur rotatif à palettes.

Compresseur rotatif à piston roulant et compresseur rotatif à palettes.

Dans les deux cas, un stator cylindrique renferme un rotor excentré par rapport à l’axe du stator. Un volume en forme de croissant est piégé. Du fluide frigorigène y est introduit (aspiration) et la rotation du rotor va comprimer cet espace jusqu’à atteindre la pression souhaitée (refoulement).

Les puissances frigorifiques atteignent 10 kW. Ils sont essentiellement utilisés pour les climatiseurs individuels et les petits refroidisseurs de liquide.

Le compresseur centrifuge

Les appareils centrifuges utilisés en pompes à chaleur dérivent des groupes centrifuges de production d’eau glacée. Ce sont tous des appareils du type eau/eau. Ils ne diffèrent des groupes à eau glacée que par leur régulation.
Les compresseurs centrifuges sont munis de roues qui tournent à grande vitesse, elles-mêmes pourvues d’aubages. L’entraînement est réalisé par un moteur électrique en version semi-hermétique ou par un autre type de moteur en version ouverte. L’énergie cinétique centrifuge est transformée en énergie de pression dans les roues et les aubages et cela comprime le gaz frigorigène. La première roue est précédée d’aubages de prérotation en acier inoxydable qui permettent de :

réguler la machine pour que la production calorifique corresponde aux besoins réels ;
donner aux gaz arrivant sur les aubes de la roue un angle d’attaque favorable ;
assurer un étranglement à l’aspiration.

Le corps du compresseur est réalisé soit en fonte spéciale étanche, soit en acier soudé, soit en alliage léger. Il comprend la buse d’aspiration convergente, les diffuseurs radiaux placés à la périphérie des roues, ainsi que le multiplicateur de vitesse éventuel. Les roues du rotor sont munies d’ailettes (en acier soudé ou en alliage léger coulé et usiné) qui sont couchées vers l’arrière. L’arbre du rotor est réalisé en fer forgé, il comporte sur son extrémité sortante une garniture d’étanchéité (cas uniquement du compresseur centrifuge type ouvert) et des paliers lisses.

Les organes à graisser sont les paliers, la butée et éventuellement le multiplicateur et la garniture d’étanchéité. Le dispositif de graissage se compose d’une pompe à engrenages ou à palettes, d’un réchauffeur électrique et d’un échangeur refroidisseur huile/eau. Il comporte aussi un dispositif de compensation de la poussée axiale.

Les variations de puissance s’obtiennent par réglage des vantelles à l’ouïe d’aspiration de la turbine. À faible charge, ils sont cependant plus délicats que les compresseurs à pistons. En effet, par faible débit, un phénomène de pompage apparaît : le débit oscille entre un débit nul et débit maximal, l’écoulement devient pulsatoire et engendre des vibrations qui peuvent endommager le compresseur. Les frais de réparation sont élevés. Les constructeurs prévoient généralement une mesure de sauvegarde de l’appareil par injection de gaz chauds. Ce n’est certainement pas une technique énergétiquement intéressante puisque la puissance absorbée reste constante. On évitera donc le surdimensionnement des équipements.

Publié par : Energie-Plus 4 Déc, 2008

Dimensionner les pompes à chaleur les plus courantes

Les propos de cette page concernent surtout les installations domestiques …

L’objectif n’est pas ici de donner une méthodologie de dimensionnement, mais bien de mettre en évidence les points caractéristiques à prendre en compte lors de la conception.

Optimiser l’installation

Une évolution de la puissance en sens contraire de la demande

Prenons le cas d’une pompe dont la source froide est l’air extérieur. On constate que malheureusement, l’évolution de la puissance fournie par la PAC se fait en sens contraire de la puissance appelée par le bâtiment.

Dimensionner une PAC capable de fournir la chaleur nécessaire par – 10 °C extérieurs générerait une puissance beaucoup trop élevée en mi-saison. Elle serait coûteuse à l’investissement et fonctionnerait alors durant de courtes périodes, avec une performance réduite.

Mais choisir une petite pompe à chaleur suppose un appoint de chaleur fort important, ce qui n’est pas plus performant, surtout si l’appoint est électrique.

Il faut donc évaluer la situation au cas par cas et optimiser le système.

Température de dimensionnement, de bivalence et limite

Le diagramme représente, dans la partie supérieure, les courbes relatives au circuit de chauffage, et, dans la partie inférieure, les besoins calorifiques et la puissance de chauffage de la PAC, le tout en fonction des températures extérieures.

Trois paliers importants sont définis en fonction des températures extérieures :

La température de dimensionnement (ou de base) : le système de chauffage est dimensionné en fonction de cette température.

La température de bivalence : en cas de fonctionnement bivalent, c’est au-dessous de cette température que la chaudière est utilisée.

La limite du chauffage : au-dessous de cette température, un système de chauffage est nécessaire.

Dans le diagramme supérieur, on voit que la PAC tente de donner un ΔT° à l’eau de retour mais que en dessous de la température de bivalence, elle n’arrive plus à assurer le niveau de t° de départ souhaité.

Le diagramme inférieur présente 2 fonctionnements bivalent-parallèles dont les sources de chaleur sont fondamentalement différentes :

Puissance chauffage PAC à peu près constante : la température de sortie du condenseur évolue parallèlement à la température de retour du chauffage (source de chaleur : par exemple nappe phréatique).

Puissance chauffage PAC fortement variable : la différence de température dans le condenseur augmente si la température extérieure croît (source de chaleur : par exemple air extérieur).

Dimensionnement de la pompe à chaleur Air/Eau

La première chose à faire est d’estimer les besoins calorifiques du bâtiment Q selon les normes en vigueur. Comme estimation rapide, on peut multiplier la surface chauffée (en tertiaire) par les besoins calorifiques suivants :

bâtiment neuf, isolation au niveau passif : 10 W/m²
bâtiment neuf, isolation de très bonne qualité : 40 W/m²
bâtiment neuf, isolation de bonne qualité : 50 W/m²
bâtiment présentant une isolation normale : 80 W/m²
bâtiment ancien sans isolation spéciale : 120 W/m²

Les études techniques et économiques montrent que la pompe à chaleur bivalente financièrement optimale doit être dimensionnée à 70 – 80 % des besoins d’énergie calorifique maximaux.

La PAC fournit la totalité des besoins calorifique jusqu’à la température d’équilibre (température de bivalence) en dessous de laquelle l’installation fonctionne en mode bivalent (la pompe à chaleur augmente la température de retour du chauffage et le second générateur de chaleur assure le complément). Cette température d’équilibre peut être déterminée sur base des graphiques de performance des appareils fournis par les constructeurs.

Reprenons l’exemple d’un constructeur allemand :

Les besoins calorifiques sont de 9 kW par – 14 °C (remarque : en Belgique, on dimensionne généralement pour – 10 °) et la limite de chauffage est fixée à 15 °C. Le graphique de performance indique une puissance de 5 kW pour la pompe à chaleur à – 14 °C. Pour la PAC choisie, le point d’équilibre se trouve à – 4,5 °C et indique une puissance à installer de 6,1 kW.

La puissance du chauffage d’appoint se mesure par la différence entre la puissance calorifique à fournir et la puissance de la PAC à la température de dimensionnement. Ici, elle est de 9 – 5 = 4 kW.

En mode monovalent, la pompe à chaleur est le seul générateur de chaleur à couvrir les besoins du bâtiment. Il faudra donc, le cas échéant, prendre en compte les besoins en eau chaude sanitaire.

Pour les pompes à chaleur avec appoint, ce supplément ne sera pris en compte que si la somme de puissance de chauffage supplémentaire demandée par l’ECS dépasse de 20 % les besoins calorifiques calculés selon la norme. Dans le cas contraire, on comptera sur l’appoint pour fournir le surplus de puissance.

Dimensionnement de la pompe chaleur Eau/Eau

Comme pour la pompe à chaleur Air/Eau, les fournisseurs proposent des graphiques des performances en fonction de la température de la source froide. Il suffit, une fois la température de la source froide évaluée (par exemple une nappe phréatique à 10 °C), de choisir l’installation qui, pour cette température, peut fournir la puissance calorifique demandée par l’utilisateur.

Le débit d’eau nécessaire est fonction de la puissance pompée dans l’évaporateur. Un débit suffisant assurera la constance de la température de la source froide et des performances de la PAC. Une approximation du débit minimal nécessaire peut-être de 150 l/h par kW absorbé pour un refroidissement de 4 à 5 °C dans l’évaporateur. Le débit précis sera déterminé par les formules suivantes :

Q_f = V x c_v x (t_ESF – t_SSF)

La puissance frigorifique à l’évaporateur Q_f est la puissance de chauffage de la pompe à chaleur Q_PAC moins l’énergie électrique motrice P_PAC.

Q_f = Q_PAC – P_PAC

où,

Q_PAC = Puissance de chauffage [kW]
Q_f = Puissance frigorifique [kW]
V = Débit volumique [m³/h]
t_ESF= Température d’entrée de la source froide [K]
t_SSF= Température de sortie de la source froide [K]
c_v= Capacité calorifique ou chaleur spécifique [kWh/m³.K]
P_PAC= Puissance électrique absorbée [kW]

Exemple
Pour un débit d’eau de 2,5 m³/h et un refroidissement de 4 K, une puissance de 11,6 kW est absorbée à l’évaporateur (c’est-à-dire la puissance frigorifique).

Q_f = 2,5 [m³/h] x 1,163 [kWh/m³.K] x 4 [K]

Pour les pompes à chaleur alimentées par des eaux de surface, on limite le refroidissement dans l’évaporateur à 2 °C. Il faudra donc s’assurer un débit double pour pomper la même quantité de chaleur. On peut donc prendre comme évaluation le chiffre de 300 l/h par kW.

Lorsque la vitesse d’écoulement est insuffisante pour assurer le débit demandé, il faudra augmenter la taille de l’échangeur de chaleur en compensation.

V = v x A

Où :

V = Débit volumique [m³/h]
v = vitesse d’écoulement [m/s]
A = surface d’échange [m²]

Le calcul du débit d’air dans un évaporateur de PAC Air/Air ou Air/Eau se fait exactement de la même façon.

Publié par : Energie-Plus 2 Déc, 2008

Choisir le mode de fonctionnement d’une pac

Choix du mode de fonctionnement

Avant de se lancer dans le choix d’une pompe à chaleur, il faut déterminer son mode de fonctionnement : la PAC sera-t-elle utilisée seule (fonctionnement monovalent) ou conjointement avec une chaudière (fonctionnement bivalent) ou avec un appoint électrique ?

Monovalent

Dans ce cas, la PAC fonctionne seule et couvre tous les besoins en chauffage. Cette solution n’est évidemment envisageable que si la source de chaleur est suffisante pour la demande en chauffage du bâtiment. En pratique on choisira cette solution uniquement pour de nouvelles constructions bien isolées munies d’un système de chauffage basse température.

En fonctionnement monovalent, la PAC est dimensionnée pour couvrir la totalité des besoins de chaleur. Elle est donc trop puissante pendant une bonne partie de la saison de chauffe, tandis qu’elle n’est correctement dimensionnée que pour une température extérieure donnée.

Malgré cela, au vu des frais d’investissement plus élevés en installation bivalente (2 systèmes de chauffage pour le même bâtiment), on préférera en général les PAC monovalentes lorsque c’est possible, ou bien la solution « avec résistance d’appoint » (voir ci-dessous). En effet, la nécessité d’investir dans une chaudière traditionnelle en plus de la PAC n’est pas compensée par la diminution du coût de la PAC, diminution proportionnelle à la puissance moindre installée.

Avec résistance d’appoint électrique

Une installation avec appoint électrique constitue un compromis entre les fonctionnements monovalent et bivalent. Elle nécessite un faible investissement, mais contribue à la surcharge du réseau. Elle est aussi moins rationnelle au niveau écologique à cause de l’importante consommation de l’appoint électrique qui provoque un abaissement du COP annuel. Un enclenchement manuel est d’ailleurs conseillé pour éviter une durée de fonctionnement trop importante. Les appoints électriques permettent de préserver le confort lors des dégivrages ou des périodes de gel, lorsque la PAC (qui a été dimensionnée au plus juste pour limiter l’investissement) éprouve des difficultés.

Diagramme puissance/température :
La performance d’une pompe à chaleur est représentée, dans les catalogues des fabricants, par un diagramme température/puissance. Combien de puissance aura-t-on besoin pour l’appoint électrique ?

La figure montre les courbes de performance d’une pompe à chaleur air/eau pour 3 températures de condensation différentes.

La droite grise, qui représente les besoins calorifiques, est déterminée à partir de la température de dimensionnement (-10 °C) et de la température de limite de chauffage (15 °C).
Pour la température de limite de chauffage, les besoins calorifiques sont nuls. Mais à combien s’élèvent-t-ils pour la température de dimensionnement ? Cela dépend du type de bâtiment, de son isolation, de son orientation, etc. Ici ils sont de 7,8 kW.

Le point d’équilibre est déterminé par l’intersection entre la droite représentant les besoins calorifiques et la courbe de fonctionnement de la pompe à chaleur (donnée dans les catalogues des fabricants). En règle générale, le point d’équilibre se situe entre 0 °C et -5 °C.

La puissance de la pompe à chaleur est déterminée pour couvrir 100 % des besoins au point d’équilibre. Dans l’exemple, la puissance à prévoir est de 6,2 kW.

La puissance de l’appoint est déterminée par la différence entre les besoins calorifiques à la température de dimensionnement (-10 °C) et la puissance fournie par la PAC à cette température. Dans l’exemple, la puissance de l’appoint est de 7,8 – 5,6 = 2,2 kW.

Dans le secteur tertiaire, les apports internes compensent les pertes de puissance dues aux dégivrages, d’autant plus facilement que les dimensionnements de PAC réversibles sont souvent basés sur des puissances en froid, ce qui surdimensionne la puissance de chauffe. Les résistances d’appoint ne s’y justifient donc pas.

Bivalent

Lorsque la puissance à fournir est trop importante par rapport à une source froide limitée ou lorsque la température d’entrée dans le réseau de distribution doit être supérieure à 50 °C, les systèmes bivalents sont inévitables pour assurer le confort de l’occupant. C’est souvent le choix qui est fait en rénovation, lorsque les réseaux d’émissions ne sont pas modernisés et ne peuvent fonctionner qu’à haute température.

Le fonctionnement bivalent alternatif a l’avantage de la simplicité de compréhension et de régulation. La PAC est mise en marche lorsque la chaudière est à l’arrêt et inversement.

Le fonctionnement parallèle par contre profite mieux de la pompe à chaleur puisqu’elle fonctionne toute la saison de chauffe. Ce deuxième mode permet donc une plus grande économie en frais de fonctionnement (même si, en période de grand froid, le COP de la PAC chute beaucoup) et un meilleur bilan écologique (avec un point de bivalence à 50 % de la puissance de chauffage, la PAC utilisée en bivalent-parallèle assure tout de même 80 % du besoin de chaleur).

Avec ou sans accumulateur tampon ? De chaleur

Toute installation compte au moins un accumulateur tampon qui permet d’augmenter la quantité d’eau présente dans le circuit, ceci afin d’éviter l’enclenchement trop fréquent des producteurs de chaleur (courts cycles).

On reproche parfois à l’accumulateur tampon pour les petites installations d’être trop coûteux, trop volumineux, d’entraîner des pertes de chaleur. Mais rares sont les cas où son installation n’est pas justifiée. On ne peut y renoncer que si les conditions suivantes sont remplies :

puissance à peu près constante de la source de chaleur (max 5 K de variation de température);
volume d’eau de chauffage supérieur à 15 litres/kW;
grande capacité d’accumulation du système de distribution de chaleur (par exemple inertie de chauffage par le sol);
pas ou peu de vannes thermostatiques;
installation bien équilibrée.

Un accumulateur de chaleur est lui plus volumineux qu’un accumulateur tampon. Il sert couvrir les heures d’interruption de fourniture électrique. Il peut aussi compenser des variations temporaires de la source froide et permettre une plus grande utilisation du courant bas tarif. De plus, un accumulateur de chaleur permet de combiner plus facilement différents producteurs de chaleur, comme par exemple des capteurs solaires.

Choix de la régulation

Adaptation de la puissance

Pour de petites pompes à chaleur, la régulation de puissance a lieu par mise en ou hors service. Pour les plus grandes puissances, obtenues par combinaison de plusieurs unités de petites pompes à chaleur, la régulation a lieu par enclenchement-déclenchement de chaque unité. Si la puissance est obtenue par un compresseur à plusieurs cylindres, l’adaptation à la puissance demandée est effectuée par branchement et débranchement des différents cylindres. La combinaison de plusieurs modules est également une bonne solution, par exemple pour un quartier de villas, si on ne sait pas au départ combien de maisons seront raccordées au système de chauffage par pompe à chaleur.

De nouveaux concepts de régulation font usage de la possibilité de faire varier la vitesse de rotation du compresseur. De cette façon, il est possible d’adapter en tout temps la puissance au besoin momentané. De tels systèmes sont actuellement disponibles, également dans le domaine des fortes puissances. On ne saurait trop les recommander pour conserver une performance correcte tout au long de la saison.

Pour les installations travaillant par enclenchement-déclenchement, il faut éviter des démarrages trop fréquents, afin que le réseau électrique public ne soit pas surchargé et que la PAC ne subisse pas de dommages. Rappelons que ceci est réalisé au moyen d’un accumulateur technique (accumulateur tampon), auquel on ne peut renoncer que dans des cas exceptionnels.

Paramètres de régulation

Les régulateurs commandent la pompe à chaleur en fonction de la courbe de chauffe, après avoir obtenu les données du thermostat d’ambiance et la température de retour. Le thermostat est éventuellement doté de consignes « température de confort » et « température de nuit » réglables. Différentes commandes de fonctionnement sont possibles et s’organisent avec un ordre de priorité précis. Le dégivrage a toujours la priorité et s’effectue automatiquement si les sondes extérieures en indiquent le besoin. Viennent ensuite les alimentations de chauffage et d’ECS. La préparation de l’ECS peut être par exemple considérée comme un mode « été » alors qu’en hiver l’essentiel de la puissance de la pompe servirait au chauffage du bâtiment. Les équipements tels les piscines sont toujours derniers en priorité, à moins bien sûr que la pompe à chaleur ne leur soit spécifiquement destinée (piscines publiques,.)

La régulation de la température de sortie du condenseur est essentiellement liée au mode de chargement de l’accumulateur (étagé ou par stratification).

Adaptation des paramètres en fonctionnement

De nombreuses recherches menées en Suisse durant les premières années de fonctionnement ont montré que beaucoup d’installations ne travaillent pas du tout comme le concepteur du projet le souhaite, cette remarque est également valable pour des installations conventionnelles. Un contrôle des résultats pendant les premières années d’utilisation est donc conseillé pour s’assurer d’un bon fonctionnement de l’installation.

Stabilité du réglage

Les systèmes que l’on trouve pour la technique du bâtiment sont en général assez lents, ce qui permet une régulation stable et fiable. Certains circuits comprennent toutefois des parties où la vitesse de régulation est critique. C’est le cas de la température de départ du condenseur. Pour assurer une régulation rapide, diverses recommandations sont utiles : placer la vanne de régulation le plus près possible de la PAC pour réduire le temps mort, choisir une vanne de régulation à fermeture rapide, optimiser les paramètres de régulation de la vanne, utiliser des thermomètres de régulation à faible inertie.

Choix du chargement

Il existe deux méthodes de chargement de l’accumulateur de chaleur associé à la pompe à chaleur : le chargement étagé et à stratification.

Le chargement étagé est meilleur marché (pas de régulation de la charge) et entraîne un coefficient de performance annuel plutôt meilleur que le chargement par stratification puisque la PAC peut fonctionner avec une température de sortie du condenseur plus basse. Toutefois, ce système a différents désavantages :

Illustration du principe de chargement par étage.

Consommation électrique supplémentaire de la pompe du condenseur pour augmenter le débit et diminuer la température de départ.
Variations de la température de départ du chauffage difficiles à évaluer.
Température finale de l’accumulateur imprécise.
N’utilise pas pleinement les capacités de l’accumulateur.
Manque de capacité au premier passage.

Cette dernière difficulté pourrait être évitée si la différence de température dans le condenseur est suffisamment importante. De cette façon pourtant, la charge étagée est un non-sens, car dans le meilleur des cas, il ne se produirait qu’environ deux passages étagés à la limite du chauffage. Une charge étagée ne peut être recommandée que dans les situations suivantes :

Petite installation (surtout à cause de l’avantage du prix).
Un seul groupe de chauffage.
Pour accumulateur technique seulement.

À l’opposé, le chargement par stratification, malgré son COP plus faible et son coût plus élevé, permet :

Une maîtrise exacte de la température de l’accumulateur.
Une température constante de départ garantie.
Une puissance de la pompe du condenseur plus faible.
Une utilisation maximale de la capacité de l’accumulateur.

Illustration du chargement par accumulation.

Type de chargement de l’accumulateur

Le chargement étagé de l’accumulateur et, dans certains cas, le chargement par stratification en fonction des conditions météorologiques produisent un meilleur coefficient de performance annuel qu’un chargement par stratification avec consigne constante, car on peut sortir du condenseur avec des températures plus basses. Ce système ne fonctionne toutefois que si l’installation est réglée sur une petite différence de température dans le condenseur. En règle générale cela implique de doubler le débit, ce qui multiplie par 4 la perte de pression sur le condenseur. Ceci doit absolument être pris en considération.

L’influence sur le COP annuel est complexe, car il faut tenir compte non seulement de la température de sortie du condenseur, mais aussi de la consommation d’énergie auxiliaire et de la petite différence de température dans le condenseur lors du chargement étagé. La différence de COP entre une température de sortie du condenseur adaptée ou constante se situe à moins de 10 %.

Encore une fois, reprenons les installations décrites plus haut et supposons qu’au lieu de fonctionner 2 500 h à 47 °C, d’où ε = 3,4, on procède ainsi :

500 h à 45°C, d’où ε = 3,5

1 000 h à 42°C, d’où ε = 3,75

1 000 h à 39°C d’où ε = 4

Le coefficient de performance instantané moyen pondéré SPF s’améliore en passant de 3,4 à 3,8. Le coefficient de performance annuel (COPA) devrait suivre cette tendance et passer de 3 à 3,4. Mais en doublant le débit, la perte de pression dans le condenseur est quatre fois plus forte. Il en résulte pour la petite installation :

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 1,8 m³/h) – (25 kPa x 0,9 m³/h) / (3 600 x 0,10) = 0,438 kW
W = 2500 h x 0,438 kW = 1 095 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (25 000 / 3,4) + 1 095 kWh = 2,96

et pour la grande installation :

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 12 m³/h) – (25 kPa x 9 m³/h) / (3 600 x 0,25) = 1 750 kW
W = 2 500 h x 1 750 kW = 4 375 kW

COPA_grand= 250 000 kWh / (250 000 / 3,4) + 4 375 kWh = 3,21

Choix de la technique de dégivrage

Modes de dégivrage

On utilise deux modes de dégivrage :

Le système « by-pass » de dégivrage par gaz chaud, par lequel une partie des gaz échauffés à la sortie du compresseur est dirigée vers l’évaporateur. Ce système exige une différence de pression minimale assurée par le compresseur.
L’ inversion de la direction du circuit par une vanne à quatre voies. L’évaporateur devient alors condenseur et le givre est rapidement éliminé au prix d’un plus grand besoin de chaleur momentané.

Illustration du principe de dégivrage par inversion.

Lors du montage de l’évaporateur, il est indispensable de s’assurer que le fonctionnement du dégivrage n’est pas perturbé par un apport d’air froid dû à la circulation naturelle de l’air.

Le dégivrage des pompes Air/Air et Air/Eau

Les pertes provoquées par le dégivrage de l’évaporateur sont difficiles à évaluer avec précision, car elles sont variables en fonction de la programmation des paramètres de dégivrage. L’énergie dépensée pour la fonte du givre (EFG) est généralement fournie par la pompe à chaleur qui, pour l’occasion, fonctionne en sens inverse. Elle vaut environ l’énergie utile de fonte du givre EFGu (énergie pour élever la température du givre à 0 °C + chaleur latente de fusion du givre + énergie pour élever la température de l’eau de 0 °C à 10 °C pour éviter un regel immédiat) divisée par un rendement de 50 %. Cette énergie sera prélevée dans le bâtiment et devra en suite lui être restituée lorsque la pompe se remettra en mode chauffage. Pour des machines bien réglées avec des détections du givre optimales, la perte de COP peut valoir jusqu’à 10 % par temps froid.

Le graphique ci-contre, issu d’une fiche technique de constructeur, illustre l’influence du dégivrage sur la puissance calorifique et le COP d’une pompe à chaleur Air/Eau. On voit clairement la perte de COP survenant entre 3 et 10 °C. L’air extérieur est chargé d’eau et le fluide frigorigène est à une température inférieure à zéro degré. La glace qui se forme « colle » à l’évaporateur.

Par contre, lorsqu’il fait très froid, l’air extérieur est plus sec et le givre apparaît alors davantage sous forme de cristaux qui n’adhèrent plus sur la paroi de l’évaporateur.

Choix de la technique de dégivrage

Sur le plan énergétique, le dégivrage par inversion du cycle est plus avantageux que le chauffage par injection de gaz chauds. Mais quelle que soit la méthode choisie, c’est surtout la durée du dégivrage qui sera le facteur important pour l’évolution du COP. Le critère d’enclenchement et de déclenchement doit être choisi avec soin.

Le choix du paramètre qui décrit la couche de givre dans l’évaporateur peut être multiple. En utilisation industrielle, il faut choisir un paramètre robuste et assez sensible. Plusieurs choix pour le lancement du dégivrage peuvent être faits :

Perte de charge dans l’évaporateur : la mesure de cette grandeur peut provoquer des dérives lorsqu’il y a risque de « bouchonnement » par des impuretés (feuilles, animaux,.) ou par des variations de pression causées par les vents externes.
Température de surface des ailettes : la différence entre la température de surface des ailettes et la température de l’air indique bien si une couche de givre (= isolation thermique) s’est formée. Comme le développement de givre n’est pas uniforme sur la surface de l’évaporateur, il faut bien vérifier l’emplacement du capteur de température.
Pincement dans l’évaporateur : la couche de givre provoque un blocage du transfert de chaleur qui se traduit par une diminution de l’efficacité de l’échangeur. Par conséquent, il y a une augmentation de l’écart de température minimal entre la température d’évaporation du frigorigène et la température de l’air en sortie d’évaporateur, écart appelé « pincement ». Pour détecter ce pincement, il faudra en général une prise de température de l’air sortant ainsi que le calcul de la température de saturation correspondante à la pression de vaporisation.

De même pour le paramètre d’arrêt, définissant la durée de dégivrage, plusieurs mesures peuvent être considérées :

La température du réfrigérant à la sortie de l’évaporateur : pendant le dégivrage de la batterie par inversion de cycle, un film d’eau ruisselle sur l’échangeur en refroidissant le fluide frigorigène. Une fois le dégivrage achevé, une grande partie de l’évaporateur est libérée et le transfert de chaleur diminue, ce qui provoque une réaugmentation de la température de sortie du fluide frigorigène.
Température de la surface des ailettes : cette mesure indique directement si l’échangeur est libéré de la couche de givre. Il est cependant difficile de bien placer la sonde pour avoir une bonne représentativité globale de l’échangeur.
Optimisation globale par microprocesseur : en combinaison avec les critères étalonnés en usine, le calcul du bilan énergétique par cycle de chauffage permet d’optimiser les grandeurs limites imposées sur site et en cours de fonctionnement.

Ces critères, ainsi que le critère plus « archaïque » qu’est l’horloge, devront être étalonnés soigneusement et vérifiés.

Une fois le cycle de dégivrage achevé, l’enclenchement du ventilateur à plein régime sans mettre en route le compresseur permet de sécher l’évaporateur. À défaut, les gouttelettes restantes seront rapidement gelées.

Choix de l’emplacement de la pompe à chaleur

De façon générale, l’unité principale d’une pompe à chaleur se trouve à l’intérieur du bâtiment à chauffer.

Une PAC à l’intérieur du bâtiment

D’un point de vue acoustique, si l’unité principale d’une pompe à chaleur se trouve à l’intérieur du bâtiment, elle doit être placée dans un local suffisamment éloigné des pièces calmes. On la pose sur des plots antivibratiles (dans le cas où la PAC est bruyante), eux-mêmes placés sur une plateforme stable en béton ou en fer. Les parois du local peuvent également être construites dans des matériaux spéciaux qui atténuent la réverbération des sons.

L’installation d’une PAC doit évidemment répondre aux spécifications du constructeur.

L’air …
Si la PAC véhicule de l’air dans des conduites, l’air doit avoir une vitesse de maximum 4 m/s (circuits principaux). Dans les conduits secondaires, l’air doit avoir une vitesse de maximum 3 m/s. Ces conduits doivent être construits dans des matériaux absorbants et les grilles de prise et de rejet d’air doivent être équipées de grillage antivolatiles.

L’eau …
Si la PAC est à eau, les conduites seront fixées aux parois avec des supports de façon à éviter la transmission des vibrations au bâtiment. Il faudra utiliser des flexibles pour toutes les liaisons à la PAC.

Une PAC à l’extérieur du bâtiment

Il n’existe pas de distance minimale entre une unité extérieure de PAC et le voisinage. Attention par contre à la gêne que peut occasionner une PAC bruyante et aux litiges qui peuvent en découler. Le meilleur choix d’une PAC extérieure est celui d’une très peu bruyante. Si c’est nécessaire, penser aux écrans acoustiques tels que des parois ou bien des arbres à feuilles permanentes.

Publié par : Energie-Plus 2 Déc, 2008

Choisir la source de chaleur [PAC]

Évaporateur à air d’une PAC domestique.

Introduction sur les sources froides

Les pompes à chaleur sont désignées en fonction du fluide dans lequel baignent les échangeurs de la PAC : d’abord côté évaporateur, ensuite côté condenseur. Pour comprendre ce qu’est une pompe chaleur ainsi que son principe de fonctionnement, cliquez ici !

Le tableau donne les types de PAC qui existent en fonction des combinaisons fluides côté source froide/côté source chaude.

Désignation	Évaporateur	Condenseur
PAC air extérieur / air	air extérieur	air
PAC air extérieur / eau	air extérieur	eau
PAC air extrait / air	air extrait	air
PAC air extrait / eau	air extrait	eau
PAC eau / air	eau souterraine ou de surface	air
PAC eau / eau	eau souterraine ou de surface	eau
PAC eau glycolée / eau	tuyaux d’eau glycolée dans le sol	eau
PAC sol / eau ou « fluide /eau »	évaporation directe dans sol	eau
PAC sol / sol ou « fluide /fluide »	évaporation directe dans sol	condensation directe dans sol

Dans le cas du chauffage de locaux, la source froide sera la source – qui n’est pas toujours inépuisable ! – où l’on captera la chaleur. Elle provient souvent du milieu extérieur du bâtiment à chauffer et est donc soumise à des variations de température en fonction des conditions climatiques.

Les sources de chaleur utilisables sont les suivantes :

l’air extérieur qui est simplement l’air atmosphérique ;
l’air extrait qui résulte des rejets thermiques gazeux ou de l’air venant de l’intérieur d’un bâtiment ;
l’eau, qui est soit de l’eau de surface, comme un étang ou un cours d’eau, soit de l’eau de nappe phréatique en sous-sol ;
le sol (très profond, profond, ou de surface) qui amène deux technologies distinctes, d’où deux appellations différentes pour la même source froide :
- eau glycolée : mélange eau-glycol qui circule dans le circuit fermé entre le sol et l’évaporateur. C’est soit, de la géothermie de surface, soit verticale de profondeur.
- fluide ou sol : on a affaire à une pompe à chaleur à détente directe (soit seulement du côté évaporateur, ou bien des deux côtés – évaporateur et condenseur), ce qui signifie qu’il n’y a pas de fluide intermédiaire entre le sol et le fluide frigorigène comme dans le cas à eau glycolée. Le fluide frigorigène circule directement dans des conduites placées dans le sol (qui joue donc le rôle d’évaporateur). On peut également appeler plus simplement cette source de chaleur sol.

Lors de la mise en marche d’un projet de pompe à chaleur, la tâche la plus ardue consiste à aligner les propriétés des pompes à chaleur avec des données telles que le débit et la température de la source de chaleur. Il faut que la quantité de chaleur disponible puisse supporter un prélèvement continu. Un mauvais dimensionnement par rapport au potentiel thermique de la source de chaleur peut avoir des retombées sur la puissance de l’exploitation et son rendement thermique.

Pour pouvoir comparer les COP des pompes à chaleur…

Le COP d’une pompe à chaleur, c’est le rapport entre la chaleur fournie par le condenseur et l’électricité consommée pour la produire (auxiliaires compris). Plus le COP est élevé, plus la pompe à chaleur est performante. Il est influencé par les températures des sources, leur différence et leur stabilité.

Afin de pouvoir comparer les coefficients de performance de différentes pompes à chaleur d’un même type, il faut bien évidemment que leurs températures à l’évaporateur soient identiques, et de même au condenseur. Dans les fiches techniques, on trouvera donc souvent une des dénominations abrégées suivantes selon le type de pompe à chaleur :

PAC air/eau : A2/W35 (« W » = water !). La source froide est de l’air à 2 °C (T°C à l’entrée de l’évaporateur) et la source chaude est une eau à 35°C (T°C à la sortie du condenseur).
PAC eau/eau : W10/W35. La source froide est de l’eau à 10 °C et la source chaude est de l’eau à 35 °C.
PAC eau glycolée/eau : B0/W35 ou S0/W35 (« B » = eau glycolée – brine en anglais – et « S » = « sol » pour les références de produits en français). La source froide est le sol dans lequel circule de l’eau glycolée à 0 °C et la source chaude est de l’eau à 35 °C.
PAC sol/eau : S0/W35.

Classement des sources en fonction de leur efficacité

D’une manière générale, il faut utiliser en priorité les sources froides dont la température est la plus constante et élevée. Le coefficient de performance théorique des sources d’une pompe à chaleur dépend en effet de la différence entre la température de la source froide et la température de la source chaude :

ε _ths = T₂ / (T₂ – T₁)

où,

T₁ est la température absolue (température en °C + 273,15°C) de la source froide et T₂ la température absolue de la source « chaude ».

Pour obtenir un coefficient de performance acceptable, il faut donc que la différence T₂-T₁ soit faible. Autrement dit, la température de la source froide doit être la plus élevée possible (et, si possible, le niveau de température de la source chaude doit être bas).

Le classement des sources froides en fonction de ces deux critères (température élevée et constante), de la source la plus efficace à la moins efficace, se dresse comme suit :

les rejets thermiques (air vicié et eaux usées),
l’eau des nappes phréatiques,
l’eau de surface,
le sous-sol,
le sous-sol proche de la surface,
l’air extérieur.

Les rejets thermiques

Dans la plupart des cas, les rejets thermiques d’un bâtiment et son besoin de chaleur ne concordent pas. Une analyse exacte s’avère donc indispensable. Il s’agit de savoir si le problème peut être résolu par adjonction d’un accumulateur de chaleur (côté froid et/ou côté chaud). Une exploitation rationnelle de l’accumulateur permet une utilisation optimale lorsque les besoins thermiques sont moyens; elle permet également de limiter les pointes de puissance (avantage financier).

Il est aussi impératif de connaître la réglementation locale en terme de rejet.
Les eaux usées

pour des raisons de pollution, elles ne sont souvent qu’indirectement utilisables (attention au choix du matériel, prévoir un système automatique de nettoyage),
les quantités offertes sont souvent trop insignifiantes pour permettre une utilisation rentable,
l’utilisation du réseau public des eaux usées est soumise à autorisation.

L’air vicié est une source de chaleur très souvent employée dans les installations d’utilisation de rejets thermiques, et ceci, sans pompe à chaleur. Pour une utilisation indirecte avec pompe à chaleur, l’air pollué se révèle intéressant, surtout pour le chauffage de l’eau. Il peut cependant être corrosif (agriculture, industrie).

L’eau souterraine des nappes phréatiques

Source : ef4.

L’eau des nappes phréatiques représente une source de chaleur intéressante, utilisée dans les pompes à chaleur « eau/eau ». L’eau de la nappe est remontée à la surface à l’aide de pompes de circulation et échange son énergie avec le fluide frigorigène à l’intérieur de l’évaporateur.

Quelle nappe ?

Certaines cartes des nappes phréatiques en Wallonie sont disponibles sur le site de la Région Wallonne.

L’appellation « nappe phréatique » désigne toutes les eaux se trouvant dans le sous-sol. On entend donc par ce terme la partie saturée du sol, c’est-à-dire celle où les interstices entre les grains solides sont entièrement remplis d’eau, ce qui permet à celle-ci de s’écouler.

L’hydrogéologie distingue 2 types de nappes : les nappes aquifères à porosité d’interstices et les nappes aquifères fracturées.

Dans les nappes aquifères à porosité d’interstices, qui sont les nappes les plus fréquentes et les plus exploitées, l’eau circule dans les porosités de la roche constituée par des graviers, sables ou alluvions. Dans les nappes aquifères fracturées, la roche est imperméable et l’eau circule dans les fractures ou fissures de roches telles que le granit, le calcaire, la craie.

Le risque de réaliser des forages infructueux est plus élevé dans les nappes aquifères fissurées ou fracturées, et il dépend essentiellement de la connaissance locale de la fracturation. Dans les nappes aquifères à porosité d’interstices, le débit de la nappe est proportionnel à la perméabilité de la roche (taille des grains), à la pente et à la section de la nappe aquifère à cet endroit.

Un système de captage dans une nappe aquifère comprend deux parties :

La partie supérieure, la chambre de pompage, est un tubage en acier qui traverse les couches de sol où il n’y a pas de captage. Une cimentation permet d’éviter le mélange entre une éventuelle nappe supérieure polluée et la nappe de pompage. Elle évite également l’éboulement du trou. S’y trouvent les pompes à vitesse variable chargées d’évacuer et de ramener de l’eau à partir de ou vers la nappe concernée.
La partie inférieure, la chambre de captage, contient un massif de gravier filtrant (pour éviter l’encrassement par les matières fines), une crépine (tube en acier inoxydable inséré dans le fond du forage, comportant des ouvertures calibrées selon la granulométrie du sable), un tube de décantation et un capot qui ferme le puits.

Niveau de l’eau dans le puits.
Tubage acier.
Pompes à vitesse variable.
Crépine.
Massif filtrant.
Tube de décantation et capot.

Quelle température ?

La température de l’eau phréatique (sans infiltration des eaux de surface) varie autour de la valeur de la température moyenne de l’air extérieur, si la PAC a une puissance de moins de 30 kW et si on considère les eaux souterraines en dessous de 10 mètres de profondeur. La température moyenne annuelle de l’air extérieur étant égale à 8,5 °C, la température phréatique vaudra une valeur entre 8,5 et 10 °C. Mais contrairement à l’air extérieur, l’eau souterraine a cette température approximative toute l’année.

Plus la profondeur est importante, moins la température de l’air exerce une influence sur la température de la nappe phréatique. L’écart saisonnier entre les valeurs maximales et minimales diminue avec la profondeur. La différence de température entre la température de départ et de retour est comprise entre 3 et 4 K pour les petits systèmes, ou plus pour les systèmes plus grands.

D’où provient l’énergie contenue dans le sol ?

Cette chaleur souterraine est due en majeure partie au rayonnement solaire. L’énergie géothermique provenant des profondeurs au sous-sol est à ce niveau de profondeur insignifiante. Les infiltrations des eaux de surface peuvent avoir une influence déterminante sur la température de la nappe phréatique, de même que des puits industriels.

Qualité physico-chimique de l’eau

Dans la plupart des cas, l’eau de nappe n’est pas agressive. Il est cependant vivement conseillé de pratiquer une analyse pour protéger le système de chauffage. Si le fabricant de la PAC (avec l’eau comme source froide) n’a pas indiqué de données pour la qualité de l’eau extraite, les valeurs suivantes doivent être respectées :

Composant et unité de mesure	Valeur
Matériau organique (possibilité de sédimentation)	aucune
pH	6,5 à 9
Conductivité thermique (µS/cm)	50 à 1 000
Chlorure (mg/l)	< 300
Fer et manganèse (mg/l)	< 1
Sulfate (mg/l)	0 à 150
Teneur en O₂ (mg/l)	< 2
Chlore (mg/l)	0 à 5
Nitrate (mg/l)	0 à 100

Source : Norme prEN 15450:2007.

Une pollution mécanique (sable) ne peut se produire que si l’installation de filtration de l’eau n’est pas effectuée dans les règles de l’art. Il faut aussi se méfier du colmatage provoqué par une eau trop calcaire ou riche en boues fines. Le puits doit être garanti par l’entreprise spécialisée. En pratique les valeurs indicatives pour le diamètre de la foreuse sont :

150 mm pour 50 à 150 l/min
300 mm pour 150 à 300 l/min
800 mm pour 600 à 1 200 l/min

Quel débit ?

Si aucune autre donnée n’est disponible, on considérera qu’il est nécessaire d’avoir un débit d’eau de 0,25 m³/h par kilowatt de puissance.

Rejet de l’eau

L’eau prélevée, après absorption de la chaleur, est parfois remise dans un cours d’eau de surface. Si, par contre, le réservoir d’eau souterraine est de faible capacité, ou si l’eau prélevée ne peut être remise en surface à cause de sa composition chimique, cette eau doit être réinjectée au moyen d’un second forage (forage de réinjection) dans la couche de prélèvement. Ce second forage doit être en aval et suffisamment éloigné du premier pour ne pas créer d’interférence thermique.

Il est néanmoins très rare de faire appel à cette deuxième solution (réinjection de l’eau dans la nappe) en Wallonie car le rejet est considéré comme étant beaucoup trop dangereux pour le milieu récepteur. Si un élément polluant infectait les nappes phréatiques, il serait quasiment impossible de l’en faire sortir. La Région wallonne refuse donc presque systématiquement le rejet d’eau en nappe.

Avantages et inconvénients

Les eaux de la nappe phréatique représentent une source de chaleur idéale pour les raisons suivantes :

niveau de température idéal,
température relativement constante,
importance des gisements,
propreté,
peu de place au sol.

Les inconvénients de ce type de captage sont toutefois nombreux :

permis environnemental requis,
connaissances géohydrauliques approfondies requises,
eau de qualité n’est pas disponible partout à une profondeur adéquate,
analyse de l’eau de nappe requise,
coûts d’installation élevés (travaux de terrassement, construction d’un, deux ou plusieurs puits, analyse de l’eau, pompe à eau dans le puits),
énergie nécessaire pour pomper l’eau hors du puits,
système ouvert,
nécessité de garantir une séparation parfaite entre l’eau d’origine souterraine et le fluide réfrigérant, si l’eau est réinjectée dans la nappe phréatique via un puits de recharge,
recharge de la nappe rarement implémentable.

De plus, avant d’installer une pompe à chaleur sur nappe phréatique, l’utilisateur doit obtenir les informations relatives à la puissance du puits de captage et d’absorption.

En résumé

Une étude du sol préalable au forage est conseillée. On doit être certain que la température de l’eau ne sera jamais inférieure à 8 °C.
À proximité d’un cours d’eau ou d’un lac, tenir compte d’une possible infiltration.
Le captage et la restitution de l’eau doivent respecter les principes hydrologiques.
Une analyse de l’eau est vivement recommandée, de façon à vérifier que l’eau n’est pas agressive, polluée ou qu’elle ne transporte pas d’alluvions.
Des autorisations officielles sont nécessaires (elles ne sont accordées que si l’eau n’est pas utilisée ultérieurement comme eau potable).
Le débit d’eau doit être suffisant et compatible avec les besoins du bâtiment à chauffer.

L’eau de surface

Source : ef4.

Si l’on choisit ce type de source froide (qui doit bien évidemment se trouver à proximité du bâtiment à chauffer), il faut s’assurer que le débit d’eau disponible le sera toujours en quantité suffisante à l’avenir (donc attention aux débits variables des rivières et fleuves). Il faut également vérifier la qualité de l’eau et s’assurer que le prélèvement de chaleur n’a pas un impact néfaste sur le milieu.

L’investissement est raisonnable en comparaison aux pompes à chaleur géothermiques. Lors de la mise en œuvre d’une pompe à chaleur à captage de chaleur sur l’eau, il est recommandé de collaborer avec des installateurs qui ont une formation technique particulière, car la mise en œuvre est complexe. Il faudra entre autres calculer le débit d’eau nécessaire.

Une eau de surface mobile (rivière,…) ne gèlera jamais à cause de son mouvement. L’évaporateur doit être protégé des éboulis. S’il s’agit d’eau stagnante, cette solution n’est utilisable que sous certaines réserves, le principal inconvénient étant la diminution du coefficient de convection vu l’absence d’écoulement de l’eau. L’eau peut geler dans ce deuxième cas et ainsi diminuer les performances de la pompe à chaleur.

Deux choix de capteurs se présentent dans le cas de captage de chaleur sur source d’eau :

Capteurs statiques

L’évaporateur est alors complètement immergé dans le réservoir d’eau que représente la rivière, l’étang, … (ou dans un bac dans cette source d’eau). Une très grande quantité d’eau passe par l’échangeur et le Delta T° de refroidissement est proportionnellement très petit.

La température de l’eau de la source est plus constante qu’en surface ; le risque de gel s’en retrouve donc amoindri. Ceci constitue donc un gros avantage pour ce type de capteur. L’inconvénient principal réside dans l’encrassage de l’échangeur noyé par des plastiques, branchages,… De plus, avec un échangeur noyé, les procédures d’autorisation et l’entretien peuvent être coûteux et la réalisation est plutôt difficile.

Capteurs dynamiques

L’eau de la source froide est récoltée dans un puits filtrant puis pompée vers l’évaporateur.

La température varie beaucoup plus que pour le premier cas et peut être assez basse en hiver (2 à 4 °C), ce qui risque d’entraîner le gel de l’évaporateur et sa casse. L’évaporateur doit alors avoir une protection antigel. Par contre, ce système présente l’avantage de prélever de l’eau pratiquement propre grâce au puits filtrant. Il faut néanmoins souvent nettoyer le filtre en question.

Utilisation directe ou indirecte ?

Les importantes variations de température des eaux de surface ne permettent généralement pas une exploitation monovalente avec utilisation directe. On trouve donc davantage de cas d’utilisation indirecte : la source de chaleur transmet son énergie à un échangeur de chaleur lui-même relié à la PAC par un circuit intermédiaire. Ce dernier contient une solution antigel pour permettre à la température d’évaporation de descendre en dessous de 0 °C. Un circuit intermédiaire entraîne toutefois des températures plus basses et donc des coefficients de puissance moins élevés.

Paramètres de dimensionnement

Si l’on opte pour la solution de l’échangeur noyé, il est recommandé de tenir compte d’un écart de 5 à 6 °C entre la température de l’eau de la source et la température d’entrée du fluide caloporteur dans l’évaporateur. Pour dimensionner la surface de l’échangeur de chaleur, il est courant d’admettre un coefficient k de transmission thermique de 200 à 300 W/m²K (vitesse de courant supérieure à 0,5 m/s). Il est vivement conseillé de prévoir une marge de sécurité d’environ 25 % en cas d’encrassement de l’échangeur. D’autre part, l’écart entre les tubes de l’évaporateur doit être au minimum de 4 cm.

S’il s’agit d’eau stagnante, cette solution n’est utilisable que sous certaines réserves, le principal inconvénient étant la diminution du coefficient de convection vu l’absence d’écoulement de l’eau.

La géothermie très profonde

Des forages profonds permettent de récupérer la chaleur géothermique (due à des activités volcaniques) à des températures plus élevées (plus de 150 °C). Selon leur température les eaux puisées à ces profondeurs peuvent être utilisées directement ou élevées par une pompe à chaleur au niveau voulu.

Pour garantir une solution économiquement rentable, le COP annuel ne doit pas se situer en dessous de 4.

L’utilisation géothermique de la chaleur appartient au domaine des technologies lourdes, et ne sera pas davantage développée ici. En effet, à moins d’être dans une région spécifique (la région de St Ghislain près de Mons en est une, grâce à la présence de failles dans la roche qui permettent à l’eau chaude de remonter et d’être accessible à une profondeur raisonnable), de telles températures ne s’atteignent qu’avec des forages dont la profondeur se mesure en kilomètres.

La géothermie profonde

Source : ef4.

Si la surface du terrain avoisinant le bâtiment à chauffer est insuffisante pour placer des capteurs géothermiques horizontaux (voir plus loin), on peut alors penser aux sondes thermiques verticales.

L’avantage de ces sondes est de profiter, dès 10 mètres de profondeur, d’une source de chaleur à peu près constante sur l’année. La température du sol augmente de 1 °C tous les 33 mètres, soit 3 °C par 100 mètres. Cette ressource géothermique est dite de très basse température. Les forages de sondes géothermiques ont un diamètre de 16 à 18 cm et une profondeur de 30 à 150 mètres.

Pompe à chaleur à eau glycolée – géothermie verticale.

Il existe deux technologies pour récupérer la chaleur du sous-sol profond : soit des capteurs d’eau glycolée sont infiltrés dans le sol et l’énergie sera transmise au fluide frigorigène via un échangeur de chaleur, soit les capteurs sont dits « à détente directe ». Dans ce cas, il n’y a pas d’eau glycolée : le fluide frigorigène est en contact direct avec la chaleur du sol.

Comment calculer la profondeur du forage à effectuer ? Tout dépend de la « charge de chaleur » nécessaire dans le bâtiment, qui représente la quantité de chaleur nécessaire pour le chauffer de façon suffisante au cours de la saison de chauffe. La longueur de la sonde sera d’autant plus faible que le bâtiment à chauffer a des besoins calorifiques réduits.

Si le bâtiment est une nouvelle construction « standard » (besoins calorifiques = 45 W/m² environ) et que la surface à chauffer est de 150 m², on aura besoin de +- 7 kW de puissance de chauffage. Si le COP vaut 4, alors il faut extraire 5,25 kW du sol.

Pour obtenir la longueur approximative de la sonde, il suffit de diviser ce résultat par l’extraction thermique, qui vaut entre 50 et 55 W/m linéaire de sonde (c’est cette valeur moyenne que l’on choisit d’habitude pour l’extraction thermique).

La sonde devra ainsi avoir une longueur d’environ 100 mètres.

On doit donc compter approximativement 15 mètres de sonde par kW de chauffage.
Si la profondeur nécessaire du forage est trop grande, on peut la diminuer en plaçant 2 sondes d’une profondeur deux fois moins importante. Il faut veiller à ce qu’il y ait une distance de 5 à 6 mètres entre les différents forages, pour éviter de refroidir excessivement les zones autour des sondes.

En refroidissant, le sol crée une sorte d’entonnoir de froid qui dépend de la puissance spécifique des sondes (W/m). Des soutirages intensifs provoquent une baisse de la température de la sonde et l’entonnoir s’agrandit. Au plus, le soutirage de chaleur (par mètre de longueur de sonde) est faible, au plus grand sera le COP annuel. Durant les arrêts de fonctionnement, la zone de terrain entourant la sonde se régénère à nouveau. Ce phénomène est absolument nécessaire, car le faible flux thermique provenant du sous-sol ne suffit pas à maintenir les conditions de dimensionnement. La détermination correcte de la longueur des sondes est donc d’une grande importance pour éviter une surexploitation qui empêcherait une régénération de la source.

Rafraîchissement

Les sondes géothermiques peuvent non seulement être utiles au chauffage de bâtiments, mais aussi à leur rafraîchissement en saison estivale. Si un système de pompe à chaleur permet la commutation chauffage/rafraîchissement, il est appelé « réversible ». Le rafraîchissement est actif ou passif. Dans le cas du rafraîchissement actif, le compresseur de la pompe à chaleur est utilisé pour abaisser le niveau de température de l’ambiance intérieure et la commutation est réalisée à l’aide d’une vanne à 4 voies. Le compresseur n’est par contre pas utilisé dans le cas d’un rafraîchissement passif ; ici un niveau de température existant (de la nappe phréatique ou du sous-sol) est transmis au système de chauffage et la pompe à chaleur n’est pas activée. De cette façon, la consommation énergétique reste faible (mais il faut néanmoins toujours alimenter les pompes de circulation d’eau).

Avantages/inconvénients

La surface d’installation de ce type de captage d’énergie est réduite et la technologie est utilisable presque partout (il faut néanmoins procéder à une analyse de la composition du sol pour déterminer la faisabilité de l’ensemble). De plus, la chaleur récupérée à la source froide est disponible en quantité quasiment illimitée. Le niveau de température de la source froide est relativement élevé et les variations de température sont faibles. Pendant la saison hivernale, il y a tout de même une diminution du niveau de température. Pour finir, le système est fermé mais on doit bien faire attention à ce qu’il soit étanche au glycol.

Le principal inconvénient de ce type de captation d’énergie est le coût d’investissement élevé ainsi que la mise en œuvre qui est assez lourde.

La géothermie de surface

Source : ef4.

On peut envisager ce mode de captation de chaleur si on possède un terrain exempt de grosses plantations. Les calories contenues dans le sol juste en dessous de la surface sont récupérées via des serpentins horizontaux en polyéthylène qui contiennent soit un mélange d’eau et de glycol, soit le fluide frigorigène (système à détente directe – les tuyaux sont dans ce cas en cuivre et non en polyéthylène). Les pompes à chaleur utilisant cette source froide sont désignées sous les termes « eau glycolée » ou « sol ».

Les serpentins, qui jouent le rôle d’évaporateur du système, sont enfouis à une profondeur de 60 cm minimum pour éviter le gel. L’avantage d’un tel type de chauffage réside dans la relative stabilité de la température d’évaporation (ce qui augmente les performances). La température varie néanmoins plus ou moins fortement, à cause justement de la présence d’une pompe à chaleur…

Origine de la chaleur du sol ?

Il y a une diminution de la température du sol pendant l’automne, et une augmentation pendant le printemps. Cette évolution est directement liée au rayonnement solaire qui chauffe la partie du sol directement sous la surface (jusqu’à une profondeur d’environ 2 mètres). La chaleur géothermique ne représente que quelques pourcents à cet endroit.

Potentiel du sol

Le pouvoir calorifique du sous-sol dépend de la nature du sol et surtout de sa teneur en eau. En effet, l’eau possède une capacité calorifique élevée, i.e. sa température varie très lentement sous une action extérieure. La quantité de pluie infiltrée est donc un facteur essentiel dans l’extraction de chaleur du sol.

Les pouvoirs calorifiques de divers sous-sol sont les suivants :

sol sablonneux sec : 10 à 15 W/m²
sol argileux sec : 20 à 25 W/m²
sol argileux humide : 25 à 30 W/m²
sol marécageux : 30 à 35 W/m²

Pour une température de sol minimale de 2 °C (une plus grande absorption de chaleur pourrait créer des cristaux de glace autour des serpentins et diminuer leur efficacité), l’extraction thermique par mètre courant « q » est environ de :

sol sablonneux sec : 10 W/m
sol argileux humide : 25 W/m
sol argileux saturé : 35 W/m
roche dure : 50 W/m
granit : 55-70 W/m

Pour limiter le refroidissement excessif du sol, un écartement minimal entre les tuyaux doit être respecté (une pose trop serrée pourrait provoquer le gel de l’eau autour des tuyaux et une fermeture hermétique) :

1 m en cas de sol sec
0,7 m en cas de sol humide
0,5 m en cas de sol sablonneux ou caillouteux saturé

Dimensionnement

Les capteurs enterrés, malgré leur configuration simple qui ne nécessite pas d’auxiliaires, requièrent des surfaces de terrain de l’ordre de 1,5 fois la surface des locaux à chauffer. Pour beaucoup de bâtiments du secteur tertiaire, ce type de technologie demande donc de très grandes surfaces extérieures et engendre donc un coût de terrassement élevé.

Exemple d’installation

Les déperditions calorifiques d’une habitation domestique construite sur sol argileux s’élèvent à 12 kW.

On prévoit un chauffage par le sol avec une température d’entrée de 45 °C.

En choisissant une PAC dont la puissance de chauffe est de 13,3 kW pour une puissance électrique absorbée de 3,85 kW (valeur fournisseur), il faudra extraire du sol 13,3 – 3,85 = 9,45 kW. Il faudra donc 9 450 W/ 25 W/m = 378 m soit 4 serpentins de 100 m.

Lors du dimensionnement de l’installation, il convient de tenir compte de la configuration du site (il est donc recommandé d’établir un plan qui comporte les constructions, arbres, piscines, fosses septiques et réseaux souterrains en plus, bien évidemment, de la localisation des capteurs) et de la durée annuelle de fonctionnement.

Pour les gros projets, une compréhension des flux thermiques des sols près de la surface est nécessaire pour un calcul assez précis des échangeurs de chaleur du sol. Avant le revêtement, il faudrait opérer une expertise/analyse du sol afin de déterminer la situation géologique de celui-ci à l’endroit de la construction. On tiendra compte des dates de l’analyse (été/hiver – pluies récentes – …) pour obtenir les paramètres thermiques de sol nécessaires pour le calcul et la simulation exacts de la configuration.

Les COP de ce type de pompe à chaleur sont intéressants (de l’ordre de 4). On pourrait néanmoins s’attendre à plus étant donné les avantages de ce système (pas d’auxiliaire, pas de dégivrage). De plus, il faut faire très attention à ce qu’il n’y ait pas de fuites de fluide frigorigène, car il possède un impact environnemental élevé.

En pratique, les échangeurs horizontaux ne sont intéressants que lorsqu’il faut entreprendre de grands travaux, qui permettent un placement économique des tuyaux dans le sous-sol ou à l’intérieur d’une couche de propreté.

Les serpentins peuvent aussi être intégrés en alternance, entre les fondations. Le placement sous le bâtiment permet d’éviter la sensibilité aux conditions météorologiques d’été (sécheresse) mais comporte le risque de gel des fondations en hiver…

Les applications en secteur tertiaire paraissent donc réduites pour cette technique…

L’air extérieur

Le choix de l’air extérieur comme source froide conduit à un choix entre deux technologies très différentes : le système dynamique et le système statique. Dans le premier cas, la PAC ventile mécaniquement l’air de l’environnement extérieur, qui se retrouve donc en mouvement pour améliorer l’échange de chaleur avec le fluide frigorigène au niveau de l’évaporateur. Dans le second cas, l’air reste « statique » et le transfert de chaleur avec le fluide frigorigène est réalisé grâce à la convection naturelle. De grandes surfaces d’échange (ailettes) seront alors nécessaires pour assurer l’efficacité.

Pompe à chaleur à air dynamique

La pompe à chaleur sur air dynamique peut être installée à l’extérieur ou à l’intérieur du bâtiment à chauffer. Dans le premier cas (système Split), le raccordement au système de chauffage est effectué via deux tubes isolés qui se trouvent dans le sol (un pour l’aller et l’autre pour le retour). Il y a également un câble électrique dans le sol et des fonctions antigel. Dans le second cas, la pompe à chaleur est reliée à l’air extérieur par des conduites d’air.

Ce type de pompe à chaleur permet de chauffer les locaux, mais aussi l’eau sanitaire. Un rafraîchissement actif est également possible.

Exemple de pompe à chaleur à air dynamique : présence d’un ventilateur.

Pompe à chaleur à air statique

Les PAC à air statique ne sont pas fort présentes sur le marché malgré leurs avantages en termes de bruit et de performances. De l’eau glycolée, ou le fluide frigorigène, passe dans les ailettes des capteurs statiques extérieurs. Le reste de la PAC, qui se trouve à l’intérieur du bâtiment, comprime alors le fluide frigorigène pour le faire monter en température.

Exemple de pompe à chaleur à air statique.

Avantages/inconvénients

L’air extérieur comme source de chaleur présente les avantages suivants :

il est disponible quasiment partout en quantité illimitée,
il est facilement exploitable,
l’extraction de chaleur sur l’air extérieur ne nécessite pas l’octroi d’une autorisation, sauf peut-être un permis d’urbanisme,
cette source froide génère des coûts d’installation limités par rapport aux autres types de pompes à chaleur.

Il présente toutefois quelques inconvénients qui remettent en cause son utilisation en système monovalent :

évolution contraire de la température de la source de chaleur et de la température du système de chauffage,
les températures de la source froide sont très variables et peuvent être fort basses, ce qui abaisse le coefficient de performance ; la performance globale annuelle est faible.

Les PAC à air dynamique montrent les deux inconvénients suivants par rapport aux PAC à air statique :

à une température extérieure de 6 à 7 °C, l’eau issue de la condensation de l’air ambiant commence à geler et nécessite un dégivrage ;
problèmes de bruit dus à la grande quantité d’air déplacé. Il est indispensable de se renseigner sur les techniques de protection phonique, dans tous les cas, qu’il s’agisse d’une installation intérieure ou extérieure. L‘ordonnance sur la protection contre le bruit et les prescriptions locales doivent être soigneusement étudiées. Au besoin, un spécialiste en acoustique devra être consulté.

Performances des PAC sur air extérieur

En général, les COP des pompes à chaleur sur air extérieur sont donnés pour une température extérieure de 2 °C. La moyenne des températures extérieures sur la saison de chauffe (de début octobre à fin avril) pour la station d’Uccle est cependant d’environ 6 °C. Le seasonal performance factor (SPF), qui représente la moyenne théorique du coefficient de performance sur la saison de chauffe, sera donc plus élevé que le COP indiqué dans la fiche technique de la pompe à chaleur. Mais lorsque la température extérieure est effectivement très basse, le COP chute et la pompe à chaleur peut très bien ne plus être suffisante pour subvenir aux besoins de chaleur du bâtiment. Dans ce cas on l’utilise conjointement à un système d’appoint ou à une chaudière (voir les modes de fonctionnement).

PAC géothermique : rechargement de la source froide par l’énergie solaire

Les soutirages de chaleur fréquents provoqués par la présence d’une PAC géothermique mènent à une baisse relativement importante de la température du sous-sol. La chaleur n’y est en effet pas renouvelée suffisamment rapidement.

Pour résoudre ce problème, si la surface des capteurs n’est pas trop grande, on peut combiner la PAC avec un système de recharge : des absorbeurs solaires (avec ou sans vitre). Le collecteur solaire se refroidira d’abord dans la PAC pour éviter que l’environnement du serpentin ne se dessèche trop et perde de sa puissance d’échange.

Le rendement du panneau solaire s’améliore, lui, si la température de l’eau qui y circule diminue. Une PAC dont l’évaporateur est lié au circuit des collecteurs solaires permettra de travailler à plus basse température dans les collecteurs, ce qui double leur rendement (et divise donc par 2 la surface nécessaire et l’investissement) et allonge leur durée annuelle de fonctionnement. La PAC disposera, elle, d’une source froide à température plus élevée. Les deux appareils voient donc leur fonctionnement optimisé. Un chauffage d’appoint sera nécessaire en hiver, par température extérieure très basse et ensoleillement limité.

Reste le coût de l’ensemble qui semble difficile à amortir…

Comparaison des sources froides

Chaque source de chaleur possède ses avantages et inconvénients, c’est pourquoi seule une analyse minutieuse du projet peut préciser le type de source froide qu’il vaut mieux choisir.

La capacité thermique de l’eau plaide incontestablement en faveur d’une source liquide :

le gain de chaleur provenant de 1 m³ d’eau refroidie d’environ 5 K se monte à 5,8 kWh.
pour un gain de chaleur identique, il faudrait comparativement refroidir environ 3 500 m³ d’air de 5 K !

Mais le débit d’eau reste important. Imaginons un bâtiment de 5 000 m². On peut tabler sur un besoin de chaleur limité à 45 W/m² (par – 10°C extérieur) s’il est bien isolé. Ceci représente une puissance totale installée de 225 kW. La puissance à capter à l’évaporateur sera de 150 kW (si COP = 3).

Sur base d’un refroidissement de l’eau de 5 K, le débit d’eau nécessaire sera de

150 kW / 5,8 kWh/m³ = 26 m³/h !

Le tableau ci-dessus reprend les caractéristiques à prendre en compte lors de la conception d’une installation de pompe à chaleur :

Source	Caractéristiques de la source	Coût d’installation	COP saisonnier moyen	COP selon la norme EN14511 (suivi de la condition de mesure)	Conditions d’installation	Remarques
Rejets thermiques de procédés industriels ou de systèmes de climatisation	Faibles variations de température. Possible variation de débit.	Bas.	Comparable à celui des PAC air/eau ou eau/eau selon les propriétés de la source froide.		Installation plus ou moins importante selon la configuration de la source.	Système courant pour la production d’eau chaude sanitaire.
Eau de nappe phréatique	Faibles variations de température (+6°C à +10°C).	Élevé.	3 à 4,5.	5 à 6 (W10/W35)	Besoin de suffisamment d’eau souterraine de qualité. Restrictions légales locales.	Des puits existants peuvent réduire les coûts. Coût d’entretien faible. Dimensionnement très rigoureux.
Eau de surface	Faibles variations de température.	Variable selon la proximité de l’eau.	3 à 4,5.	5 à 6 (W10/W35)	Proximité d’eau en quantité adéquate nécessaire. Système de protection contre le gel. L’évaporateur sera conçu en fonction de la qualité de l’eau.	Passage par un circuit d’eau intermédiaire dans le cas de capteurs dynamiques. Encrassage possible.
Tuyaux d’eau glycolée dans le sol	Faibles variations de température (plus fortes si usage de serpentins à faible profondeur). Connaissance des propriétés thermiques du sol requise.	Moyen à élevé.	3 à 4.	4 à 5 (B0/W35)	Besoin de surface si échangeur de chaleur horizontal et d’une solution antigel.	Échangeurs verticaux ou horizontaux. Les conditions de sol et de surface influencent la conception. Coûts d’entretien faibles. Dimensionnement très rigoureux.
Air extérieur	Larges variations de température (0°C à + 15°C).	Bas.	2,5 à 3,5.	3 à 4 (A2/W35)	Système universel, source disponible en grande quantité.	Dégivrage et parfois chauffage auxiliaire nécessaires.
Système à évaporation directe : le fluide frigorigène passe dans le sol (tuyaux verticaux et horizontaux)	Faibles variations de température.		3 à 4.			Pas de circuit intermédiaire du côté évaporateur. Grandes quantités de fluide frigorigène nécessaire.

* Les valeurs des coefficients de performance dépendent des modèles de pompes à chaleur choisies. Les valeurs données ici sont des ordres de grandeur permettant la compréhension de l’influence de la source froide.

Les pompes à chaleur les plus répandues sont les pompes à chaleur air extérieur/eau, ensuite viennent les pompes à chaleur eau glycolée/eau qui tirent leur énergie du sol.

Réglementation et permis

Suivant le type de PAC, sa puissance et la quantité de fluide frigorigène présente dans le circuit, l’installation d’une pompe à chaleur requiert ou non l’octroi de permis d’environnement ou d’urbanisme. Bien souvent, la PAC devra uniquement être « déclarée ».

Les réglementations en vigueur sont susceptibles de changer régulièrement. À titre d’illustration, voici un tableau qui reprend ces réglementations pour l’année 2009 :

Condition (2009)	Classe
Si puissance frigorifique nominale utile comprise entre 12 et 300 kW et charge en FF > 3 kg.	3 – déclaration.
Si puissance frigorifique nominale >= 300 kW.	2 – permis d’environnement.
Pompe à chaleur sur air
Si air statique.	Peut-être permis d’urbanisme – vérifier avec la commune.
Si air dynamique.	Peut-être permis d’urbanisme – vérifier avec la commune.
Pompe à chaleur sur eau souterraine
Opération de forage et opération de sondage ayant pour but l’exploitation future d’une prise d’eau,… (hormis les forages inhérents à des situations d’urgence ou accidentelles).	2 – permis unique.
Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement inférieure ou égale à 10 m3/jour et à 3 000 m³/an.	3 – déclaration.
Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement supérieure à 10 m³/jour et à 3 000 m³/an et inférieure ou égale à 10 000 000 m³/an.	2 – permis d’environnement ou permis unique.
Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement de plus de 10 000 000 m³/an.	1 – permis d’environnement ou permis unique avec étude d’incidences sur l’environnement obligatoire.
Installation pour la recharge ou les essais de recharge artificielle des eaux souterraines.	1 – permis unique avec étude d’incidences sur l’environnement obligatoire.
Déversement d’eaux usées industrielles telles que définies à l’article D.2, 42°, du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau, dans les eaux de surface, les égouts publics ou les collecteurs d’eaux usées : rejets supérieurs à 100 équivalent-habitant par jour ou comportant des substances dangereuses visées aux annexes Ire et VII du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau.	2 – permis d’environnement ou permis unique.
PAC sur eaux de surface	Autorisation du gestionnaire de l’eau de surface nécessaire. Peut-être permis d’urbanisme – voir avec la commune.
Déversement d’eaux usées industrielles telles que définies à l’article D.2, 42°, du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau, dans les eaux de surface, les égouts publics ou les collecteurs d’eaux usées : rejets supérieurs à 100 équivalent-habitant par jour ou comportant des substances dangereuses visées aux annexes Ire et VII du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau.	2 – permis d’environnement ou permis unique.
PAC à captation verticale dans le sol
Opération de forage et opération de sondage pour le stockage des déchets nucléaire ou pour un usage géothermique.	2 – permis unique.
PAC à captation horizontale dans le sol	Non classé, mais peuvent l’être si quantité FF > 3kg.

Source : Synthèse sur les réglementations et permis relatifs à l’installation
et à l’exploitation de pompes à chaleur en Région wallonne – Document EF4.

Publié par : Sylvie 6 Nov, 2007

Pompes à chaleur

Pompe air-eau à chaleur réversible.

Vous avez dit « pompe à chaleur » ?

Elle transfère de l’énergie d’un milieu à un autre

Source : ef4.

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine dont le but est de valoriser la chaleur gratuite présente dans l’environnement : celle présente dans l’air extérieur, les rivières, le sol. En effet, tout corps, même « froid » contient une quantité importante d’énergie qui peut être récupérée.

Pratiquement, grâce à un fluide décrivant un cycle thermodynamique, la pompe à chaleur retire de la chaleur à une source dite « froide » et la rejette dans une source dite « chaude ». Ce transfert fait appel à un processus forcé, puisque chacun sait que la chaleur se déplace de façon naturelle d’une zone chaude vers une zone froide. C’est pourquoi, la PAC doit être entraînée par un compresseur qui lui amènera l’énergie nécessaire à son fonctionnement.

À titre d’exemple, pompe à chaleur à placer sur la toiture d’un atelier industriel.

Il est important de préciser que l’on parle ici d’appareils réalisant un transfert, et non une création de chaleur. L’objectif visé – le coefficient de performance – se situe autour de 3 unités de chaleur fournies à la source chaude par unité injectée au compresseur. Cela signifie que pour un kWh consommé et payé, on en reçoit 3 gratuitement

Mais la PAC est un producteur de chaleur « dynamique » : contrairement à une chaudière, une PAC voit ses performances varier selon les conditions d’utilisation. Elle aura ainsi de très bonnes performances de chauffage … en été alors que ce n’est pas en cette période que le besoin de chauffage est présent ! La tâche la plus difficile pour le projeteur, consiste à prendre en considération ce comportement dynamique et à équiper l’installation de telle manière que les conditions limites de fonctionnement ne soient pas dépassées.

Un boom commercial

Il s’agit d’une technologie qui bénéficie d’un fort regain d’intérêt ces dernières années après un premier boom (et une déception…) lors de la crise pétrolière des années 70. Le marché est en pleine expansion :

Développement des ventes de pompes à chaleur en Europe 2005-2013, par catégorie.

Source : https://www.ehpa.org.

Un outil « propre » ?

La PAC permet d’utiliser l’énergie électrique à bon escient. La pompe à chaleur s’inscrit-elle alors dans la démarche « développement durable » ? Il convient de nuancer la réponse.

La pompe à chaleur en tant que telle est une machine intéressante dans la mesure où un kWh payé au niveau mécanique (pour faire tourner le compresseur), on produit 3 à 4.5 kWh d’énergie thermique (suivant la technologie utilisée et la qualité de la mise en œuvre). Néanmoins, toute la question de l’impact environnemental d’une pompe à chaleur se trouve dans la façon de produire ce kWh mécanique. La majorité des PAC utilisent de l’énergie électrique pour réaliser ce travail moteur. Les performances environnementales d’une PAC sont donc directement liées aux performances environnementales de l’électricité que l’on utilise. Prenons différents cas de figure :

Dans le cas, plutôt marginal à l’heure actuelle, où l’électricité serait produite par des énergies purement renouvelables, comme des éoliennes ou panneaux photovoltaïques, l’impact d’une PAC est remarquable dans la mesure où elle multiplie l’efficacité des énergies renouvelables pour la production thermique, et globalement, l’impact environnemental est nul. Dans ce cas de figure, il n’y a pas lieu de nuancer le propos : les PACs ont un impact positif.

Si l’on consomme l’électricité du réseau électrique belge, les performances environnementales des PAC sont alors à nuancer. À l’heure actuelle, la production électrique est largement dominée par les centrales nucléaires. Celles-ci réalisent autour de 60 % de le production électrique. Le restant de la production est essentiellement réalisé par des centrales travaillant avec les combustibles fossiles (gaz et charbon). Les centrales nucléaires sont caractérisées par des émissions d’équivalent CO₂ relativement moindres que les centrales classiques (quoi que cet argument est parfois remis en cause). Du coup, si on fait un bilan global, travailler avec des PAC et l’électricité du réseau émet moins de CO₂ que de brûler du gaz ou du mazout localement dans la chaudière de chaque habitation. Néanmoins, gros bémol, il reste la problématique des déchets nucléaires. Même si à court terme, la gestion ou du moins, l’entreposage des déchets nucléaires, est gérable, à long terme, cela peut engendrer de gros soucis. Si on s’intéresse à la consommation en combustible fossile, la PAC combinée à l’électricité du réseau est intéressante comparée à la combustion directe dans l’habitat uniquement si la pompe à chaleur à de bonnes performances, c’est-à-dire si l’on travaille avec du bon matériel, bien conçu par rapport au bâtiment et bien installé. En fait, les centrales utilisent 2 à 2.5 kWh de combustible fossile pour générer 1 kWh électrique. En intégrant les pertes du réseau électrique, il faut que la PAC produise plus de 3 kWh thermiques sur base de ce kWh électrique pour que le bilan environnemental soit intéressant.

Conclusion, l’intérêt environnemental de placer une pompe à chaleur est dépendant de la qualité de l’électricité qui est utilisée pour alimenter la PAC. Dans le cas du réseau électrique belge actuel, l’intérêt d’une PAC est présent sur les émissions de CO₂ mais, en ce qui concerne la consommation en énergie primaire, uniquement si les performances thermiques des PAC sont optimisées.

Types de pompes à chaleur

Source : ef4.

Les pompes à chaleur sont désignées en fonction des fluides caloporteurs dans lesquels baignent les échangeurs de chaleur de l’évaporateur et du condenseur. Attention, il s’agit bien du fluide caloporteur au niveau de l’évaporateur et du condenseur et qui n’est pas toujours équivalent au type de source chaude ou froide (l’air, l’eau ou le sol). En effet, on peut trouver intercalé, entre le condenseur et la source chaude, ou entre l’évaporateur et la source froide, un circuit intermédiaire. Prenons à titre d’exemple, les PAC Saumure/eau. On trouve du coté évaporateur de l’eau glycolée, eau glycolée dans un circuit qui parcourt ensuite le sol afin d’en extraire la chaleur. Du coté condenseur, on trouve un circuit d’eau qui, par exemple, alimente un circuit de chauffage par le sol pour se décharger de son énergie.

Les principaux types de PAC

Désignation	Évaporateur	Condenseur	Boucle intermédiaire : source froide/évaporateur	Boucle intermédiaire : condenseur/source chaude
PAC Eau/ Eau	Eau	Eau	Non	Oui
PAC Air/ Eau	Air	Eau	Non	Oui
PAC Saumure/ Eau	Saumure	Eau	Oui	Oui
PAC Air/ Air	Air	Air	Non	Non
PAC Sol/Sol	Sol	Sol	Non	Non

Exemple de désignation abrégée :

Type : Eau/ Eau
Température entrée évaporateur : 10 °C
Température sortie condenseur : 45 °C
Désignation abrégée : W10/W45

L’expression W10/W45 signifie que la source froide est une eau à 10 °C et la source chaude une eau à 45 °C. C’est sous cette forme que les fournisseurs désignent leurs produits. Une source de chaleur telle une nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par « eau », l’air atmosphérique ou des rejets gazeux par « air », un mélange eau-glycol qui circule dans le circuit fermé entre une source de chaleur et l’évaporateur par « saumure ». De ce fait, les pompes à chaleur puisant l’énergie du sol seront parfois désignées sous le terme de « saumure ».

Les systèmes les plus répandus sont les systèmes Air/Eau puis Saumure/Eau dont la source de chaleur est souterraine. Les pompes à chaleur Eau/Eau sont souvent soumises à autorisation et sont donc moins courantes en Belgique.

Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur

Source : ef4.

Le principe de fonctionnement est le même que celui de la machine frigorifique mais l’application travaille en sens inverse.

Cette fois, l’objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d’un milieu extérieur : l’eau d’une rivière, l’air extérieur, l’eau d’une nappe souterraine, … (on parle de « source froide »). Physiquement, l’air extérieur à 0 °C contient beaucoup d’énergie puisque sur l’échelle des températures absolues, l’air se situe en réalité à 273 K !

Schéma du principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur.

L’évaporateur est à l’extérieur et la température du fluide frigorigène sera environ 5 à 8 °C inférieure à la température de la source froide. L’énergie thermique captée sera « remontée » à un niveau de température utilisable (pour le chauffage d’une maison, par exemple) via le compresseur : le condenseur est donc à l’intérieur.

Bien sûr, on choisira un émetteur de chaleur à une température la plus basse possible (par exemple, chauffage à air chaud, chauffage à eau chaude par serpentin dans le sol, …). L’écart de température entre l’entrée et la sortie du compresseur doit être en effet le plus faible possible pour limiter le travail du compresseur.

Exemple.

Refroidir l’eau d’une rivière initialement à 10 °C pour assurer le chauffage d’une habitation par de l’air à 35 °C. Le fluide frigorigène passera à 6 °C dans la rivière et à 40 °C dans l’échangeur de chauffage de l’air du bâtiment.

Différents coefficients de performance

SC = source de chaleur (source de froide), Acc = accumulateur.

L’évaluation de la performance instantanée

On peut déduire le rendement d’une PAC (appelé « ε », indice de performance) sur base du rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur par rapport à l’énergie électrique fournie (et payée) au compresseur.

ε = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Ce rapport peut être obtenu ou déduit du catalogue du fournisseur, à partir de mesures qu’il aura effectuées dans des conditions standards.

L’évaluation de la performance instantanée, auxiliaires compris

Cette fois, on parle d’un coefficient de performance « COP ».

C’est la norme européenne EN 255 qui définit le coefficient de performance en lieu et place de l’indice de performance présenté ci-dessus. Pour le calculer, en plus de la puissance du compresseur, on devra prendre en compte la puissance des dispositifs auxiliaires qui assurent le bon fonctionnement de la pompe à chaleur : le dispositif antigel, la commande/régulation et les installations mécaniques (pompe, ventilateur).

Toutefois, ces mesures ne concernent que les éléments rattachés à la pompe à chaleur et sont indépendantes de l’installation de chauffage, de l’accumulateur, etc. La norme fixe des conditions de mesures standardisées très précises qui ne correspondent aux situations réelles que dans certaines circonstances particulières. Il ne faut pas perdre cela de vue lorsque l’on travaille avec le COP pour estimer les performances d’une PAC.

L’évaluation de la performance annuelle, auxiliaires compris :

Le coefficient de performance annuel (« COPA ») est l’indice le plus important dans l’examen d’une installation de pompe à chaleur. Toutes les quantités d’énergie produites et injectées pendant une année y sont comparées les unes aux autres. Il ne s’agit plus ici d’une valeur théorique calculée à partir de puissance installées, mais d’une mesure réelle sur site de la quantité d’énergie consommée et fournie. C’est le coefficient de performance annuel qui donne vraiment idée du « rendement » et de l’efficacité de l’installation.

Imaginons que notre PAC exemple fasse maintenant partie de toute une installation de chauffage. Les variations de température des sources froides et chaudes, les pertes par émission du réseau de distribution, la consommation d’un chauffage d’appoint, etc… font que 13 000 kWh* de chaleur sont produits sur une année, tandis que les consommations globales s’élèvent à 6 200 kWh* d’énergie électrique. On dira alors que le COPA de cette installation vaut 13 000 kWh / 6 000 kWh = 2,17.

*Ces valeurs ne servent qu’à illustrer la définition du COPA. Il ne s’agit pas d’une quelconque moyenne d’installations existantes ou du résultat d’une étude de cas.

L’évaluation théorique de la performance annuelle :

Il s’agit du Facteur de Performance Saisonnier (« SPF »).

Alors que le COPA est le rapport entre les valeurs mesurées sur un an de l’énergie calorifique donnée utilement au bâtiment et de l’énergie (souvent électrique) apportée à l’installation, le SPF est le rapport de ces mêmes quantités d’énergie fournies et apportées en un an calculées de façon théorique sur base du COP instantané à différentes températures.

où,

Q_demandée est la quantité d’énergie demandée à la PAC durant la période de chauffe [kWh/an].
P(T_ext) est la puissance à apporter lorsque la température de la source froide est T_ext (par exemple les déperditions thermiques d’une maison selon la température extérieure) [kW].
t(T_ext) est le temps durant lequel la température de la source froide est T_ext [h/an].
COP(T_ext) est le coefficient de performance de la pompe à chaleur lorsque la température de la source froide est T_ext.

Un rendement qui dépasse 100 % !?

Quel bilan énergétique de la PAC ?

Qu’est-ce qui coûte dans l’exploitation d’une installation de pompe à chaleur ?

pas l’énergie de la « source froide » : elle est gratuite,
mais bien l’énergie électrique du compresseur.

D’où la notion de rendement donné par « ε », l’indice de performance :

ε = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Or Q2 = Q1 + W = chaleur captée à la source froide + énergie développée par le travail du compresseur (loi de conservation des énergies).

Dès lors, Q2 est toujours plus grand que W et ε est toujours nettement plus élevé que 1.

Est-il normal de rencontrer une machine dont le « rendement » dépasse 100 % ?

En réalité, il ne s’agit pas ici d’une machine de conversion, de transformation d’énergie comme une chaudière (c’est-à-dire transformation d’énergie chimique en chaleur), mais bien d’une machine qui transfère une quantité d’énergie thermique d’un seuil de température à un autre. L’indice de performance n’est donc pas un rendement (de conversion) mais une évaluation de la performance du transfert.

Si l’écart entre les 2 seuils de température augmente, l’efficacité (ε ou COP) diminue.

Quel est le « ε » théorique d’une pompe à chaleur ?

Puisque W = Q2 – Q1, on écrit encore : ε = Q2 / (Q2 – Q1)

Si l’on considère un travail sans pertes, les lois de la thermodynamique établissent le lien entre l’énergie contenue dans un fluide (Q) et la température absolue de ce fluide (T), si bien que l’on admettra sans démonstration l’expression suivante du COP théorique :

ε théorique = T2 / (T2 – T1) [T étant exprimé en Kelvin]

Où :

T2 = température de condensation [K].
T1 = température d’évaporation [K].

Il faudra donc une température d’évaporation maximale et une température de condensation minimale. Attention cependant à ne pas confondre les températures T1 et T2 du fluide frigorigène avec celles des sources chaudes et froides, même si, par voie de conséquence, le coefficient de performance instantané est d’autant meilleur :

que la température de la source de chaleur (= la « source froide ») est élevée,
que la température du réseau de chauffage est basse (T2 proche de T1).

Alors que l’on ne peut guère influencer la température de la source de chaleur (la source froide), celle au départ du chauffage sera définie par le projeteur ! Par conséquent, il aura tendance à choisir un chauffage par le sol ou un chauffage à air chaud.

Exemple d’une pompe à chaleur AIR – AIR

Soit T°ext = 0 °C (= 273 °K) et T°chauff. = 40 °C

εthéor = (273 + 40) / (40) = 7,8 !

En théorie, la pompe fournira 8 x plus d’énergie au condenseur que d’énergie demandée au compresseur ! … (les 7/8 de la chaleur étant captés dans l’air extérieur).

Et quel COP pratique ?

En pratique, plusieurs éléments vont faire chuter la performance :

Il existe un écart de température entre le fluide frigorigène et les sources.
Par exemple : si T°ext = 0 °C, T°évaporateur = … – 8 °C… Et si T°chauff. = 40 °C, T°condenseur = … 48 °C… D’où ε = (273 + 48) / (56) = 5,7.
Le coefficient de convection entre l’eau et l’évaporateur étant nettement meilleur que le coefficient de convection entre l’air et l’échangeur, on aura tendance à privilégier les PAC eau/eau et eau/air. Encore faut-il avoir une rivière au fond de son jardin ou une nappe phréatique sur laquelle il est possible de puiser (autorisation obligatoire). En général, il faudra se résoudre à prendre l’air extérieur comme source froide.

Or dans ce cas, si la T°ext < 5 ° C, alors T°fluide évaporateur = 0 °C. Dès lors, du givre apparaît sur les ailettes, la glace bouche l’échangeur extérieur, d’où nécessité de dégivrer (soit un courant électrique est envoyé sur l’échangeur pour faire fondre la glace, soit le cycle est inversé et des gaz chauds sont envoyés dans l’évaporateur).
Avec la consommation de dégivrage, l’indice de performance moyen diminue fortement.

Lorsque la température de l’air extérieur descend sous 0 °C, le compresseur a de plus en plus de mal à fonctionner : la puissance délivrée au condenseur de la pompe à chaleur devient très faible et il faut parfois ajouter des résistances de chauffage électrique directe à l’installation . Paradoxe malheureux, c’est quand il fait très froid que l’habitation demandera le plus de puissance et que la pompe à chaleur lui en donnera le moins!

Il y a nécessité de faire fonctionner les ventilateurs des sources froides et chaudes, d’où une consommation électrique supplémentaire de ces auxiliaires.

Exemple. Voici les spécifications techniques d’un climatiseur réversible présent sur le marché. En hiver, ce climatiseur peut fournir de la chaleur au local : il fonctionne alors en mode « pompe à chaleur ».

Unité intérieure			FHYB35FJ
Unité extérieure			RY35D7
Puissance frigorifique		kcal/h	3 100
		Btu/h	12 300
		kW	3,60
Puissance calorifique		kcal/h	3 500
		Btu/h	14 000
		kW	4,10
Puissance absorbée	rafraîchissement	kW	1,51
Puissance absorbée	chauffage	kW	1,33

On y repère :

l’efficacité frigorifique, E.F., ou COPfroid (coefficient de performance en froid)

puissance frigorifique / puissance absorbée =
3,6 kW / 1,5 kW = 2,4

l’indice de performance au condenseur, ε

puissance calorifique (au condenseur) / puissance absorbée =
4,1 kW / 1,3 kW = 3,2

Attention ! Ce coefficient est obtenu dans des conditions très favorables ! En petits caractères, le fabriquant précise qu’il s’agit de valeurs obtenues pour 7 °C extérieurs… Cette performance va s’écrouler en période plus froide. En réalité, c’est le rendement moyen saisonnier qui nous intéresse… mais celui-ci n’est jamais donné puisqu’il dépend des conditions d’exploitation.

Pompe à chaleur sur boucle d’eau

Plusieurs pompes à chaleur sont connectées sur une boucle d’eau commune.

En été, elles fonctionnent en machine frigorifique dont le condenseur est refroidi par la boucle d’eau. Celle-ci se refroidit elle-même via par exemple une tour de refroidissement posée en toiture.
En hiver, elles fonctionnent en pompe à chaleur dont la boucle d’eau constitue la source « froide ». Celle-ci est elle-même réchauffée par une chaudière placée en série sur la boucle.
En mi-saison, ce système prend tout son sens : si simultanément des locaux sont refroidis et d’autres réchauffés, la boucle qui les relie permet le transfert d’énergie entre eux, avec une performance URE remarquable.

Ce système est optimalisé s’il dispose en plus d’un système pour stocker la chaleur et la restituer à la demande, en différé.

Ces PAC/climatiseurs sont constitués de deux parties :

Une partie traitement de l’air du local composée principalement d’un filtre, d’un échangeur Air/fréon et d’un ventilateur de soufflage.
Une partie circuit frigorifique constituée d’un compresseur, d’une vanne 4 voies d’inversion de cycle, d’un échangeur Eau/fréon raccordé à la boucle d’eau, d’un détendeur capillaire.

Suivant les cycles de fonctionnement, les échangeurs Eau/fréon et Air/fréon sont tour à tour le condenseur ou l’évaporateur du circuit frigorifique; ce basculement est rendu possible par la vanne 4 voies d’inversion de cycle canalisant les gaz chauds sous pression, en sortie du compresseur, vers l’un ou l’autre des échangeurs dans lesquels le fluide frigorigène sera alors condensé en abandonnant ses calories à l’eau ou l’air.

Impact sur l’environnement

Impact sur la couche d’ozone

Les pompes à chaleur récentes sont en général chargées avec des fluides frigorigènes tels que les HFC, l’ammoniac, le CO₂ ou le propane qui n’ont pas d’impact sur la couche d’ozone.

Impact sur l’effet de serre

Pour calculer l’impact sur l’effet de serre d’une pompe à chaleur, et donc la quantité d’équivalents CO₂ qu’elle produit, on doit connaître les éléments suivants :

Éléments liés au fluide frigorigène

Le potentiel de participation au réchauffement climatique sur 100 ans du fluide frigorigène choisi (le GWP100 en anglais). Voir ici pour connaître ces valeurs en kg de CO₂ par kg de fluide frigorigène.
La quantité de fluide frigorigène chargée : m en kg, qui dépend du type de PAC. Il faut en effet dix fois plus de fluide frigorigène dans une PAC « sol/sol » à détente directe (à la source froide ET à la source chaude), par rapport à une PAC eau/eau ou eau glycolée/eau.
La quantité annuelle de fluide frigorigène perdue à cause des fuites : L en kg/an que l’on estime à 3 % de la charge m de fluide frigorigène, si la pompe à chaleur est assemblée et testée en usine et non sur chantier. Si la PAC est assemblée sur chantier, on suppose que 10 % de la masse en fluide frigorigène est perdue par les fuites.
Le taux de récupération du fluide frigorigène lors du démontage de la pompe à chaleur : αrecovery qui est estimé à 75 %.

Éléments liés à l’énergie primaire utilisée pour le fonctionnement de la pompe à chaleur et des auxiliaires

La consommation électrique annuelle : E en kWh/an.
Le coefficient d’émissions de CO₂ dues à la production d’électricité : β = 0,456 kg de CO₂/kWhélectrique si l’on considère que l’électricité est produite dans une centrale TGV.

Éléments liés à la l’utilisation de la pompe à chaleur

Le nombre d’années d’utilisation : n.

Ces éléments entrent dans la formule du TEWI (Total Equivalent Warming Impact) en kg de CO₂ :

TEWI = GWP₁₀₀ x L x n + GWP₁₀₀ x m x (1 – α_recovery) + n x E x β (*)

Le tableau illustre les quantités de CO₂ émises par différents types de PAC de 20 kW calorifiques, toutes chargées avec le fluide frigorigène R407C (GWP₁₀₀ = 1 800 kg CO₂/kg FF).

	PAC air extérieur/eau _(A2/W35)	PAC eau/eau _(W10/W35)	PAC eau glycolée/eau _(B0/W35)	PAC sol/eau (évaporation directe) _(S-5/W35)	PAC sol/sol (évaporation et condensation directes) _(S-5/S35)
Puissance calorifique	20 kW	20 kW	20 kW	20 kW	20 kW
COP saisonnier moyen	3,5	4,5	4	4	4
Puissance électrique absorbée	20 kW / 3,5 = 5,7 kW	20 kW / 4,5 = 4,5 kW	20 kW / 4 = 5 kW	20 kW / 4 = 5 kW	20 kW / 4 = 5 kW
Consommation électrique E	5,7 kW x 2 000 h = 1 1400 kWh/an	4,5 kW x 2 000 h = 9 000 kWh/an	5 kW x 2 000 h = 10 000 kWh/an	5 kW x 2 000 h = 10 000 kWh/an	5 kW x 2 000 h = 10 000 kWh/an
Consommation appoint	4 kW x 300 h/an = 1 200 kWh/an	0	0	0	0
Quantité de FFm	6 kg	2,5 kg	2,5 kg	10 kg	18 kg
Quantité annuelle de FF perdue par les fuites L	3 % de 6 kg = 0,18 kg/an	3 % de 2,5 kg = 0,075 kg/an	3 % de 2,5 kg = 0,075 kg/an	10 % de 10 kg = 1 kg/an	10 % de 18 kg = 1,8 kg/an
Premier terme de (*)	1 800 x 0,18 x 20 = 6 480 kg CO₂	1 800 x 0,075 x 20 = 2 700 kg CO₂	1 800 x 0,075 x 20 = 2 700 kg CO₂	1 800 x 1 x 20 = 36 000 kg CO₂	1 800 x 1,8 x 20 = 64 800 kg CO₂
Second terme de (*)	1 800 x 6 x (1 – 0,75) = 2 700 kg CO₂	1 800 x 2,5 x (1 – 0,75) = 1 125 kg CO₂	1 800 x 2,5 x (1 – 0,75) = 1 125 kg CO₂	1 800 x 10 x (1 – 0,75) = 4 500 kg CO₂	1 800 x 18 x (1 – 0,75) = 8 100 kg CO₂
Dernier terme de (*)	20 x (11 400 + 1 200) x 0,456 = 114 912 kg CO₂	20 x 9 000 x 0,456 = 82 080 kg CO₂	20 x 10 000 x 0,456 = 91 200 kg CO₂	20 x 10 000 x 0,456 = 91 200 kg CO₂	20 x 10 000 x 0,456 = 91 200 kg CO₂
Émissions	124 092 kg	85 905 kg CO₂	95 025 kg CO₂	131 700 kg CO₂	164 100 kg CO₂
Annuelles de CO₂	CO₂ / 20 ans = 6 205 kg CO₂/an	/ 20 ans = 4 295 kg CO₂/an	/ 20 ans = 4 751 kg CO₂/an	/ 20 ans = 6 585 kg CO₂/an	/ 20 ans = 8 205 kg CO₂/an

On voit que le troisième terme de l’expression (*) est de loin le plus important en ce qui concerne les 3 premières PAC de 20 kW étudiées : c’est l’électricité consommée par la pompe à chaleur et ses auxiliaires qui génère le plus de CO₂ (entre 80 et 95 % des émissions totales). Les quantités de fluide frigorigène sont par contre tellement élevées dans les PAC à détende directe (les deux dernières colonnes), que les émissions de CO₂ leur sont en grande partie dues.

Une pompe à chaleur de 20 kW calorifiques chargée au R407C (deux fois moins polluant que le R404A) génère ainsi entre 4 000 et 8 300 kg de CO₂ par an en fonction du type de PAC. En comparaison aux chaudières à mazout (13 600 kg de CO₂ par an pour une puissance calorifique de 20 kW) ou au gaz (11 200 kg de CO₂ pour cette même puissance), la pompe à chaleur est beaucoup moins polluante. Les PAC qui présentent l’impact sur l’effet de serre le moins important sont les PAC sur eau de surface, car il n’y a pas lieu de forer et leur COP est élevé.

Les pompes à chaleur à électricité d’origine renouvelable

Les émissions de CO₂ générées par l’utilisation d’une pompe à chaleur sont très faibles si l’électricité nécessaire à son fonctionnement est produite par des panneaux photovoltaïques ou par une autre énergie renouvelable. L’impact sur l’effet de serre n’est plus alors causé que par les fuites de fluide frigorigène et par sa récupération en fin de vie de la PAC. Alors, si possible, il faut éviter les grandes quantités de fluide frigorigène, qui annuleraient tout l’effort d’économies de CO₂ permis par la production renouvelable d’électricité…

Impact sonore

La pompe à chaleur est une technologie qui émet un fond bruyant. En effet, les pièces mécaniques en mouvement, la circulation d’air, etc., occasionnent un niveau sonore qui sera d’autant plus élevé que les conditions extérieures sont mauvaises (la PAC fonctionne au maximum de ses performances par temps froid). Les compresseurs et ventilateurs sont en l’occurrence, les éléments fautifs…

Une PAC émet entre 50 et 60 décibels à 1 mètre et environ 40 dB à 5 mètres. Une telle installation ne sera tolérable que si elle n’occasionne pas de gêne sonore pour les occupants de l’immeuble et pour le voisinage. Il faut donc l’installer suffisamment loin des fenêtres, des pièces de travail, de repos, etc. La PAC devra être posée sur un silent block (plots antivibratiles).

Autres impacts

L’installation d’une PAC eau/eau sur nappe phréatique montrera un impact non négligeable sur les eaux souterraines. Il existe des réglementations pour ce type de PAC, dont la sévérité dépend de la potabilité de l’eau extraite et du débit nécessaire.

Voir le site de la base de données juridique de la Région Wallonne pour connaître la réglementation concernant les prélèvements et les rejets d’eau souterraine : wallex.wallonie.be : « Arrêté du Gouvernement wallon modifiant l’arrêté du Gouvernement wallon du 4 juillet 2002 arrêtant la liste des projets soumis à étude d’incidences et des installations et activités classées » du 22 janvier 2004.
L’injection d’eau refroidie dans les eaux de surface peut avoir un impact sur le milieu.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Check-list pour une installation [Chauffage à eau chaude URE]

Voici un résumé des points essentiels qui garantissent une installation de chauffage énergétiquement efficace et confortable.

On sera attentif à 4 aspects du projet :

Paramètres de dimensionnement

Exigences	Pour en savoir plus
La puissance utile des chaudières doit être calculée se base des prescriptions de la norme NBN B62-003 en tenant compte de la température de base de la région correspondante.	Concevoir
Dans les installations équipées de radiateurs, la puissance électrique d’un circulateur en [W] doit être proche de la puissance thermique du réseau qu’il alimente P_th en[kW].	Concevoir
Dans le cas d’une installation fonctionnant au gaz, les radiateurs doivent au minimum être dimensionnés en régime 80°/60° (ou mieux encore en régime 70°/50°) pour pouvoir optimaliser le fonctionnement des chaudières à condensation.	Concevoir
Dans le cas d’une installation fonctionnant au fuel, les radiateurs sont dimensionnés en régime inférieur ou égal à 80°/60° pour bénéficier d’une certaine surpuissance à la relance.	Concevoir

Choix de matériel

Exigences	Pour en savoir plus
Si le gaz naturel est disponible, la chaudière est une chaudière à condensation, de préférence ne demandant pas de débit minimal et équipée d’un brûleur modulant (10 .. 100 %).	Concevoir
Pour les grosses puissances, la chaudière à condensation peut être couplée à une chaudière traditionnelle très basse température.	Concevoir
Si le gaz naturel n’est pas disponible, la chaudière est une chaudière fuel traditionnelle très basse température équipée d’un brûleur Low NOx.	Concevoir
Au-delà d’une puissance de 150 kW, le brûleur des chaudières traditionnelles sera à deux allures vraies régulées en cascade.	Concevoir
Les brûleurs fuel doivent être équipés d’origine d’un compteur de combustible.	Concevoir
Les chaudières à condensation sont raccordées à un circuit hydraulique favorisant les retours à température la plus froide possible et approuvé par le fabricant de la chaudière.	Concevoir
Dans le cas de chaudières ne demandant pas de débit minimal et pouvant travailler à très basse température, le collecteur primaire est un collecteur ouvert sans pompe primaire.	Concevoir
Les circuits de distribution secondaires correspondent à des zones d’activités homogènes et disposent de leur régulation propre.	Concevoir
Les conduites parcourant des locaux non chauffés sont isolées avec une épaisseur d’isolant fonction de leur diamètre.	Concevoir
Les vannes et brides disposées dans des locaux non chauffés sont isolées au moyen de coquilles isolantes amovibles.	Concevoir
Les circulateurs sont à vitesse variable et leur débit maximal est ajusté aux besoins réels.	>Concevoir
La courbe caractéristique maximale d’un circulateur doit se trouver juste en dessous du point de fonctionnement théorique calculé du circuit correspondant.	Concevoir
Chaque circuit secondaire est équipé d’un organe d’équilibrage (correctement dimensionné) permettant une répartition correcte du débit dans l’installation.	Concevoir
Un chauffage par le sol ne peut être installé dans des locaux à occupation variable, à forte occupation ou fortement ensoleillé.	Concevoir
Le chauffage par le sol est à déconseillé au dessus du sol ou de caves non chauffées.	Concevoir
Des radiateurs ne peuvent être installés devant des vitrages.	Concevoir
Des corps de chauffe de types différents ne peuvent être raccordés sur un même circuit de distribution avec un réglage de la température d’eau unique.	Concevoir

Régulation

Exigence	Pour en savoir plus
Les chaudières multiples sont régulées en cascade par action sur le brûleur, leur vanne d’isolement et leur circulateur éventuel.	Concevoir
Chaque zone d’occupation et de besoin homogènes dispose de son propre circuit de distribution dont la température d’eau est régulée en fonction d’un thermostat d’ambiance ou d’une sonde extérieure.	Concevoir
La température des chaudières suit au plus près la température des circuits secondaires de distribution (sauf si la chaudière ne peut descendre en température, si une production instantanée d’eau chaude sanitaire est combinée à la chaudière ou si le collecteur primaire est un collecteur bouclé).	Concevoir
L’intermittence est gérée par un optimiseur qui assure une coupure complète des circuits de distribution et éventuellement des chaudières et calcule automatiquement le moment de la coupure et de la relance en fonction des températures intérieures et extérieures.	Concevoir
Chaque circuit dispose un thermostat d’ambiance qui permet de gérer la température d’inoccupation et éventuellement d’ajuster le réglage de la courbe de chauffe dans le cas d’une régulation en fonction de la température extérieure.	Concevoir
Si nécessaire, le régulateur doit comprendre une possibilité de dérogation au régime de ralenti avec retour au mode automatique sans intervention manuelle.	Concevoir
Les locaux profitant d’apports de chaleur plus importants que les autres sont équipés d’une régulation locale (par exemple, pour les radiateurs, des vannes thermostatiques, « institutionnelles » dans les lieux publics).	Concevoir
Dans les installations de taille importante, les régulateurs sont de type digital, communiquant, de manière à pouvoir être raccordés sur une centrale de gestion centralisée.	Concevoir
Les équipements de régulation doivent être accompagnés d’un mode d’emploi clair (plus clair que le simple mode d’emploi des régulateurs), comprenant l’explication du principe de régulation et de l’utilisation des équipements.	Concevoir
La régulation doit mettre à l’arrêt les circulateurs en absence de besoin de chauffage (en fonction de la fermeture des vannes et en fonction de la température extérieure).	Concevoir

Chaufferie

Exigence	Pour en savoir plus
La section de la cheminée doit être adaptée à la puissance et au type de chaudière installée.	Concevoir
La cheminée doit être équipée d’un régulateur de tirage.	Concevoir
La cheminée raccordée à une chaudière à condensation doit être étanche à l’humidité et résister à la corrosion.	Concevoir
La chaufferie doit être équipée d’une ventilation haute et d’une ventilation basse, respectant la norme NBN B61-001.	Concevoir

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chauffage électrique à accumulation

Les appareils à accumulation

Les accumulateurs renferment un noyau accumulant la chaleur; celui-ci est constitué de briques en magnésite, féolite, forstérite, fonte ou autres… pouvant être chauffées à des températures de 650 à 800°C.

Les briques peuvent avoir des formes diverses, en fonction de la conception du noyau et du mode d’installation des résistances entre les briques. Le noyau est entouré de matériau isolant approprié afin de limiter la température des parois.

Vermiculite isolante.
Briques magnétiques.
Eléments chauffants.
Contrôleur de charge.
Borne de branchement.
Sortie d’air.
Entrée d’air.
Ventilateur.

La température du noyau est le reflet de la charge contenue dans l’appareil et est contrôlée par un thermostat de charge.

Différents types d’accumulateurs

Accumulateurs statiques

Ils ne sont pas équipés d’un système de réglage de restitution de chaleur. Celle-ci s’effectue sous forme de rayonnement et de convection naturelle par les parois de l’appareil.

Accumulateurs statiques à restitution de chaleur réglable

En plus de la restitution de chaleur par les parois, ces appareils émettent également de la chaleur par convection naturelle de l’air entre les briques du noyau de l’accumulateur. Le réglage de la restitution de chaleur s’opère au moyen de clapets thermostatiques montés sur l’évacuation d’air dans la partie supérieure de l’appareil.

Accumulateurs statiques compensés

Il s’agit d’accumulateurs statiques pourvus d’un chauffage auxiliaire direct sous forme de convecteur. Ces appareils sont caractérisés par une puissance de raccordement plus faible et une capacité d’accumulation relativement limitée, qui permet néanmoins de réaliser au moins 60 % de la consommation annuelle au tarif de nuit.

Accumulateurs dynamiques

À l’opposé des accumulateurs statiques, la restitution de chaleur s’effectue essentiellement par une convection forcée de l’air à travers des canaux prévus entre les briques du noyau d’accumulation.

Dans ce cas, les accumulateurs sont équipés d’un ou plusieurs ventilateurs commandés par un thermostat d’ambiance.

Accumulateurs dynamiques à résistance d’appoint

Il s’agit d’accumulateurs dynamiques équipés d’une résistance de chauffe auxiliaire qui, en cas de restitution insuffisante de chaleur par le noyau d’accumulation, est enclenchée par le thermostat d’ambiance. La résistance d’appoint se situe dans le flux d’air.

Une distinction suivant le mode de restitution de la chaleur

Les accumulateurs « 9 heures »

Les accus 9 heures sont construits de telle façon que la capacité d’accumulation et la résistance électrique soient suffisamment importantes pour charger en neuf heures l’énergie nécessaire au chauffage pendant toute la journée. L’usage de ces appareils est optimalisé en tarification exclusive de nuit.

Les accus dynamiques 9 heures peuvent être équipés d’une résistance d’appoint.

Les accumulateurs « Hors-Pointes »

Les accumulateurs « Hors-pointes » sont des appareils dynamiques sans résistance d’appoint.

Leurs résistances de charge se trouvent dans le circuit d’air qui traverse le noyau. Cette caractéristique constructive permet un chauffage rapide même en cas de décharge complète du noyau.

La durée de charge nocturne et diurne de ces accumulateurs atteint au moins 16 heures par jour.

Les avantages par rapport à l’accu 9 heures se concrétisent par une puissance de raccordement plus faible et des dimensions plus réduites.

Le dimensionnement et la régulation de charge permettent de limiter la charge diurne à un strict minimum. L’usage de ces appareils est optimalisé en tarification trihoraire ou en EHP.

L’accumulation dans le sol

L’assurance d’obtenir un chauffage de qualité commence par le choix du conducteur chauffant. Les écarts de température à la surface du sol, même lors de l’emploi d’un recouvrement céramique, doivent rester en dessous de la valeur normalisée de 1,5 K.

Le câble étant incorporé dans le béton accumulateur, la chaleur qu’il dégage se disperse dans tous les sens et chauffe ainsi la masse accumulatrice. La température limite du béton accumulateur mesurée à hauteur des conducteurs chauffants se situe entre 50 et 60°C.

Le chauffage par le sol est dimensionné de telle sorte qu’on obtient une température de contact au sol limitée à 26,5°C. Il est ainsi en mesure de dissiper 70 W au m².

Si la puissance requise n’est pas disponible par le sol, le complément sera obtenu par un chauffage additionnel (convecteurs ou chauffage d’appoint dans le sol le long des murs). Le cas échéant, lors de l’emploi de chauffage additionnel dans le sol, limité aux zones périphériques de la pièce, la température de contact au sol pourra atteindre 34°C, permettant ainsi de dissiper une puissance de 150 W au m².

Pour éviter des pertes de chaleur importante vers le dessous du plancher, celui-ci doit présenter une isolation suffisante.

Calculs

Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au-dessus d’une cave, en fonction du degré d’isolation.

La dalle est subdivisée au moyen de joints de dilatation et de mouvement afin d’absorber les contraintes mécaniques dues aux phénomènes de dilatation et de mouvement inhérents à une dalle flottante.

Le chauffage à accumulation par le sol est normalement complété par un chauffage d’appoint direct dont la puissance diminue en fonction des heures de charge complémentaires disponibles pendant la journée.

En matière de restitution de la chaleur, l’accumulation par le sol est assimilable à un appareil à accumulation statique.

Question : la dalle de béton chauffante ne doit-elle pas être bordée d’une matière souple pour reprendre les dilatations ? Cela se fait dans pour le chauffage par le sol par tuyauteries d’eau chaude –> on peut penser que le schéma ci-dessus est incomplet à ce niveau… Question : la dalle de béton chauffante ne doit-elle pas être bordée d’une matière souple pour reprendre les dilatations ? Cela se fait dans pour le chauffage par le sol par tuyauteries d’eau chaude –> on peut penser que le schéma ci-dessus est incomplet à ce niveau…

Revêtement de sol.
Dalle en béton accumulateur (6,5 à 14 cm selon l’inertie du local, le recouvrement du sol et la durée de charge; une valeur moyenne de 10 à 12 cm pour une durée de charge de 8h, et de 6,5 cm pour une alimentation en 7 h + 9 h de charge).
Tube de protection à embout cuivre pour sonde de mesure.
Nappe chauffante – profondeur d’encastrement : dans le tiers inférieur de la couche de béton – minimum 3 cm au dessus de la couche d’étanchéité.
Couche d’étanchéité : 0,2 (0,5) mm pe ou apprêt de bitume de 250 gr.
Isolation (résistante à une température de 85 °C).
Couche d’étanchéité habituelle.
Infrastructure porteuse.
Chauffage d’appoint éventuel dans le sol.
Plinthe.
Ruban souple d’étanchéité.

Source : d’après Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique – Communauté de l’Electricité – CEG.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Exemple de réglage d’une courbe de chauffe

Voici un exemple de réglage d’une courbe de chauffe (réglage de la pente et du déplacement parallèle) dans 4 situations. Il se base sur la méthodologie de réglage décrite dans « Régulateurs climatiques et réglage des courbes de chauffe« .

Situation 1 – Premier réglage

Monsieur M. est responsable technique d’une institution située à Namur. L’installation de chauffage qu’il avait pour mission de gérer ne comprenait quasiment aucune régulation :

la chaudière était maintenue en permanence à température grâce à son aquastat,
seul le circuit de la façade sud est équipé d’une vanne trois voies manuelle

Installation avant rénovation.

Au plus fort de l’hiver, Monsieur M. réglait par expérience la température de la chaudière sur 80°C. En effet une température plus élevée engendrait l’apparition de plaintes de la part des occupants qui souffraient d’un excédent de chaleur.
Malheureusement, lorsque le soleil était présent, les locaux situés au sud étaient vite surchauffés.
Récemment, les responsables de l’institution ont décidé d’investir dans la régulation de l’installation.
Les circuits sont équipés de vannes mélangeuses avec servomoteur et sont régulés chacun au départ de leur propre sonde extérieure.

Installation après rénovation.

Il s’agit maintenant pour Monsieur M. de régler les courbes de chauffe de chaque régulateur.

1. Définir les besoins

> Pour l’hiver, Monsieur M. reprend les réglages qu’il appliquait avant rénovation au niveau de la chaudière :

T° extérieure de base = – 9°C (a)
T° maximale de l’eau = 80°C (b)

> Pour la saison chaude, Monsieur M. considère une valeur couramment reconnue dans nos régions :

T° extérieure de non chauffage = 15°C (c)
T° minimale de l’eau = 35°C (d)

2. Calcul de la pente

Pente = [(b) – (d)] / [(c) – (a)] = [80°-35°] / [15° – (- 9°)] = 1,9 (e)

3. Connaître le point pivot de base du régulateur

Le point pivot préréglé sur le régulateur est :

T° extérieure de non chauffage = 20°C (f)
T° minimale de l’eau = 20°C (g)

4. Calculer le déplacement parallèle

Température de l’eau pour une pente égale à 1,9, le point pivot de base du régulateur [20°, 20°] et une température de non chauffage égale à 15° = (g) + [(f) – (c)] x (e) = 20° + [20° – 15°] x 1,9 = 29,5 (h)
Déplacement parallèle = (d) – (h) = 35° – 29,5° = 5,5° (i).

Calculs

Déterminer votre propre réglage.

Situation 2 – Ajustement en mi-saison

Au printemps et en automne, les occupants des locaux nord se plaignent unanimement : il fait trop froid !

Monsieur M. décide donc de rehausser la température de l’eau du circuit nord durant l’entre-saison. Pour cela, il revoit progressivement le déplacement parallèle à la hausse tout en rectifiant simultanément la pente de la courbe.

1. Connaître les réglages actuels

Avant toute modification, Monsieur M. prit soin de noter les paramètres de réglage existant du régulateur.

Pente = 1,9 (a)
Déplacement parallèle = 5,5° (b)

2. Définir le nouveau déplacement parallèle

Nouveau déplacement parallèle = 10° (c)

3. Connaître le point pivot de base du régulateur

T° extérieure de non chauffage = 20° (d)
T° minimale de l’eau = 20° (e)

4. Connaître la température extérieure minimum de base

Température de base = – 9° (f)

5. Calculer la nouvelle pente

Pente = [(b) – (c)] / [(d) – (f)] + (a) = [5,5° – 10°] / [20° – (- 9°)] + 1,9 = 1,7 (g)

Calculs

Déterminer votre propre réglage.

Situation 3 – Ajustement en hiver

L’hiver venu, les plaintes se multiplient, de façon uniforme dans les locaux orientés au sud: il fait trop chaud, même en absence d’ensoleillement.

Il s’agit donc de diminuer la pente de la courbe de chauffe de ce circuit.
Plusieurs abaissements successifs sont nécessaires pour arrêter la gronde des occupants. La pente est ramenée à 1,4.

Calculs

Déterminer votre propre réglage.

Situation 4 – Isolation de l’enveloppe

Récemment, un programme de rénovation des châssis de la façade nord est entrepris. On passe de simples vitrages à des doubles vitrages.

Les besoins en énergie de l’aile devenant moindres, la température de l’eau du circuit nord peut être abaissée.

1. Connaître les paramètres de l’actuelle courbe de chauffe

Pente actuelle = 1,7 (a)
Déplacement parallèle actuel = 10° (b)

2. Connaître le point pivot de base du régulateur

T° extérieure de non-chauffage = 20° (c)
T° minimale de l’eau = 20° (d)

3. Déterminer la température moyenne de l’eau en plein hiver avant rénovation

Température de base = – 9° (e)
T° de l’eau de départ en plein hiver = (b) + (d) + (a) x [(c) – (e)] = 10° + 20° + 1,7 x [20° – (- 9°)] = 80° (f)

Température moyenne de l’eau dans un corps de chauffe dimensionné en régime 90/70.

T° moyenne de l’eau = 71° (g)

4. Connaître le facteur d’émission des corps de chauffe

T moy eau – T amb	0°C	1°C	2°C	3°C	4°C	5°C	6°C	7°C	8°C	9°C
20°C	0,24	0,26	0,27	0,28	0,30	0,32	0,34	0,35	0,37	0,39
30°C	0,41	0,42	0,44	0,46	0,48	0,50	0,51	0,53	0,55	0,57
40°C	0,59	0,61	0,63	0,65	,067	0,69	0,71	0,73	0,75	0,77
50°C	0,79	0,81	0,83	0,85	0,87	0,89	,91	0,94	0,96	0,98
60°C	1,00	1,02	1,04	1,07	1,09	1,11	1,13	1,15	1,18	1,20
70°C	1,22	1,24	1,27	1,29	1,31	1,34	1,36	1,38	1,41	1,43
80°C	1,45	1,48	1,50	1,52	1,55	1,57	1,60	1,62	1,65	1,67
90°C	1,69	1,72	1,74	1,77	1,79	1,82	1,84	1,87	1,89	1,92

Facteur d’émission des corps de chauffe courants en fonction de la différence (T° moyenne de l’eau – T° ambiante).

Exemple : si Tmoyenne = 71°C, Tambiante = 20°C, Tmoyenne – Tambiante = 51°C (= 50°C + 1°C), f = 0,81

Différence de température corps de chauffe – ambiance intérieure = (g) – 20° = 71° – 20° = 51° (h)
Facteur d’émission des corps de chauffe avant rénovation = 0,81 (i)

5. Déterminer le pourcentage de réduction des déperditions d’un local suite aux rénovations

Réduction des déperditions = 0,3 (j)

Bureau	Rénovation	Réduction des déperditions
Classique	Double vitrage	30 à 40 %
Sous toiture	Isolation	55 à 65 %
Sous combles	Isolation	30 à 40 %

6. Déterminer la température moyenne de l’eau dans le corps de chauffe

Nouveau facteur d’émission = (i) x [1 – (j)] = 0,81 x (1 – 0,3) = 0,57 (k)

T moy eau – T amb	0°C	1°C	2°C	3°C	4°C	5°C	6°C	7°C	8°C	9°C
20°C	0,24	0,26	0,27	0,28	0,30	0,32	0,34	0,35	0,37	0,39
30°C	0,41	0,42	0,44	0,46	0,48	0,50	0,51	0,53	0,55	0,57
40°C	0,59	0,61	0,63	0,65	,067	0,69	0,71	0,73	0,75	0,77
50°C	0,79	0,81	0,83	0,85	0,87	0,89	,91	0,94	0,96	0,98
60°C	1,00	1,02	1,04	1,07	1,09	1,11	1,13	1,15	1,18	1,20
70°C	1,22	1,24	1,27	1,29	1,31	1,34	1,36	1,38	1,41	1,43
80°C	1,45	1,48	1,50	1,52	1,55	1,57	1,60	1,62	1,65	1,67
90°C	1,69	1,72	1,74	1,77	1,79	1,82	1,84	1,87	1,89	1,92

Différence de température corps de chauffe – ambiance intérieure (suivant le tableau ci-dessus) = 39° (=30° + 9°) (l)

7. Déterminer la température de départ de l’eau pour la température de base

Température moyenne de l’eau du corps de chauffe = (l) + 20° = 39° + 20° = 59° (m)

Température moyenne de l’eau dans un corps de chauffe dimensionné en régime 90/70.

Température de départ de l’eau en plein hiver = 66° (n)

Calculs

déterminer votre propre réglage.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Hydraulique

A quoi sert un circulateur ? Notion de perte de charge

Pour que de l’eau avance dans une conduite, il faut qu’elle soit soumise à une différence de pression.

On peut dire que la pression plus forte au point A « pousse » l’eau vers la pression plus faible au point B.

Le déplacement de l’eau va s’accompagner de frottements qui engendre une perte de pression. On peut dire que la chute de pression entre les points A et B correspond aux frottements du fluide sur les parois de la canalisation. Elle est appelée la « perte de charge » du point A au point B.

Dans un circuit fermé, l’eau circule de A vers B parce que la pression au refoulement de la pompe est supérieure à la pression à l’aspiration.

PA – PB = perte de charge du réseau entre A et B = hauteur manométrique du circulateur.

Le gain de pression ainsi fourni par le circulateur est appelé sa « hauteur manométrique« . Cette hauteur manométrique du circulateur ne peut que correspondre à la perte de charge entre A et B.

Répartition du débit entre plusieurs circuits – Notion d’équilibrage

Le débit fourni par le circulateur doit se répartir entre 3 circuits identiques (dont les débits nécessaires sont les mêmes). On imagine également pour le calcul que la perte de charge dans chaque tronçon (AC, CD, DE, FG, GH et HB) est de 1 mCE (ou 0,1 bar) (dans un dimensionnement de réseau, on choisit une perte de charge constante par m de tuyau).

Si au point A, la pression est de 2,6 bar, elle sera de 1,9 bar au point B, pour que l’eau se mette en mouvement avec le débit voulu.

Si l’eau circule de A à F, c’est qu’il règne une différence de pression entre ces 2 points de 0,4 bar. Si l’eau circule de D à G, c’est grâce à une différence de pression de 0,3 bar.

Voici une première incohérence : dans le radiateur 1, la perte de charge est de 0,1 bar, ce qui lui donne son débit correct, mais elle est de 0,3 bar dans le radiateur 2. Il y a donc plus de débit dans le radiateur 2 que dans le radiateur 1, alors que les 2 radiateurs sont identiques. Le circuit est déséquilibré et il y aura surchauffe dans le local 2 ou manque de chaleur dans le local 1.

Il faut donc ramener la chute de pression dans le radiateur 2 à 0,1 bar pour que celui-ci délivre la même puissance que le radiateur 1. Cela s’effectue au moyen d’un robinet d’équilibrage sur lequel on créera une perte de charge de 0,2 bars.

Une situation semblable se pose pour le radiateur 3 pour lequel le robinet d’équilibrage devra créer une perte de charge de 0,4 bar.

Ce réseau est ainsi correctementéquilibré et un débit identique passe dans chaque radiateur.

Courbe caractéristique du réseau de distribution

La résistance du réseau de distribution dépend d’une part de sa configuration (longueur et forme des conduits, changements de direction, obstacles comme les vannes, les corps de chauffe, les filtres, …) et d’autre part de la vitesse de l’eau qui y circule. En effet, la résistance, ou autrement dit les pertes de charge, représente le frottement de l’eau dans les conduits. Ce dernier augmente avec la vitesse de l’eau.

Pour chaque type de circuit, on peut ainsi tracer une courbe qui représente la perte de charge en fonction du débit d’air, image de la vitesse.

Point de fonctionnement

Si l’on branche un circulateur sur un circuit de distribution, il stabilisera son débit à une valeur pour laquelle la pression qu’il fournit équivaut à la résistance du circuit. Ce point est le seul point de fonctionnement possible. Il correspond à l’intersection de la courbe caractéristique du circulateur et du circuit. Il définit la hauteur manométrique et le débit fournis par le circulateur lorsque, fonctionnant à une vitesse donnée, il est raccordé au circuit considéré.

Règles de similitude

Variation des grandeurs caractéristiques d’un circulateur lorsqu’on modifie sa vitesse à partir d’un point de fonctionnement donné
q₁/ q₂= n₁ / n₂	Légende : q = débit volume [m³/h] n = vitesse de rotation [tr/min] p = gain de pression [mCE ou bar] P_w= puissance sur l’arbre [kW]
p₁/ p₂= (n₁ / n₂)² = (q₁ / q₂)²
P_w1 / P_w2= (n₁/ n₂)³ = (q₁/ q₂)³

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la pompe à chaleur

Amélioration du fonctionnement

Il semble que ce soit par l’optimisation du dégivrage que l’on puisse améliorer le plus sensiblement la performance de la PAC.

Si autrefois, les dégivrages étaient essentiellement commandés par une horloge, aujourd’hui différentes techniques existent pour ne procéder à la phase de dégivrage que lorsque c’est réellement nécessaire.

Concevoir

Pour parcourir ce qui peut être mis en place pour les évaporateurs des armoires frigorifiques, confrontés à un problème similaire.

Améliorations et développements dans le domaine des composants

La technique des microprocesseurs permet d’améliorer les coefficients des performances et offre une plus grande sécurité de fonctionnement : suppression des perturbations dues aux tubes capillaires, senseurs et régulateurs plus rapides pour surveiller aussi bien le côté température que le côté pression.

Les vannes de détente électroniques améliorent également les coefficients de puissance grâce à une meilleure surveillance des valeurs d’état permettant une diminution des possibilités de surchauffe et une meilleure utilisation de la surface de l’évaporateur.

Concevoir

Pour connaître les avantages du détendeur électronique par rapport au traditionnel détendeur thermostatique et parcourez le chapitre sur le choix de la régulation.

À l’avenir, le compresseur rotatif – en particulier le compresseur Scroll dans les petites puissances – remplacera progressivement le compresseur à piston (pourtant plus avantageux du point de vue prix), longuement et dûment éprouvé, mais techniquement dépassé. Les compresseurs autorisent une régulation continue de la vitesse, ce qui devrait optimaliser le besoin en énergie, bien que de nombreuses questions restent en suspens (fonctionnement du cycle lors des variations de débit, retour d’huile, influence du variateur de vitesse sur le réseau).

Concevoir

Pour connaître les évolutions en matière de compresseur.

Avec de nouveaux fluides, mélanges azéotropes de 2 composants, on obtiendra de meilleurs coefficients de performance. Des mélanges azéotropes sont des mélanges de liquides ayant la même composition tant dans leur phase liquide que dans leur phase gazeuse, rendant la séparation par distillation impossible. Autrement dit, tous les composants du mélange évoluent et changent de phase de la même façon lors des variations de température et l’on dispose à tout moment d’un fluide homogène.

Améliorer

Pour connaître les évolutions en matière de fluide frigorigène.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Brûleurs gaz

Les différentes technologies de brûleurs gaz sont revues selon un ordre chronologique :

Au départ, on trouve les brûleurs atmosphériques associés aux chaudières atmosphériques au gaz. À l’heure actuelle, on ne conçoit plus de nouvelles installations au départ de cette technologie. En effet, les autres types de brûleurs présentent des avantages majeurs par rapport aux brûleurs atmosphériques. Néanmoins, ceux-ci se rencontrent encore dans des installations existantes. C’est pourquoi ils seront traités ci-dessous.

Plus tard, les brûleurs à air pulsé ont fait leur apparition permettant d’obtenir de meilleures performances énergétiques, essentiellement grâce à un plus grand potentiel de modulation en puissance et un meilleur contrôle de l’excès d’air.

Ultérieurement, les brûleurs à pré-mélange avec ventilateur se sont développés. Ils permettent d’atteindre un plage de modulation plus large que les brûleurs à air pulsé, et ceci, dès les faibles puissances installées. En outre, ils sont moins chers que les brûleurs pulsés.

Néanmoins, pour les niveaux de puissance plus importants (Pn > 1-3 MW), il sera inévitablement nécessaire de travailler avec ces brûleurs à air pulsé (technologiquement, il est difficile d’atteindre ces niveaux de puissance par des chaudières gaz à pré-mélange).

De manière générale, il faut aussi mentionner que le brûleur pulsé et la chaudière sont deux éléments qui peuvent être achetés indépendamment (à partir du moment où l’on respecte les règles de compatibilité entre les deux parties). Par contre, les chaudières atmosphériques et à pré-mélange sont essentiellement des chaudières de type « unit », c’est-à-dire un ensemble indissociable. Par conséquent, les brûleurs pulsés permettent de changer de combustible (gaz/mazout) tout en gardant la même chaudière : seul le brûleur doit être modifié.

Les brûleurs atmosphériques

Les brûleurs atmosphériques sont des brûleurs gaz dans lesquels l’alimentation en air ne se fait pas par un ventilateur. L’air est entraîné dans un venturi par le jet de gaz au niveau d’injecteurs.

Principe de fonctionnement d’un brûleur gaz atmosphérique.

Le rétrécissement dans le tube mélangeur augmente la vitesse du gaz (voir la chambre de mélange dans la figure ci-dessus). Cela crée une dépression qui aspire « naturellement » une partie de l’air comburant (appelée « air primaire ») et le mélange au gaz.

Le mélange air_primaire-gaz débouche au niveau d’une série de trous (circulaires, pentes, …) disposés sur une ou plusieurs rampes.

L’allumage du mélange se fait au moyen d’une veilleuse ou d’un système électrique (étincelle ou électrode incandescente). Le complément d’air nécessaire à la combustion (appelé « air secondaire ») est aspiré au niveau de la flamme par induction due à la force ascensionnelle (c’est-à-dire par convection naturelle).

Electrode incandescente d’allumage d’un brûleur atmosphérique.

Dans ce type de brûleur, le pourcentage d’air primaire varie de 40 à 50 %.

Toutes les parties du brûleur (injecteurs, tube de mélange, rampes, …) doivent être adaptées les unes aux autres pour permettre une combustion stable, sans décrochement et sans retour de flamme. C’est pourquoi les possibilités de réglage sur ce type de brûleur sont nulles.

Le gros avantage des chaudières équipées d’un brûleur atmosphérique (puissance jusqu’à 1 MW) est la simplicité du système. Les gros désavantages sont :

l’absence de fermeture automatique du foyer à l’arrêt du brûleur. Il en résulte des pertes à l’arrêt importantes pour les chaudières ;
l’excès d’air trop important provoquant un mauvais rendement de combustion ;
la manque de modulation (fonctionnement en « tout ou rien »)
une production importante de NO_x.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé

Brûleur gaz à air pulsé

Moteur.
Boîte de contrôle.
Transformateur.
Pressostat mini air (brûleur 1 allure).
Pressostat mini air (brûleur 2 allures).
Electrodes.
Moteur volet d’air.
Electrovanne (2ème allure).
Electrovanne de sécurité.
Pressostat mini gaz.
Electrovanne (1ère allure).
Régulateur de pression.

Le brûleur gaz à air pulsé a pour fonction de fournir, dans des proportions correctes, l’air comburant et le gaz pour permettre une combustion efficace. Le gaz et l’air comburant sont mélangés au niveau de la tête de combustion, un peu en aval de la combustion. Il n’y donc pas véritablement de pré-mélange. L’alimentation en air est assurée par un ventilateur qui puise l’air ambiant de la chaufferie. L’alimentation en gaz est assurée par une électrovanne et des régulateurs de pression.

Principe de fonctionnement d’un brûleur gaz à air pulsé.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : vannes gaz et réglage du débit

Le Champ magnétique créé par le bobinage sous tension attire le noyau mobile qui porte le clapet de fermeture.

Électrovanne hors tension (fermée).

Électrovanne sous tension (ouverte).

Bobinage.
Armature concentrant le champ magnétique.
Noyau mobile.
Clapet de fermeture.
Siège du clapet.
Corps de vanne.
Ressort.
Partie métallique non conductrice de champ magnétique.

La pression d’alimentation de gaz est constante, le réglage du débit nominal se fait, par étranglement, avant l’entrée dans la tête du brûleur :

soit par un « té » de réglage indépendant de la vanne gaz ;
soit par un boisseau incorporé à la vanne gaz ;
soit par un limitateur de déplacement du clapet de la vanne gaz.

Dans les brûleurs à deux allures, les électrovannes sont composées de deux bobinages et de deux noyaux mobiles.

Il existe également des vannes hydrauliques dont le clapet est manœuvré par un piston à huile. L’avantage de ce système est une ouverture plus progressive liée à la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide liée à la pression du ressort plus importante que pour les électrovannes. Un démarrage plus lent peut être obtenu au moyen de deux vannes magnétiques montées en parallèle. Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit le démarrage du brûleur si le clapet n’est pas correctement fermé.

La puissance du brûleur

La puissance « P » du brûleur dépend du débit « q_gaz » de gaz. Celui-ci peut être mesuré au niveau du compteur gaz. En première approximation, en négligeant l’influence de la pression et de la température sur le débit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gaz distribué, on peut déterminer la puissance du brûleur par :

P [kW] = q_gaz [m³/min] x 60 [min/h] x 10 [kWh/m³]

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : l’alimentation en air

L’air nécessaire à la combustion est amené dans le brûleur au moyen d’un ventilateur centrifuge. Ce ventilateur doit assurer le débit d’air nécessaire à la combustion en vainquant la résistance que rencontre l’air jusqu’à la flamme, la résistance que rencontrent la flamme et les fumées dans la chambre de combustion.

Le ventilateur tournant à vitesse constante, un registre d’air permet de régler le débit d’air nominal garantissant une combustion correcte (il faut 10 .. 13 m³ d’air pour brûler 1 m³ de gaz). Ce registre peut être installé à l’aspiration ou au refoulement du ventilateur. Dans le cas d’un brûleur pulsé une allure, la puissance est constante et égale à la puissance nominale. Le débit d’air nécessaire reste égal au au débit d’air nominal réglé par le clapet. Comme on ne doit pas changer de débit d’air, aucun dispositif supplémentaire n’est nécessaire pour modifier celui-ci.

Le réglage manuel du registre d’air d’un brûleur une allure se fait souvent au moyen d’un secteur gradué.

Pour limiter le balayage du foyer de la chaudière lorsque le brûleur est à l’arrêt et donc l’évacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la cheminée (ce que l’on appelle les pertes par balayage), les fabricants prévoient sur les brûleurs une fermeture automatique du registre d’air lorsque le brûleur est à l’arrêt :

soit avec un servo-moteur électrique assurant l’ouverture et la fermeture ;
soit avec un contrepoids (qui peut être le propre poids du registre) ou un ressort. Dans ce cas, la dépression ouvre le registre et le flux d’air le maintient en position ouverte.

Clapet par servomoteur qui assure la fermeture de l’arrivée d’air à l’arrêt.

Dans les brûleurs pulsé 2 allures, il faut adapter le débit d’air aux deux niveaux de puissance. La détermination de la position du registre d’air peut, entre autres, être réglée au moyen de cames dans le cas d’un système de réglage mécanique.

La came bleue commande la fermeture totale à l’arrêt,
la came orange commande l’ouverture en première allure,
la came rouge commande l’ouverture en deuxième allure,
la came noire commande l’ouverture de la vanne gaz de deuxième allure.
Un disque repère situé en bout d’arbre permet de visualiser les différentes positions d’ouverture.

Notons en outre que pour des raisons de sécurité, la pression d’air est contrôlée en permanence avant la tête de combustion par un (brûleur une allure) ou deux pressostats (brûleur 2 allures). En cas de défaut, le coffret de commande stoppe l’alimentation de gaz.

Dans le cas d’un brûleur pulsé modulant, le débit d’air est adapté de manière continue au débit de gaz (suivant le niveau de puissance souhaité). Cela peut se faire par un déplacement continu du registre d’air ou par une régulation basée sur la vitesse du ventilateur.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : la tête de combustion

La tête de combustion du brûleur pulsé est constituée d’un embout ou gueulard qui guide la flamme. Celle-ci est allumée au moyen d’électrodes alimentées en haute tension, créant un arc électrique. La flamme est maintenue en position grâce au déflecteur. En effet, le flux d’air autour de ce dernier crée une dépression qui maintient la flamme en position.

Tête de combustion d’un brûleur gaz (gauche) et déflecteur (droite).

Le réglage de la tête de combustion, c’est-à-dire de la distance entre le déflecteur et l’embout, est essentiel au bon fonctionnement du brûleur en répartissant les débits d’air primaire (passant au centre du déflecteur) et d’air secondaire (passant à la périphérie). Il s’agit d’obtenir une vitesse de mélange air/combustible correcte. Une vitesse trop importante entraîne des difficultés d’allumage et d’accrochage de la flamme. Une vitesse trop lente provoque une combustion oscillatoire. Dans les 2 cas, il y a des risques d’accumulation de gaz dans la chaudière et donc d’explosion.

Les modèles de brûleur gaz à air pulsé se différencient pas la forme de la tête de combustion. On retrouve ainsi des tubes percés de trous ou de fente, des tubes à gaz, des dispositifs tourbillonneurs, des accroche-flammes à fentes ou trous, …

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : dispositif de sécurité

Un contrôle continu de la flamme du brûleur est nécessaire pour arrêter ce dernier immédiatement en cas de défaut :

si la flamme n’apparaît pas quand le combustible est libéré ;
si la flamme disparaît en cours de fonctionnement ;
si une flamme parasite apparaît alors que le brûleur est en phase de démarrage.

De plus, le défaut doit être signalé par une alarme, qui avertit un technicien chargé du dépannage. Le but est d’éviter d’admettre du gaz dans une chaudière sans le brûler. L’allumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer une explosion. Comme élément de détection de la flamme on utilise :

un thermocouple sensible à la chaleur de la flamme (système de détection lent utilisé sur les chaudières atmosphériques de moins de 70 kW ;
un détecteur infrarouge également sensible à la chaleur de la flamme ;
une cellule UV qui émet un signal électrique grâce à l’ionisation d’un gaz contenu dans la cellule, sous l’effet des rayons UV émis par les flammes gaz ;
une sonde d’ionisation. Cette sonde est sensible à la présence d’ions et d’électrons dans toute flamme. Il suffit dès lors d’essayer de faire passer un courant dans la flamme. Si le courant passe, c’est qu’il y a une flamme.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : 1, 2 allures et modulant

On répertorie 4 modes de fonctionnement des brûleurs gaz pulsés :

en tout ou rien ;
en 2 allures ;
en tout ou peu progressivement ;
en modulation.

Brûleur pulsé « tout ou rien » (Pn < 100-150 kW)

On parle de brûleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur, le brûleur s’enclenche, fournit sa pleine puissance, et s’arrête lorsque les besoins sont satisfaits.

Les brûleurs tout ou rien se différencient par leur mode de démarrage : en pleine puissance, à débit limité et à petite allure.

Démarrage à pleine puissance

Ce type de brûleur est utilisé pour les puissances inférieures à 100 .. 120 kW. Lors de la demande de chaleur, le brûleur démarre directement à pleine puissance.

Démarrage à débit limité

Lors d’une demande de chaleur et grâce à un jeu d’électrovannes (2 vannes magnétiques ou bien d’une seule vanne à 2 étages), le brûleur démarre avec une puissance de l’ordre de 75 % et passe à sa pleine puissance après le temps de post-allumage. Cela permet d’atténuer l’onde de choc provoquée par l’allumage du combustible. Comme dans ce type de brûleur, le réglage du registre d’air est manuel, la phase initiale du démarrage se produit avec un excès d’air trop important et donc une combustion médiocre.

Démarrage à petite allure

Ce mode de démarrage repose sur le même principe que dans le cas précédent. Il s’en différencie cependant par la réduction plus importante de la puissance au démarrage. Il s’agit en fait de brûleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas le choix de l’allure en fonction des besoins. Le temps séparant l’allumage du passage à la deuxième allure est fixé (relais programmable).

Brûleur pulsé 2 allures (Pn entre 100-250kW)

En cas de demande de chaleur, le brûleur est enclenché en première allure (qui représente entre 40 et 60 % de la puissance nominale). Après un délai déterminé (relais programmable), le brûleur passe à pleine puissance sauf si le régulateur signale que cette pleine puissance n’est pas nécessaire. Dans ce dernier cas, la première allure est maintenue.

Lorsque le brûleur fonctionne en deuxième allure, il est possible que le régulateur estime que la pleine puissance n’est plus requise et le brûleur repasse en première allure. Si la puissance requise est inférieure à la puissance en allure réduite, le brûleur s’arrête. Dans le cas inverse, il repasse en deuxième allure.

Brûleur gaz 2 allures.

Brûleur gaz modulant.

Le brûleur 2 allures présentent des avantages énergétiques indéniables :

L’adaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de fonctionnement du brûleur et diminue le nombre de cycles d’allumage source d’imbrûlés et d’émissions polluantes.

Les temps d’arrêt de la chaudière et donc les pertes du même nom sont moindres.

La diminution de la puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière augmente le rendement de combustion. En effet, la taille de l’échangeur augmente par rapport à la puissance de la flamme et donc les fumées sortent plus froides de la chaudière. Un gain de rendement de combustion de 2 .. 2,5 % est ainsi possible entre la petite allure (60 % de la puissance nominale) et la grande allure.

Brûleur pulsé « tout ou peu progressif »

Le principe de fonctionnement de ce type de brûleur est semblable à celui d’un brûleur 2 allures. Ce brûleur ne permet que 2 allures. Le passage de la première à la deuxième allure n’est cependant plus brutal, mais progressif (en un temps minimum de 30 secondes).

Si la demande de chaleur est inférieure à la puissance en première allure, le brûleur se met à l’arrêt. Si elle y correspond, le brûleur maintient son fonctionnement en première allure. Si elle en est supérieure, le brûleur passe progressivement en deuxième allure.

Brûleur pulsé modulant (Pn > 150kW)

Avec un brûleur modulant, toutes les allures de fonctionnement sont possibles, au-delà d’un minimum souvent de l’ordre de 30 %. Les débits d’air et de fuel sont réglés en continu en fonction de la puissance de chauffage requise, ce qui permet un fonctionnement quasi continu.

Brûleur gaz modulant.

Les avantages du brûleur modulant sont du même ordre que ceux du brûleur 2 allures. L’adaptation de la puissance est cependant encore plus fine, ce qui limite encore les temps d’arrêt d’un brûleur. La modulation a cependant ses limites. En effet, à basse puissance, le réglage de l’excès d’air devient difficile. C’est pourquoi les brûleurs modulants ne peuvent descendre en dessous d’une puissance de l’ordre de 30 % et à ce moment.

Brûleurs à prémélange (prémix)

Pour éviter les imbrûlés et la production de CO, les brûleurs atmosphériques doivent fonctionner avec un excès d’air important. Il en résulte une production importante de NOx.

L’évolution technologique de ces brûleurs conduit à ce qu’on appelle les brûleurs à prémélange. Dans ces brûleurs, l’air est mélangé au gaz dans une chambre de prémélange, avec ou sans l’aide d’un ventilateur. Dans le cas d’un brûleur à prémélange, le mélange est ensuite réparti sur une surface d’accrochage (par exemple, en treillis métallique) où se développe la flamme. Si tout l’air de combustion est fourni durant le prémélange (air primaire), on parlera de prémélange total tandis que si une fraction doit encore être fournie plus loin en aval (air secondaire), on parlera de prémélange partiel.

Brûleur à prémélange sans ventilateur

Brûleur à prémélange sans ventilateur et sa chaudière.

La technique de prémélange permet d’affiner le dosage entre l’air et le gaz et donc de diminuer l’excès d’air. De plus, la surface d’accrochage peut être étudiée pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur. Il en résulte une augmentation du rendement de combustion et une diminution des émissions polluantes (NO_x).

Flamme d’un brûleur atmosphérique à prémélange, en forme de trèfle.

Brûleur à prémélange avec ventilateur

On pense essentiellement à ce type de brûleur lorsque l’on évoque les chaudières gaz à prémélange. On sous-entend que le brûleur fonctionne avec un ventilateur. La présence du ventilateur permet :

d’améliorer le mélange air/gaz par un meilleur contrôle du débit d’air ;

de vaincre les pertes de charge des brûleurs et des foyers dont l’échange est optimisé (notamment pour les chaudières à condensation) ;

de moduler la puissance du brûleur en faisant varier la vitesse du ventilateur ou en freinant le mélange air/gaz par un clapet. Typiquement, on peut atteindre des plages de modulation continue de puissance qui vont de 20 à 100 % de la puissance nominale. La plage est donc un peu plus large qu’avec les brûleurs à air pulsé.

Principe d’un type de brûleur à prémélange dans une chaudière à condensation. Dans ce cas-ci, le mélange air/combustible se fait en aval du ventilateur. Le clapet de régulation gaz piloté par un régulateur de pression permet d’adapter la quantité de combustible à la quantité d’air pulsée par le ventilateur. Une fois le mélange devenu homogène, la combustion a lieu dans la chambre.

Brûleurs low-NOx

Les derniers développements en matière de brûleur ont principalement visé à diminuer les émissions polluantes comme les imbrûlés, CO, NO_x.

Idéalement lors d’une réaction de combustion, l’azote N₂ contenu dans l’air comburant, est rejeté tel quel sans être modifié. Cependant, sous certaines conditions, il se combine avec l’oxygène pour former des NO_x.

Non seulement ceux-ci peuvent être directement toxiques pour la santé, mais contribuent à la formation d’ozone, de smog et de pluies acides. Ils font également partie des gaz à effet de serre. Leur émission doit donc être réduite au minimum. On peut consulter la législation belge pour les performances minimales à atteindre pour les nouvelles chaudières en termes d’émission de NO_x.

Les paramètres favorisant la production de NO_x sont :

la température élevée de la flamme (supérieure à 1 200 °C) ;
l’excès d’air, c’est-à-dire la présence importante d’oxygène (O₂) n’ayant pas réagi dans les fumées ;
le temps de séjour des atomes d’azote (N) dans la zone chaude de la flamme ;
une concentration plus élevée du combustible en N₂.

Les deux premiers paramètres dépendent de la conception du brûleur, le troisième dépend de la conception de la chaudière.

Evolution de la production de NOx en fonction de la température de la flamme.

Brûleur pulsé « Low-NO_x » par recyclage des gaz

Les technologies appliquées sont semblables pour les brûleurs pulsés gaz ou les brûleurs pulsés fuel.

Pour les brûleurs pulsés (fuel ou gaz), la technique la plus courante pour diminuer les émissions d’oxyde d’azote est le recyclage des gaz de combustion dans la tête du brûleur.

En fait, cela consiste à mélanger une partie des gaz de fumée à l’air comburant, dans le but de :

diminuer la température de la flamme, car même avec plusieurs centaines de degrés, les gaz brûlés sont plus froids que la flamme ;
réduire la concentration en oxygène du mélange ;
favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifier favorablement les conditions de combustion.

La configuration aéraulique pour réaliser cette re-circulation des gaz varie selon les constructeurs. D’une manière générale, c’est l’impulsion de l’air de combustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage : un passage plus étroit au niveau de la tête de combustion provoque une accélération du flux de gaz. Cela génère une dépression et amorce la re-circulation des gaz de combustion.

On peut également encore descendre la température de la flamme en élargissant le front de flamme. Dans ce cas, on recherche ainsi à avoir une flamme en forme d’entonnoir, ce qui augmente sa surface de refroidissement et donc diminue sa température.

Par rapport au brûleur « classique », le brûleur Low-NOx à re-circulation interne des gaz de combustion présente les inconvénients suivants :

La re-circulation demande de l’énergie. La comparaison entre un brûleur à pulvérisation traditionnel et un brûleur Low NOx (le ventilateur et la chambre de combustion étant identiques) montre que la dépression au niveau la tête du brûleur Low NOx réduit la puissance calorique maximale et modifie les caractéristiques intrinsèques du brûleur.

La vitesse d’écoulement élevée suscite des turbulences à hauteur du venturi. Il peut en résulter un accroissement du niveau sonore.

La re-circulation des gaz de combustion dans la tête du brûleur entraîne un encrassement plus rapide des électrodes d’allumage. Un entretien préventif est dès lors nécessaire.

En revanche, un brûleur Low-NOx produit de 20 à 50 % d’émissions NOx en moins qu’un brûleur traditionnel.

Brûleurs Low NOx (ici en version fuel) basés sur le principe de recirculation : la re-circulation s’effectue dans le foyer à hauteur de la tête de combustion. Une zone de dépression aspire à nouveau les gaz de combustion et les mélange à la flamme. La re-circulation peut également être externe.

Brûleurs à prémélange radiants ou rayonnants

Bien que la transition d’un brûleur atmosphérique à un brûleur à prémélange réduit considérablement l’émission de NOx (essentiellement, par un meilleur contrôle de l’excès d’air), les brûleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans l’optimalisation des émissions. Le but est de réduire au maximum la température de la flamme. Si la surface d’accrochage de la flamme est en matériau réfractaire (céramique ou acier inoxydable réfractaire), elle va absorber une partie de la chaleur de réaction et la restituer par rayonnement au foyer. La température de combustion s’en trouve abaissée sous 1 200 °C, ce qui réduit fortement la production d’oxydes d’azote (NO_x< 15 mg/kWh).

Exemple de brûleur radiant :

Une application de cette technologie est le brûleur hémisphérique radiant. Il est composé d’une grille en forme de demi-sphère. La grille est en acier inoxydable spécial réfractaire. Elle rougeoie et recède sa chaleur par rayonnement.

Schéma brûleur hémisphérique radiant.

Brûleur hémisphérique radiant (existe aussi en version plane) : le mélange air-gaz réparti sur la surface de combustion avec une vitesse très faible puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brûleurs atmosphériques traditionnels. Le mélange brûle alors directement, pratiquement sans flamme visible et cède une partie de sa chaleur directement à l’élément réfractaire.

Synthèse sur la modulation en puissance pour les brûleurs gaz

Le potentiel de modulation des différentes approches a été évoqué précédemment. Néanmoins, pour des questions de clarté, ces propriétés sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Puissance nominale	Brûleur gaz atmosphérique	Brûleur gaz à air pulsé	Brûleur gaz à prémélange avec ventilateur
Pn < 100 – 150 kW	Tout ou rien, voire deux allures	Tout ou rien	Modulant (10 – 20 à 100 %).
Pn < 150 – 250 kW		Deux allures
Pn > 150 – 250 kW		Modulant (30 – 100 %)
Pn > ~ 1 MW	Chaudières en cascade		Chaudières en cascade.
Pn > ~ 3 MW	Techniquement trop complexe		Techniquement trop complexe.

On voit que pour les puissances faibles, le brûleur à air pulsé fonctionne en « tout ou rien » alors que le brûleur à prémélange offre déjà une large plage de modulation, de l’ordre de 10-20 % à 100 %. Pour les puissances plus élevées, typiquement au-delà d’~1 MW, il est techniquement difficile de réaliser des chaudières à prémélange. Par conséquent, pour pouvoir augmenter la puissance installée au-dessus de ce seuil, on travaille avec plusieurs chaudières à prémélange en cascade. En outre, ceci va améliorer les capacités de modulation de l’ensemble de l’installation et une meilleure sécurité d’approvisionnement. Néanmoins, au-delà de 3 chaudières montées en cascade, les installations deviennent difficiles à piloter et maintenir. À partir de 3 MW, on ne trouvera donc plus raisonnablement d’installations basées sur des chaudières/brûleurs à prémélange. En fait, les chaudières et brûleurs à air pulsé vont progressivement prendre le relais à partir des installations de 1-3 MW.

Exemple d’évolution du rendement avec la modulation en puissance :

Évolution du rendement de combustion des brûleurs actuels en fonction de la modulation de sa puissance.

Pour les brûleurs pulsés modulants traditionnels (fuel ou gaz) (de 30 à 100 %) : dans un premier temps, lorsque la puissance du brûleur diminue (à partir de 100 % de puissance), la température des fumées diminue et le rendement augmente. À partir d’un certain moment, la diminution de la quantité de particules de combustible et leur dispersion imposent d’augmenter l’excès d’air pour éviter les imbrûlés. Le rendement diminue de nouveau.

Pour les nouveaux brûleurs gaz modulant à prémélange avec ventilateur (de 10 ou 20 à 100 %) : le contrôle de la combustion permet de maintenir un excès d’air correct, sans production d’imbrûlé, sur toute la plage de modulation. On obtient donc une plage de modulation plus grande (~ 10 à 100 %) avec une qualité de combustion constante et des fumées qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver à la condensation).

Pour les brûleurs gaz atmosphérique 2 allures (sans ventilateur) (50 % / 100 %) : l’air de combustion est amené dans la chaudière naturellement. L’excès d’air n’est donc pas contrôlé. Si la puissance du brûleur diminue de moitié, ce n’est pas le cas de la quantité d’air aspirée. L’excès d’air augmente donc et le rendement chute.

Exemple de nouveau brûleur pulsé modulant (10 à 100 %) à prémélange : la modulation se fait, par exemple, grâce à un cylindre coulissant découvrant progressivement la tête de combustion.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Courbe des températures cumulées et visualisation des performances d’un récupérateur

Pour illustrer l’importance des gains énergétiques, il est utile de pouvoir visualiser l’évolution des températures tout au long de l’année. C’est l’intégration de cette évolution des températures qui donne la courbe des fréquences cumulées degrés-heures (D°h), image des besoins en chauffage du bâtiment.

Les degrés-heures représentent la somme cumulée des écarts entre la température extérieure et une température de référence, à chaque heure de la saison de chauffe.

Par exemple pour Uccle et une température de 20°C, c’est l’aire entre l’isotherme 20°C et la courbe de fréquence cumulée des températures extérieures soit 89 248 degrés-heures (Dh).


Courbes représentant la fréquence d’occurrence des températures extérieures, comparée à la température de consigne intérieure.

Le graphe ci-après représente le fonctionnement d’un récupérateur dont le rendement est de 70 %, placé sur de l’air pulsé à 22°C.

Courbe de températures cumulées
illustrant l’énergie économisée par la présence d’un récupérateur
(T° sortie récupérateur = T° ext + ε x (T° int – T° ext), par exemple : 19° = 12° + 0,7 x (22° – 12°)).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique d’une installation de chauffage centralisée

Où part le combustible ? Notion de rendement

L’efficacité énergétique d’une installation de chauffage se traduit par la notion de rendement global d’installation.

Ce rendement représente le pourcentage d’énergie consommée qui est réellement utile au confort des occupants, le complément de consommation servant à compenser les pertes au niveau de la production, de la distribution, de l’émission et de la régulation :

Pertes liées à une installation de chauffage centralisée : cliquez avec le curseur sur les intitulés pour visualiser les différentes pertes.

Ordres de grandeur

Type d’installation	Rendements en % (η_global = η_production x η_distribution x η_émission x η_régulation)
Type d’installation	η_production	η_distribution	η_émission	η_régulation	η_global
Très ancienne chaudière surdimensionnée ou très peu performante, longue boucle de distribution (années 60-70)	75 .. 80 %	80 .. 85 %	90 .. 95 %	85 .. 90 %	46 .. 58 %
Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution	80 .. 85 %	90 .. 95 %	95 %	90 %	62 .. 69 %
Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, … (années 90 et début 2000)	90 .. 93 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	77 .. 82 %
Chaudière mazout à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense	97 .. 98 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	83 .. 87 %
Chaudière gaz à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense	101 .. 103 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	87 .. 91 %

Dans une ancienne installation présentant un rendement global de 50 % (situation extrême), il faut 2 kWh en chaufferie (ou 0,2 litre de fuel, puisque 1 litre de fuel produit 10 kWh) pour 1 kWh utile au confort des occupants.

Dans une installation moderne présentant un rendement global de 90 %, il ne faut plus que 1,1 kWh (ou 0,11 litre de fuel) pour fournir le même kWh.

Ce qui fait pencher le rendement vers 90 %

une nouvelle chaudière qui condense et un nouveau brûleur avec un rendement de combustion voisin de 100 %,
des conduites bien isolées,
un découpage du réseau de tuyauterie conforme aux zones thermiquement homogènes (par façade, par occupation, ..),
la coupure de l’installation en période d’inoccupation,
une régulation locale tenant compte des apports de chaleur gratuits,
…

Ce qui fait pencher le rendement vers 60 %

une chaudière de plus de 25 .. 30 ans, avec un rendement de combustion voisin de 80 %,
une ancienne chaudière gaz atmosphérique,
des conduites en cave non isolées,
des radiateurs logés en alcôve dans un renfoncement du mur extérieur
un circuit hydraulique unique pour tout le bâtiment,
…

Évaluer chacune des pertes

Concrètement, il n’est pas possible de chiffrer le rendement global réel d’une installation de chauffage, certains composants, comme le rendement d’émission ou de régulation ne pouvant être évalués que qualitativement.

Il est cependant possible pour chacune des 4 sources de perte (production, distribution, émission, régulation) d’estimer un potentiel d’amélioration et d’en évaluer l’impact sur la consommation globale.

Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique de la production.
Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique de la distribution.
Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique de l’émission.
Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique de la régulation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Economie réalisée grâce à l’intermittence du chauffage

Image de l’économie : la température intérieure

La consommation d’une installation de chauffage est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de chauffage comme suit :

Schéma consommation de chauffage - 01.

Schéma consommation de chauffage - 02.

Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.

On voit donc que plus la température intérieure chute et plus le temps pendant lequel cette température est basse est important, plus l’économie d’énergie réalisée grâce à l’intermittence est importante.

Paramètres influençant l’économie

Si l’installation est coupée la nuit et le week-end, quelles seront les économies engendrées ? La figure ci-dessous résume les différents paramètres qui influencent le bilan thermique.

L’économie est fonction du degré d’isolation

Plus le bâtiment est isolé, moins la chaleur emmagasinée s’échappera et plus la température intérieure restera stable lors de la coupure du chauffage. L’économie réalisée sera faible.

Au contraire, lorsque le chauffage est coupé dans un bâtiment peu isolé (des façades très vitrées, par exemple, avec des infiltrations d’air importantes)), la température intérieure chute rapidement. C’est dans ce genre de bâtiment « passoire » que le placement d’un régulateur-programmateur sera le plus rentable.

L’économie est fonction de l’inertie de bâtiment

Imaginons un local très lourd, très inerte (anciennes constructions massives) : la température intérieure chutera peu durant la coupure de nuit, car beaucoup de chaleur s’est accumulée dans les murs. Les économies seront faibles… . Par exemple, il ne sert à rien de placer un optimiseur dans un château fort.

Par contre, si le bâtiment est du type préfabriqué, fait de poutrelles et de cloisons légères : dès que le chauffage s’arrêtera, la température chutera. Dans ce cas, la consommation est pratiquement proportionnelle à l’horaire de chauffe. C’est l’exemple de la voiture qui monte rapidement en température dès l’apparition du soleil et qui se refroidit très vite aussi dès que l’on coupe le chauffage.

L’économie est fonction de la durée de coupure

Une coupure d’un week-end est beaucoup plus efficace qu’une coupure nocturne. La coupure sur le temps de midi est sans intérêt.

Économie d’énergie suite à un abaissement nocturne pour différents types de bâtiments en fonction de la durée de l’arrêt de chauffage. Le pourcentage d’économie se rapporte à un chauffage permanent.

Bâtiments de construction légère
Bâtiments de construction lourde

Par exemple, une interruption du chauffage de 12 heures génère 11 % d’économie dans un bâtiment de construction légère (faible inertie thermique). On gagne encore 5% si on coupe 2 heures de plus.

Source : Staefa Control.

L’économie est fonction du sur-dimensionnement de l’installation de chauffage

Si l’installation est très puissante (chaudière et radiateurs surdimensionnés), la relance du matin pourra se faire en dernière minute. Et donc la température intérieure de nuit pourra être plus faible.

Si l’installation est dimensionnée au plus juste, par les plus grands froids, il sera impossible de couper l’installation la nuit, sous peine de ne pouvoir assurer le confort au matin. Aucune économie ne sera possible.

L’économie est fonction du type d’installation de chauffage

Si le chauffage est assuré par un système à air chaud (chauffage très peu inerte), la mise en régime et l’arrêt du chauffage sont immédiats. Si l’installation est réalisée par un système de chauffage par le sol (chauffage très inerte), les temps de réponse seront forts longs et l’intermittence n’est guère envisageable …

Exemple

Exemple.

(Source : « Guide pour la pratique de l’Intermittence du chauffage dans le tertiaire à occupation discontinue », ADEME, 1989)

Trois bâtiments, respectivement de 500 (1 niveau), 2 000 (2 niveaux) et 4 000 m^{² (4 niveaux)} sont chauffés 10 h par jour et 5 jours par semaine.

Le niveau de surpuissance de l’installation de chauffage est assez élevé puisqu’il atteint 2 fois les déperditions (calculées avec un taux de ventilation réduit).

Trois niveaux d’isolation ont été repris :

Peu isolé : simples vitrages, murs non isolés.
Très isolé : doubles vitrages, murs avec 8 cm d’isolant.
Bien isolé : niveau intermédiaire entre les 2 précédents.

Trois modes de coupure sont proposés :

Un abaissement de la température de l’eau de chauffage.
Une coupure totale du chauffage (avec maintien hors gel) par une horloge qui relance l’installation toujours au même moment le matin.
Une coupure totale (avec maintien hors gel) avec une relance optimisée « just in time » !

Économie par rapport au fonctionnement continu
Mode de ralenti	Isolation	500 m^²	2 000 m^²	4 000 m^²
Abaissement de température d’ eau
–	peu isolé	12,5 %	11,4 %	10,8 %
	bien isolé	11,7 %	10,9 %	10,3 %
	très isolé	10,2 %	9,5 %	8,3 %
Coupure (horloge)
faible inertie (150 kg/m²)	peu isolé	37,7 %	31,9 %	29,5 %
	bien isolé	33,8 %	29,6 %	26,6 %
	très isolé	26,5 %	22,6 %	17,0 %
forte inertie (400 kg/m²)	peu isolé	37,5 %	28,0 %	25,0 %
	bien isolé	30,6 %	25,2 %	22,0 %
	très isolé	21,9 %	18,2 %	13,7 %
Optimiseur
faible inertie (150 kg/m²)	peu isolé	38,5 %	33,4 %	31,2 %
	bien isolé	35,0 %	31,4 %	28,7 %
	très isolé	28,6 %	25,1 %	20,1 %
forte inertie (400 kg/m²)	peu isolé	38,2 %	31,2 %	28,6 %
	bien isolé	33,4 %	28,7 %	25,8 %
	très isolé	25,6 %	22,2 %	17,6 %

Température de consigne

Le gain énergétique provient de la diminution des déperditions nocturnes. Et donc, plus la température intérieure descendra, plus l’économie augmentera. Il ne faut pas descendre sous une température de 12°C, parce que :

Cette température correspond au point de rosée de l’ambiance et que des problèmes de condensation pourraient se poser.

Malgré la relance du lundi matin, la température des murs serait trop froide et engendrerait de l’inconfort pour les occupants.

Maintenir 12°C dans le local témoin (où se trouve la sonde de régulation), c’est maintenir l’ensemble du bâtiment hors gel.

Une consigne de 16°C durant la nuit (voire moins) et 14°C durant les week-ends et les périodes scolaires est donc recommandée.

Il faut en outre savoir que cette température de consigne ne sera que rarement atteinte (uniquement en plein hiver), ce du fait de l’inertie thermique du bâtiment qui ralentit la chute de température.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Exemple de calcul d’une pompe de recyclage

Circuit primaire avec boucle ouverte et circulateur ou pompe de recyclage pour assurer un débit et une température minimales au retour de la chaudière.

Données de départ

La pompe de recyclage permet d’obtenir un débit minimal dans la chaudière quel que soit le degré d’ouverture des vannes 3 voies.

La chaudière est en permanence maintenue en température (80 .. 90°C) et la température de retour ne peut jamais descendre en dessous de 55°C (qui est environ la température de rosée des fumées).

A la relance matinale, l’ouverture des vannes mélangeuses est en outre limitée pour garantir cette température de retour minimale.

La perte de charge nominale de la chaudière est de 8 kPa et le débit minimal admissible dans celle-ci est de 50 %.

Caractéristiques pression/débit de la pompe de recyclage

Lorsque les vannes 3 voies sont fermées

Le débit de la pompe = 0,5 x débit nominal de la chaudière, donc la perte de charge à vaincre est de :

8 [kPa] x (0,5)² = 2 [kPa] (règles de similitude)

lorsque les vannes 3 voies sont ouvertes en grand

La hauteur manométrique de la pompe doit être supérieure à la perte de charge nominale de la chaudière pour éviter que le débit s’inverse dans le by-pass. On prend une sécurité de 10 % sur le débit minimal qui peut traverser la pompe. On doit vaincre une perte de charge égale à :

8 [kPa] x (1,1)² = 9,7 [kPa]

La pompe choisie doit donc fournir un débit de 0,5 x débit nominal de la chaudière pour une hauteur manométrique de 2 kPa et un débit de 0,1 x débit nominal de la chaudière pour une hauteur manométrique de 9,7 kPa.

Si les pompes des circuits secondaires sont surdimensionnées

Ce calcul devient caduque si les pompes des circuits secondaires sont surdimensionnées. Par exemple, si le débit maximal puisé par les circuits secondaires est supérieur de 50 % au besoin réel (ce qui est fréquent), la perte de charge créée dans la chaudière lors de l’ouverture de toutes les vannes 3 voies est de :

8 [kPa] x (1,5)² = 18 [kPa]

Dans ce cas, si la pompe de recyclage a été choisie suivant les caractéristiques calculées ci-dessus, le débit s’inversera quand même dans le by-pass. Cela créera un point de mélange entre de l’eau froide et de l’eau chaude à la sortie de la chaudière et la consigne de température ne sera jamais atteinte.

Cela montre toute l’importance du calcul de l’ensemble des débits primaires et secondaires d’une installation de chauffage et de la possibilité de disposer d’organes de réglage de ces derniers.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Estimer le surdimensionnement d’une chaudière

Indice : le temps de fonctionnement annuel

Un indice de surdimensionnement d’une installation est le temps de fonctionnement annuel des chaudières.

On considère souvent qu’une installation correctement dimensionnée doit fonctionner durant 1/3 de la saison de chauffe. Cela signifie que sur les 5 800 … 6 500 heures que dure la saison de chauffe, le brûleur fonctionne à pleine puissance durant 1 500 … 2 000 heures. En dessous de ce chiffre, on considère que l’installation est surdimensionnée d’un facteur :

Facteur de surdimensionnement de la production =
(1 500 … 2 000 [h/an]) / Durée de fonctionnement réelle [h/an]

La valeur « 1 500 … 2 000 h » n’est qu’un ordre de grandeur. En effet, le temps de fonctionnement du brûleur dépend non seulement du surdimensionnement du brûleur, mais aussi du mode d’occupation du bâtiment et de gestion du chauffage (importance des périodes de mise au ralenti), ou encore de la présence d’une production d’eau chaude sanitaire combinée.

On peut connaître le temps de fonctionnement équivalent de l’installation à pleine puissance à partir de la consommation annuelle en combustible.

Sachant que 1 m³ de gaz et 1 litre de fuel équivalent à environ 10 kWh :

Temps de fonctionnement du brûleur [h] =
Consommation [m³/an ou l/an] x 10 [kWh/m³ ou l] / Puissance installation [kW]

La puissance de l’installation dont il est question ici est la puissance maximale de l’installation, c’est-à-dire la puissance maximale du brûleur. Plusieurs cas peuvent se présenter :

Cas 1 : une chaudière au fuel

La puissance du brûleur fuel dépend du calibre du gicleur [gal/h ou kg/h] et de la pression de la pompe [bars] qui définissent le débit de combustible. Ces valeurs sont reprises sur la fiche d’entretien annuel des chaudières. En fonction du type de gicleur (calibré suivant la norme européenne ou suivant la norme américaine), on détermine le débit de fuel suivant une des formules :

où :

q_fuel= débit de fuel
q_gicleur= calibre du gicleur (repris dans la fiche d’entretien)
p = pression de la pompe fuel (reprise dans la fiche d’entretien)

P_brûleur [kW] = q_fuel [litres/h] x 10 [kWh/litre]

Cas 2 : une chaudière au gaz

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur atmosphérique, le débit de gaz ne peut être réglé. Les renseignements sont donc directement repris sur la plaque signalétique de la chaudière :

soit directement sous forme d’une puissance (« charge calorifique » ou « puissance brute ») en [kW],

soit sous forme d’un débit de gaz en [m³/h] qu’il faut multiplier par 10 [kWh/m³] pour obtenir la puissance en [kW].

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur pulsé, il faut relever le compteur gaz pendant la durée de fonctionnement du brûleur et diviser le volume de gaz mesuré par la durée de fonctionnement du brûleur en heure :

Puissance brûleur gaz [kW] =
Consommation gaz [m³] / Temps marche brûleur [h] x 10 [kWh/m³]

Si le temps de fonctionnement du brûleur est trop court pour permettre la mesure, une mesure cumulée sur plusieurs périodes de fonctionnement conviendra.

Cas 3 : Plusieurs chaudières ou brûleurs à 2 allures

Dans le cas d’un brûleur 2 allures, le calcul sera fait sur base de la deuxième allure, c’est-à-dire avec la puissance maximale.

Dans le cas d’une chaufferie composée de plusieurs chaudières, on somme la puissance de chaque chaudière.

Attention, dans le cas d’une puissance totale répartie en plusieurs allures de brûleur et/ou plusieurs chaudières, les conclusions que l’on peut tirer du calcul du nombre d’heures de fonctionnement peuvent varier en fonction du type de régulation appliquée.

Exemple.

Un bâtiment de bureaux consomme 25 000 litres de fuel par an. La régulation est estimée comme performante (ralenti nocturne, guère de surchauffes, …). La chaufferie comprend une chaudière de 400 kW dont un extrait de la fiche d’entretien est repris ici :

Selon cette dernière, la puissance du brûleur est de :

10 [kWh/litre] x 5 [gal/h] x 3,78 [litres/gal] x (19 [bars] / 7 [bars]) ^1/2= 311 [kW]

Le temps de fonctionnement du brûleur à cette puissance est de :

25 000 [litres/an] x 10 [kWh/litre] / 311 [kW] = 804 [heures/an]

On peut donc soupçonner en première analyse que la chaudière a une puissance 2 fois trop élevée.

La puissance spécifique en fonction du degré d’isolation du bâtiment

On peut vérifier le dimensionnement d’une installation de production de chaleur en utilisant le tableau suivant :

Puissance de l’installation de chauffage en [W/m³ chauffé]
V/S	Niveau d’isolation globale du bâtiment K
V/S	K55	K65	K70	K150
0,5	38,3	44,8	48	70,1
1	22,7	26	27,6	49,1
1,5	19,9	22,3	23,4	42,1
2	18,6	20,7	21,8	38,6
3	17,4	19,8	20,9	35,1
4	16,2	17	17,4	33,3

Ici, il ne s’agit pas de calculer précisément le niveau K du bâtiment (cela reviendrait à calculer les déperditions du bâtiment) mais plutôt de choisir un ordre de grandeur sur base des exemples suivants :

K55 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout bâtiment assimilé à du logement construit depuis 1996.
K65 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout immeuble de bureaux ou école construits depuis 1996.
K70 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout bâtiment assimilé à du logement construit entre 1984 et 1996.
K150 = le niveau d’isolation d’un ancien bâtiment non isolé et complètement « passoire ».

V/S = le rapport entre le volume chauffé [m³] et la surface déperditive du bâtiment [m²] (surface des parois entourant le volume chauffé : murs extérieurs, murs en contact avec des locaux non chauffés, plancher inférieur, plafond ou toiture).

Ce tableau a été établi pour un taux de renouvellement d’air du bâtiment de 0,7 vol/h, une température extérieure de base de – 8°C et une température intérieure de consigne de 20 °C.

Calculs

Pour adapter ce tableau à votre propre situation. Le dimensionnement d’une chaudière doit se faire selon la norme décrite ci-dessous.

Exemple.

Bâtiment d’école de 15 x 40 m au sol. Les façades sont composées de simples vitrages et de panneaux légers contenant 4 cm d’isolant. Les murs pignons ne sont pas isolés. Le plancher du rez-de-chaussée repose sur le sol et le plafond du premier étage est en contact avec des combles non occupés en non isolés.

Le volume chauffé « V » est de :

40 [m] x 15 [m] x 5,6 [m] = 3 360 [m³]

La surface déperditive du bâtiment « S » est de :

sol = 15 [m] x 40 [m] (sol) + 15 [m] x 40 [m] (plafond) + 40 [m] x 5,6 [m] x 2 (façades) + 15 [m] x 5,6 [m] x 2 (pignons) = 1 816 [m]

V/S = 1,9

Étant donné le type de bâtiment non isolé, on peut grossièrement estimer le niveau d’isolation globale à : K150

Si l’installation de chauffage a été correctement dimensionnée, la puissance installée doit être voisine de :

38,6 [W/m³], soit 38,6 [W/m³] x 3 360 [m³] = 130 [kW]

Remarquons que l’on est loin des 60 W/m³ utilisés par certains chauffagistes qui ne prennent pas la peine de dimensionner la chaudière suivant la norme !

Le dimensionnement suivant la norme NBN B62-003

Les méthodes ci-dessus ne peuvent être utilisées pour dimensionner réellement une installation. Elles ne peuvent servir qu’à donner un ordre de grandeur de la puissance à installer.

Le dimensionnement d’une nouvelle chaudière doit se faire en calculant les déperditions du bâtiment suivant les normes NBN EN 12831 (2003) et NBN B62 – 003. Pour obtenir un outil pour dimensionner votre chaudière suivant la norme, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’état mécanique du réseau de distribution

Évaluer l'état mécanique du réseau de distribution

Causes de corrosion

Dans des conditions normales d’exploitation, c’est en principe toujours la même eau qui circule dans une installation de chauffage. Il ne faut procéder à un remplissage d’appoint qu’une ou deux fois par année. Dans ce cas, la corrosion intérieure d’une installation est pratiquement négligeable et ne progresse que très lentement.

La principale cause de corrosion sérieuse réside dans un apport prolongé d’oxygène dans le réseau de conduites. Cet apport peut être provoqué par :

Des fuites et donc un remplissage d’appoint fréquent avec de l’eau neuve (contenant de l’oxygène « actif »).

Une dépression localisée dans le réseau, de sorte que de l’air est aspiré par des points inétanches (raccords, purgeurs, …). Il faut en chercher la cause dans un vase d’expansion mal placé ou sous-dimensionné.

Un vase d’expansion défectueux ou sous-dimensionné.

Un ancien vase d’expansion à l’air libre (vase ouvert).

Une autre cause de corrosion peut être la multiplication des types de métaux dans une même installation, comme le mélange de cuivre et d’acier.

Appoint d’eau : un ordre de grandeur

La situation peut être considérée comme anormale et dangereuse pour l’installation si la quantité d’eau ajoutée annuellement dépasse :

1 litre par kW installé

Pour établir ce ratio, il faut évidemment pouvoir chiffrer la quantité d’eau d’appoint, ce qui est quasi impossible sans un compteur d’eau sur l’alimentation de ville.

Contrôle du vase d’expansion

Vase d’expansion à pression variable et à pression constante.

Que se passe-t-il quand un vase d’expansion est trop petit, dégonflé ou encore avec une membrane devenue poreuse ?

Si la membrane se perce, l’eau va remplir l’entièreté du volume du vase d’expansion. A froid, la pression dans l’installation va chuter et le gestionnaire de l’installation aura tendance à remettre de l’eau. Un indice de détérioration du vase : même lorsque la pression est fortement descendue, elle remonte très rapidement dès que l’on ouvre l’arrivée d’eau de ville.

Quand cette eau va chauffer comme plus rien ne pourra reprendre le volume de dilatation de l’eau et, sous la montée en pression, les soupapes de sécurité vont s’ouvrir, rejetant de l’eau (des traces de calcaire et de corrosion au niveau de la soupape est un signe).

Quand l’eau va se refroidir, puisqu’il manque de l’eau, la pression dans l’installation apparaîtra de nouveau trop basse et le gestionnaire rajoutera de nouveau de l’eau. Et ainsi de suite, jusqu’à ce que l’entartrage et la corrosion liés à l’ajout perpétuel d’eau n’attaquent l’installation de façon irréversible.

Comment contrôler un vase d’expansion ?

Un vase d’expansion ne peut jamais être rempli d’eau. Si c’est la cas, l’eau ne dispose plus de volume pour se dilater.

> Contrôle 1 : Un vase doit sonner « creux » lorsqu’on le frappe du côté « air ».

Vase d’expansion à membrane ou à vessie.

> Contrôle 2 : si la pression statique de l’installation diminue et que très peu d’eau suffit pour augmenter brusquement la pression, il y de forte chance que la membrane du vase soit déchirée ou poreuse.

> Contrôle 3 : une pression de gonflage trop faible peut mettre en dépression certaines parties du réseau et provoquer des entrées d’air parasites. Or, il faut savoir qu’un vase d’expansion à pression variable, se dégonfle avec le temps (c’est comme un pneu de voiture). Il faut donc vérifier régulièrement sa pression de gonflage. Pour cela, il faut isoler le vase, le vidanger, vérifier sa pression à vide et le regonfler si nécessaire (un vase d’expansion dispose d’une pipette semblable à celles des roues de voiture).

La pression à respecter doit être égale à :

P_gon[bar] = (h [m] / 10) + 0,3 [bar],

* avec un minimum à respecter de 0,5 bar

où,

h est la différence de hauteur [m] entre le vase d’expansion considéré comme étant au point le plus bas de l’installation et le point le plus haut de l’installation.

> Contrôle 4 : le dimensionnement correct du vase d’expansion est primordial. Cela comprend le choix de son volume, mais également de sa pression de gonflage et de remplissage. Il peut donc être utile, en cas de doute de contrôler le dimensionnement du vase.
Cliquez ici, pour en savoir plus sur :

Concevoir

Le choix, l’emplacement et le dimensionnement correct du vase d’expansion.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Remplacer la ou les chaudières

Surdimensionnement des installations

La plupart des installations existantes de chauffage sont surdimensionnées tant au niveau de la production que de la distribution et de l’émission. Remplacer l’entièreté ou une partie de la production pour raison de sécurité d’approvisionnement (chaudière(s) en fin de vie) ou pour raison énergétique, environnementale et économique ne peut s’envisager que si une réévaluation de la puissance de production est réalisée. En rénovation, il est aberrant de choisir la puissance de la nouvelle chaudière :

en reprenant aveuglément la puissance de la chaudière existante,
ou en sommant la puissance des radiateurs existants,
ou en appliquant une proportionnelle au volume du bâtiment, du type 60 W/m³.

Ces différentes règles sont pourtant couramment utilisées par les installateurs. Elles conduisent à des surdimensionnements inadmissibles pour des nouvelles installations. En effet :

les radiateurs sont presque toujours surdimensionnés,
c’est la surface déperditive du bâtiment qui définit les besoins de chaleur, et pas uniquement le volume chauffé,
60 W/m³ est une puissance nettement supérieure à la réalité,
par expérience, on a pu constater que les anciennes chaudières sont presque toujours surdimensionnées,
les bâtiments anciens ont souvent fait l’objet d’améliorations énergétiques (doubles vitrages, isolation de toiture, …), ce qui diminue leurs besoins par rapport à l’installation d’origine ;
les chaudières actuelles ont de nettement meilleurs rendements ;
…

Donc, dans le cadre d’une rénovation, la plupart des installateurs ou des bureaux d’études devraient se baser sur les paramètres suivants pour évaluer la puissance de la ou des nouvelles chaudières :

Consommations énergétiques annuelles par rapport à la puissance de chauffe installée. En partant du principe que la puissance du brûleur est adaptée à celle de la chaudière, le rapport suivant donne une idée du surdimensionnement de l’installation de chauffage : Consommation annuelle (kWh) / Puissance installée (kW). Une valeur de 1500 heures est une valeur couramment rencontrée ;
Une rapide évaluation du niveau de déperdition du bâtiment selon la méthode de calcul issue de la norme NBN EN 12831 : 2003 (Systèmes de chauffage dans les bâtiments : « Méthode de calcul des déperditions calorifiques de base » (remplace partiellement NBN B 62-003)) ;
Le relevé du nombre de radiateurs et l’évaluation de leur puissance peut donner une indication du surdimensionnement en recoupant la puissance obtenue par rapport à la puissance obtenue par le calcul selon la norme NBN EN 12831 : 2003.

Il y a lieu toutefois de relativiser ce surdimensionnement, car les chaudières à condensation modernes ont très peu de pertes à l’arrêt, et surtout disposent d’une très grande plage de modulation, ce qui leur permet de fonctionner à régime variable en fonction de la demande, et ce qui leur confère donc un meilleur rendement que si elles sont amenées à fonctionner sans cesse à pleine charge !

Économie réalisable

Il est difficile, voire impossible de prévoir la fin de la vie d’une chaudière. Mieux vaut programmer son remplacement par souci d’économie d’énergie ou dans le cadre du programme d’investissement lié à la maintenance du bâtiment.

L’intérêt énergétique du remplacement complet d’une chaudière (si elle est seule) ou de l’ensemble des chaudières dépend de la situation de départ et des améliorations que l’on a déjà pu pratiquer.

Pour illustrer cela, reprenons un exemple que l’on peut adapter à sa propre situation grâce aux programmes ci-dessous

Calculs	sur base du climat moyen de Uccle.
Calculs	sur base du climat moyen de St Hubert.

Exemple : dans un immeuble de bureaux

> Situation de départ :

2 chaudières de 600 kW de 1978, soit 1 200 kW installés pour un besoin réel maximal de 600 kW
fonctionnement en parallèle des chaudières
pertes à l’arrêt des chaudières : 2 % (0,5 % vers l’ambiance, 1,5 % par balayage)
rendement de combustion : 86,6 %
rendement saisonnier de production calculé : 79 %
consommation annuelle : 155 000 litres de fuel par an

> Situation projetée :

2 chaudières de 360 kW avec brûleur 2 allures
fonctionnement en cascade des chaudières
pertes à l’arrêt des chaudières : 0,2 %
rendement de combustion : 94 % en 1ère allure et 92 % en deuxième
rendement saisonnier de production calculé : 93 %
consommation annuelle : 155 000 [litres/an] x 79 [%] / 93 [%] = 132 000 [litres/an]
gain énergétique : 23 000 [litres/an] (soit 15 %)
gain financier (à 0,8 €/litre en 2012) : 18 400 [€/an]

Si par rapport à la situation de départ, on pratique des améliorations partielles de l’installation, le gain énergétique relatif dû au remplacement de la chaudière elle-même diminue. Voici l’évolution du rendement saisonnier avec les différentes améliorations que l’on peut imaginer :

Évolution du rendement saisonnier de l’installation et gains successifs que l’on peut espérer en améliorant les chaudières existantes et finalement en les remplaçant. On estime que le placement d’un nouveau brûleur supprimera les pertes par balayage et portera le rendement utile de l’installation à 88 %.

Rénovation plus globale

Le remplacement des chaudières est une opération importante. Idéalement, elle doit être l’occasion de repenser l’entièreté de l’installation de production et l’installation de régulation. Par exemple, il n’est pas cohérent de remplacer la chaudière existante par la même chaudière en plus moderne, mais en conservant le même surdimensionnement ou la même régulation sommaire.

Exemple 2

Réagir en situation d’urgence

Dans une école, une chaudière rend l’âme. C’est la panique !

En urgence, un devis est demandé au chauffagiste habituel. Celui-ci, sentant vraisemblablement la bonne affaire, propose une chaudière qui bizarrement est plus puissante que la précédente, alors qu’il est fort à parier que l’ancienne installation était déjà elle-même fortement surdimensionnée.

La régulation n’est évidemment pas modifiée et la nouvelle chaudière sera à nouveau maintenue sur son aquastat sans autre régulation.

Ce genre de situation est courante et montre l’importance d’étudier le remplacement des chaudières avant leur détérioration complète : redimensionnement, révision de la régulation, choix du type de la nouvelle chaudière, …

Ce plan de rénovation étant prêt, on peut répondre rapidement à une situation d’urgence, tout en optimalisant le choix de la nouvelle installation.

Comparer des devis

Un responsable technique demande, à 3 installateurs, un devis pour le remplacement de sa chaudière.

Il reçoit en retour 3 prix tout à fait différents avec une simple mention : « placement d’une chaudière de X kW, avec son brûleur et sa régulation ».

Comment choisir ? Faut-il prendre le moins cher ? D’où viennent les différences ? Tiens, le « X kW » est différent dans chaque devis ?

En fait, les 3 propositions ne sont pas comparables. Certains chauffagistes comptent remplacer l’existant par une installation ayant exactement les mêmes fonctionnalités. D’autres proposent une installation dont la puissance est judicieusement revue à la baisse et dont la régulation répond aux standards de performance actuels.

Il est évident que cette dernière solution est de loin préférable si on veut optimaliser l’économie d’énergie réalisable.

À partir du moment où plusieurs centaines de milliers d’ € sont budgétisés pour remplacer des chaudières, autant optimaliser la dépense en réétudiant l’installation dans sa globalité, certaines adaptations étant même une obligation. Cela sous-entend :

Concevoir

le choix du combustible (gaz ou fuel),
le choix des nouvelles chaudières (intérêt de placer une chaudière à condensation, …),
le redimensionnement des chaudières,
la régulation des chaudières et aussi la régulation des circuits de distribution (et la coordination de celles-ci entre elles),
l’adaptation de la cheminée,
la mise en conformité de la chaufferie,
….

Il est également important d’examiner l’état du réseau hydraulique au moment du remplacement. En effet, il arrive que des chaudières neuves montées sur d’anciennes installations subissent au cours des premiers mois de fonctionnement, un embouage important, pouvant provoquer une détérioration irrémédiable. Dans le même ordre d’idée, la qualité de l’eau aura aussi toute son importance.

Évaluer

Évaluer les causes de rupture d’une chaudière.

Les analyses faites sur ces boues montrent que celles-ci sont dues au décollement et au déplacement, lors du remplissage, des boues qui se sont accumulées au fil des ans dans les circuits.

Au minimum, il faut rincer l’installation avant mise en route pour éliminer les résidus (soudure, graisse, filasse, sable, …) issus de la réalisation. De plus, si l’installation présente des traces importantes de corrosion interne, il est important de procéder à un désembouage complet : un système de désembouage (séparateur de boue) doit permettre de capter les boues avant leur entrée dans la chaudière. En complément, l’emploi de réactifs visant à disperser les boues et à faciliter leur capture peut s’avérer intéressant.

Remplacer une chaudière percée

Attention, la rupture d’une chaudière provient rarement d’un défaut de fabrication, mais plutôt d’une mauvaise exploitation :

condensations ou choc thermique dues à une régulation inadaptée,
défaut d’irrigation par embouage,
défaut d’irrigation par mauvaise conception du circuit de distribution,
…

Il est donc impératif d’éliminer la cause de rupture avant de procéder au remplacement, sous peine de voir la nouvelle chaudière subir, rapidement, les mêmes dommages que la précédente.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les causes de rupture d’une chaudière.

Remplacer une chaudière d’un ensemble de chaudières de puissance moyenne

À l’heure actuelle, lorsqu’une chaudière traditionnelle dans un ensemble de chaudières doit être remplacée quelle qu’en soit la raison, on privilégiera une chaudière à condensation. D’une part, la technologie des chaudières à condensation est au point par rapport à tous les problèmes de corrosion liée à l’agressivité des condensats dans l’échangeur de la chaudière, d’autre part, le prix a sensiblement diminué.

D’un point de vue énergétique, on ne présente plus l’intérêt de la chaudière à condensation. L’objectif du remplacement d’une chaudière classique par une chaudière à condensation est donc bien de privilégier le fonctionnement de cette dernière pendant un maximum de temps. Dans cette configuration, la chaudière classique n’a plus qu’un rôle d’appoint en période froide lorsque la puissance de la chaudière à condensation n’est plus suffisante ou de « backup ».

Le remplacement d’une chaudière classique par une chaudière à condensation ne se fait pas en un coup de baguette magique ! Il est nécessaire la plupart du temps :

D’adapter l’hydraulique de l’installation tant au niveau de la production que de la distribution ;
De prévoir une régulation capable de concilier le fonctionnement de l’ensemble des chaudières.

Revoir la puissance de chaudière à la baisse

Comme développé ci-avant le surdimensionnement des anciennes chaudières est un fait avéré. Indépendamment du surdimensionnement « naturel » de la plupart des installations de chauffage, le projet de rénovation d’une partie de la chaufferie implique une réévaluation des besoins thermiques du bâtiment. En effet, différentes mesures de réduction des besoins ont pu être prises comme :

L’isolation partielle ou totale de l’enveloppe du bâtiment (remplacement des simples vitrages par des vitrages à basse émissivité isolation de la toiture, des murs, …) ;
Des actions URE sur des équipements comme la ventilation hygiénique par exemple.

Cette réévaluation peut être réalisée :

De manière simple, mais avec une bonne approximation, comme le calcul statique des déperditions (calcul du U*S*ΔT) ;
De manière plus sophistiquée, mais plus précise au moyen d’une simulation thermique dynamique déterminant les besoins de chaleur heure par heure tout au long de l’année.

Dans les deux cas, il est conseillé de faire appel à un bureau d’étude spécialisé en technique spéciale.

Si la rénovation se réalise sur des chaudières de faible puissance, faire appel à un bureau d’étude se justifie difficilement au niveau financier. Il n’empêche, c’est dans votre intérêt de sensibiliser l’installateur par rapport à ce surdimensionnement.

Une règle d’or : signalez-lui toutes les améliorations qui ont été réalisées sur l’enveloppe du bâtiment au cours des années ! C’est vous qui connaissez le mieux le bâtiment !

L’exemple ci-dessous montre qu’énergétiquement et financièrement parlant, le remplacement d’une chaudière classique à brûleur pulsé par une chaudière à condensation à brûleur modulant est intéressant.

Exemple 3 : dans un immeuble de bureaux, on décide de remplacer une des deux chaudières de 600 kW par une chaudière gaz à condensation en intégrant la notion de surdimensionnement :

> Situation de départ :

2 chaudières à brûleur à air pulsé (2 allures) de 600 kW de 1983, soit 1 200 kW installés pour un besoin réel maximal de 600 kW
fonctionnement en parallèle des chaudières
pertes à l’arrêt des chaudières : 0.2 %
rendement de combustion : 94 % en 1ère allure et 92 % en deuxième
rendement saisonnier de production calculé : 92.3 %
consommation annuelle : 155 000 litres de fuel par an

> Situation projetée :

1 chaudière existante est conservée
1 chaudière à condensation de 360 kW avec brûleur modulant
fonctionnement en cascade des chaudières
pertes à l’arrêt des chaudières : 0,2 %
rendement de combustion de la chaudière conservée : 94 % en 1ère allure et 92 % en deuxième
rendement de combustion de la chaudière à condensation : 108 % à 60 % de taux de charge et 106 % à 100 % de taux de charge
rendement saisonnier de production calculé : 105.6 %
consommation annuelle : 155 000 [litres/an] x 92.3 [%] / 105.6 [%] = 135 478 [litres/an]
gain énergétique : 19 521 [litres/an] (soit 15 %)
gain financier (à 0,8 €/litre en 2012) : 15 619 [€/an]

Adapter l’hydraulique de l’installation

Cas de chaufferie avec ECS préparée séparément

L’insertion d’une chaudière à condensation dans un ensemble composé de plusieurs chaudières de technologie ancienne risque immanquablement de perturber le fonctionnement des autres chaudières et des circuits secondaires.

À moins de remplacer à l’identique (déconseillé), ce n’est que trop rarement du « plug and go » ! Hydrauliquement parlant, il faut donc être très prudent et, en règle générale, faire appel à un bureau d’étude spécialisé.

Quel que soit le cas envisagé, l’objectif de l’adaptation du circuit hydraulique sera toujours le même : ramener de l’eau la plus froide possible au niveau de la chaudière à condensation !

Indépendamment de l’hydraulique, il est obligatoire, pour arriver à optimiser l’installation, de passer à une régulation de température de sortie chaudière GLISSANTE et variable en fonction de la demande et/ou de la température extérieure ! Il n’y a plus de limite inférieure puisque la chaudière est à condensation. La distribution de chaleur à température plus modérée améliore également les pertes de distribution !

De nombreuses installations existantes sont équipées :

soit d’un bouclage à l’extrémité du collecteur entre le départ et le retour (boucle A-B) ;
soit d’une bouteille casse-pression.

Collecteur bouclé et bouteille casse-pression.

Dans le cas d’un bouclage, celui-ci permet un retour chaud au niveau des chaudières. Ce bouclage est indispensable :

pour assurer la non-condensation des chaudières classiques ;
pour éviter les pompages des vannes-mélangeuses des circuits secondaires.

Lorsqu’on envisage de remplacer une des chaudières classiques par une chaudière à condensation, il est indispensable :

de maintenir une température de retour au-dessus de la température de condensation dans la chaudière existante ;
de continuer à garantir un équilibre hydraulique entre les circuits primaires et secondaires d’une part et, d’autre part, les circuits secondaires entre eux ;
de favoriser un retour froid au niveau de la chaudière à condensation.

Bref, on peut parler d’un casse-tête … belge ! Mais comme nous sommes les champions du compromis, il existe des solutions capables de répondre aux différentes exigences tout en garantissant le respect des exigences de fonctionnement de chaque équipement.

Dans ce qui suit, une méthode de modification de l’installation est proposée. Ce n’est certes pas la seule, mais elle permet de rassembler pratiquement tous les impératifs liés au fonctionnement conjoint d’une association de chaudières de générations différentes avec un circuit hydraulique existant. On notera toutefois qu’il est toujours nécessaire de vérifier l’implémentation hydraulique chez le fabricant.

Étape 1 : enlèvement du bouclage

Le bouclage n’est pas favorable au retour froid vers la chaudière à condensation. Par contre, le fait de vouloir le supprimer comme dans un collecteur ouvert risque de perturber l’équilibre hydraulique entre le circuit primaire et les circuits secondaires,

Bouclage enlevé.

Étape 2 : placement d’une bouteille casse-pression

Le placement d’une bouteille casse-pression évite les perturbations hydrauliques, mais ne garantit pas, quelle que soit la demande des circuits secondaires :

Un retour chaud pour l’ancienne chaudière ;
Un retour froid pour favoriser la condensation de la nouvelle chaudière ;
Un débit contrôlé dans chaque chaudière, dû au fait que le débit de la pompe primaire est fixe.

Placement d’une bouteille casse-pression : variante 1 et 2.

Étape 3 : individualisation des débits des chaudières

Le remplacement de la pompe primaire unique par une pompe individuelle à débit variable au niveau de chaque chaudière permet de les irriguer de manière totalement autonome vu que leur technologie est rarement la même (ancienne chaudière à grand volume d’eau ⇐⇒ nouvelle chaudière à faible volume d’eau). Le bouclage sur la chaudière existante permet d’assurer, quelle que soit la température de retour primaire à la sortie de la bouteille casse-pression la température minimale nécessaire à la non-condensation des fumées de combustion nécessaire à cette technologie de chaudière.

Individualisation des débits des pompes : variante 1 et 2

Cette configuration de l’hydraulique de la chaufferie est suffisante pour garantir la pérennité de l’installation, mais ne garantit toujours pas le contrôle de la température de retour à la sortie de la bouteille casse-pression.

Étape 4 : adaptation de la régulation

Une manière intéressante de garantir une température de retour froide à la sortie de la bouteille casse-pression est d’adapter en permanence les débits des pompes primaires de manière à respecter à tout moment la règle suivante : débit primaire Qp < débit secondaire Qs.

Lorsque le débit primaire < débit secondaire de la bouteille casse-pression, le retour côté primaire reste froid et garantit au niveau de la chaudière à condensation un retour froid. Cette disposition implique que la régulation de cascade des chaudières soit adaptée. Une manière d’y arriver est de contrôler la différence de température comme le propose la figure suivante : on régule le débit de la chaudière à condensation pour une maintenir une différence de température entre l’entrée côté primaire (Tp) et la sortie côté secondaire (Ts) de la bouteille casse-pression de l’ordre de 2°C. (Tp > Ts). Lorsque l’écart de température augmente, il faut augmenter le débit de la pompe de circulation de la chaudière, et inversement).

Adaptation de la régulation : variante 1 et 2.

Lorsque la demande de chaleur diminue, les vannes 3 voies ont tendance à se fermer et, par conséquent, le débit secondaire à diminuer, la température Ts augmente. Sans changer le débit de la pompe primaire de la chaudière à condensation, l’écart entre les températures Tp et Ts diminue. La régulation prévoira de diminuer le débit primaire de manière à respecter la loi selon laquelle le débit primaire < débit secondaire ;
À l’inverse, lorsque la demande de chaleur augmente, l’écart entre Tp et Ts augmente, nécessitant d’augmenter le débit de la pompe de la chaudière à condensation pour ramener cet écart à 2°C.

Cas où l’ECS est combinée avec le chauffage

Le remplacement d’une chaudière classique par une chaudière à condensation dans un ensemble de chaudières qui alimente à la fois des circuits statiques, des batteries chaudes de centrales de traitement d’air (CTA) et de l’ECS risquent de poser un problème si on n’y prend pas garde ! En réalité, tout est conditionné par le profil de besoin de chaleur :

> Une école, un immeuble de bureaux ont des consommations d’ECS généralement faibles et discontinues. L’adaptation de l’hydraulique peut être envisagée comme présenté ci-dessous. Pendant la production d’ECS, la chaudière à condensation ne travaillera pas dans des conditions optimales. Mais cette période est brève, ou la quantité de chaleur est faible.

Consommation faible d’ECS.

> Un hôpital, un hôtel, un magasin alimentaire, … ont un besoin d’ECS qui peut être important et relativement continu. Dans ce cas, l’exploitation optimale de la condensation de la chaudière devient difficile en considérant le schéma hydraulique envisagé jusqu’à maintenant. Une solution réside dans le choix d’une chaudière à condensation à un seul retour et à un surdimensionnement de l’échangeur de production ECS pour avoir des retour ECS les plus froids possible !! D’autre part, il y a lieu d’envisager dans ce cas de séparer la production ECS du chauffage !

Consommation faible d’ECS.

Adapter les régimes de température

Lors d’une rénovation de la chaufferie, le réglage des courbes de chauffe d’une installation de chauffage est naturellement dépendante de la performance énergétique de l’enveloppe du bâtiment :

> Sans changement de la performance de l’enveloppe, le besoin de chaleur reste le même et les régimes de température des circuits secondaires restent inchangés Le remplacement d’une chaudière classique par une chaudière à condensation risque d’être moins intéressant. Cependant, comme le montre le graphique suivant, pour un régime de température classique dans des bâtiments peu isolés de 90/70°C (100 % de charge) et sachant que, durant 75 % du temps de la saison de chauffe, les besoins en puissance de chauffage se situe en dessous de 60%, les températures de retour vers la production de chaleur sont sous 55°C ; ce qui implique qu’une nouvelle chaudière sur un tel circuit condense théoriquement pendant 75 % de la période de chauffe. Il est donc intéressant d’envisager la chaudière à condensation même sans ambition d’amélioration de la performance de l’enveloppe du bâtiment.

Courbe de chauffe : régime 90-70°C.

> En changeant la performance de l’enveloppe (remplacement des châssis vitrés, isolation des parois, placement d’un récupérateur de chaleur sur une ventilation hygiénique à double flux, …), le besoin de chaleur doit être revu à la baisse. Il n’est plus nécessaire de maintenir un régime de température de 90/70°C. Un régime de 80/60°C voire 70/50°C est plus approprié. En analysant le graphique ci-dessous, on constate que la plupart du temps la chaudière à condensation condense. Attention toutefois de ne pas trop réduire le régime de température sous peine de voir la chaudière traditionnelle condenser lorsqu’elle fournit un faible appoint à la chaudière à condensation. On « pourrait » observer ce phénomène lorsque les températures externes sont aux alentours des 0°C.

Courbe de chauffe : régime 90-70°C.

Adapter le conduit de cheminée

Vu que les températures de fumée à la sortie de la chaudière à condensation sont plus basses, le risque de condensation résiduelle dans la cheminée risque de la détériorer. Le coût du gainage du conduit de cheminée devra être pris en compte dans l’étude. Suivant la configuration de la chaufferie il peut être non négligeable.

Et les autres chaudières ?

Quand la décision est prise de remplacer une chaudière, il faut s’attendre à devoir investir dans le remplacement de la ou des autres chaudières composant l’ensemble. Si le remplacement de la première chaudière intervient suite :

À la vétusté de la chaudière, il est clair que la ou les autres chaudières risquent d’être dans le même état. Il s’ensuit qu’il sera nécessaire à terme de prévoir financièrement le remplacement de la ou des chaudières restantes.
À une étude énergétique et financière favorable, le remplacement de la ou des autres chaudières peut être envisagé de manière plus posée et sereine. On l’envisagera plutôt dans le cadre de l’utilisation rationnelle de l’énergie.

Traiter les condensats

En régime permanent, une chaudière gaz à condensation de 250 kW produit en moyenne environ 37.5 litres/h de condensats.

Ces condensats sont légèrement acides (H2O + CO₂). Le degré d’acidité est du même ordre de grandeur que celui de l’eau de pluie (pH : 3,8 .. 5,2). De plus l’acidité de ceux-ci est souvent compensée par le caractère plutôt basique des eaux d’entretien ménager. Ceci explique qu’il ne soit pas obligatoire de traiter les condensats avant leur évacuation à l’égout. Il sera fortement conseillé dans les grandes chaufferies de traiter quand même ces condensats en raison de leur importance relative par rapport au volume d’eau usée globalement traitée.

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.

Pour une chaudière à mazout à condensation, la neutralisation des condensats est obligatoire (ph 2,5, pratiquement de l’acide sulfurique…).

Remplacer une chaudière d’un ensemble de chaudières de grande puissance

Les chaudières à condensation de grande puissance (> 1 000 kW), à l’heure actuelle, ne sont pas courantes. Suivant les besoins, on envisagera des configurations différentes :

> On prévoit d’éliminer une des chaudières en fin de vie ! On remplacera avantageusement la chaudière existante par une chaudière HR équipée d’un condenseur externe. La chaudière existante restante pourrait être équipée d’un échangeur à condensation.

> On veut améliorer la performance énergétique de la chaufferie en tenant compte du bon état des chaudières existantes. Le simple placement d’un condenseur externe par chaudière sera très intéressant. Attention toutefois que l’on devra revoir le fonctionnement du brûleur (voire le remplacer) sachant que la résistance au passage des fumées augmente. Il est donc nécessaire, avant d’entreprendre ce genre d’adaptation, de se renseigner chez le fabricant.

Condenseur séparé.

Revoir la puissance de chaudière à la baisse

Le principe de diminution de la puissance de la chaudière HR est le même que celui appliqué pour la chaudière à condensation.

Dimensionner la puissance du condenseur séparé

Vu que le condenseur séparé se place à la sortie du conduit des fumées de la chaudière, il ne récupère que théoriquement 11 % de la chaleur de combustion (chaleur contenue dans la vapeur d’eau). Dès lors, le condenseur séparé sera dimensionné sur une base de l’ordre de 11 % de la puissance de la chaudière sur laquelle il est placé.

Adapter l’hydraulique de l’installation

Remplacement d’une seule chaudière HR équipée d’un condenseur

L’insertion d’une chaudière HR et de son condenseur externe dans un ensemble composé de plusieurs chaudières de technologie dépend de la technologie développée par le constructeur.

Le schéma ci-dessous donne un exemple de placement d’une chaudière de puissance importante de type HR avec un condenseur séparé :

Insertion d’une chaudière HR et d’un condenseur externe.

Pour ce type de chaudière à grand volume d’eau, la bouteille casse-pression est moins indispensable que dans le cas des chaudières à faible volume d’eau. Les pertes de charge y sont moins importantes et, par conséquent, les problèmes de déséquilibre hydraulique sont réduits. Une partie du débit de retour du collecteur de distribution est dévié vers le condenseur séparé (à raison de 10 % du débit total de retour). Afin d’éviter un retour froid au niveau de la chaudière HR, un « bypass » a été placé pour réchauffer le retour vers la chaudière avec une partie du débit de sortie de la chaudière.

Placement de condenseurs séparés sur les chaudières existantes

Dans l’optique de conserver les chaudières existantes (état correct lors de l’entretien annuel), l’adjonction d’un condenseur séparé sur chaque chaudière permettra de valoriser un maximum d’énergie avec comme objectif de s’approcher des 10 % théoriques d’énergie contenue dans la vapeur d’eau des fumées de combustion. Dans cette configuration, la chaudière existante devra être équipée d’un « bypass » lui assurant une température minimum de retour.

Insertion de 2 chaudières HR et leur condenseur externe.

Adapter les régimes de température

Le même principe que pour les chaudières de puissance moyenne peut être adopté, à savoir :

Lorsqu’on ne réduit pas les besoins thermiques du bâtiment, le régime de température (courbes de chauffe) reste inchangé. Tout comme la chaudière à condensation, on peut espérer que le condenseur séparé condensera 75 % du temps de la saison de chauffe lorsque le régime de température est 90/70 °C ;
En cas de réduction des besoins thermiques du bâtiment, on peut se permettre de revoir à la baisse le régime de température. On passera à un régime 80/60 °C pour des bâtiments de performance énergétique moyenne et 70/50 °C pour des bâtiments basse énergie.

Adapter le conduit de cheminée

Sur le même principe que les chaudières à condensation, à la sortie des condenseurs séparés, les températures de fumée sont plus basses. Le risque de condensation résiduelle dans la cheminée risque de la détériorer. Le coût du gainage du conduit de cheminée devra être pris en compte dans l’étude. Suivant la configuration de la chaufferie il peut être non négligeable.

Traiter les condensats

Tout comme les chaudières à condensations, les condensats du condenseur externe peuvent être évacués à l’égout.

Cependant, dans le cas de grosse unité de condensation, le traitement des condensats est conseillé.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir les auxiliaires de distribution

Choix des circulateurs

Point de fonctionnement et choix du circulateur

Le choix du circulateur est le rôle de l’auteur de projet (le bureau d’études) et fait suite au calcul des déperditions du bâtiment et des pertes de charge du réseau de distribution.

Concevoir

Pour en savoir plus sur les critères de dimensionnement du réseau de distribution et des circulateurs, cliquez ici !

Le circulateur sera choisi pour que son point de fonctionnement soit dans la zone de rendement maximal. Malheureusement, pour les petits et moyens circulateurs, les courbes de rendement ne se retrouvent pas dans la documentation des fabricants. Dès lors, il faut retenir que la zone de rendement maximal se situe généralement au milieu de la courbe caractéristique du circulateur (entre le 1er et le 2ème tiers de la courbe caractéristique).

Zone de rendement maximal d’un circulateur à 3 vitesses.

Dans le choix, il faudra tenir compte de la présence de vannes thermostatiques ou de vannes de réglage à 2 voies (par exemple sur des ventilos-convecteurs).

Courbes caractéristiques d’un circulateur et d’un circuit de distribution.
Lorsque les vannes thermostatiques se ferment le point de fonctionnement passe de A à B.
Le rendement du circulateur reste au voisinage de son maximum.

Notons que le cahier des charges type 105 de la régie des bâtiments impose aux grosses pompes un rendement minimal (par ailleurs élevé par rapport au matériel disponible sur le marché)&nbs

Puissance utile (P_ut)	Rendement minimal
put > 7,5 kW	80 %
7,5 kW > put > 3,5 kW	75 %
3,5 kW > put > 2 kW	70 %

Evidemment, on ne trouvera jamais (à l’exception des circulateurs à débit variable) un circulateur dont la courbe caractéristique passe exactement sur les caractéristiques de pression et de débit calculées.

En pratique, le concepteur choisit souvent le circulateur dont la courbe caractéristique passe juste au-dessus du point de fonctionnement théorique.

Ce choix implique presque toujours un surdimensionnement d’environ 40 % (et une consommation électrique 3 fois trop élevée (règles de similitude)). En effet :

La puissance thermique à fournir qui conditionne le calcul du débit nécessaire est, au départ, toujours exagérée (imprécision dans le calcul des déperditions, marges de sécurité, …).
Le calcul des pertes de charge comprend des facteurs de sécurité par exemple dans le calcul des pertes de charge singulières.
En rénovation, lorsque l’on calcule le débit à fournir sur base d’une puissance de chauffage installée qui est le plus souvent excessive (chaudière, corps de chauffe).

Le bon sens « énergétique » veut donc que la courbe caractéristique du circulateur soit plutôt choisie juste en dessous et le plus près possible du point de fonctionnement théorique.

Exemple.

Le plus souvent, le circulateur possède plusieurs vitesses (par exemple 3).

Choix d’un circulateur à 3 vitesses.

On choisira celui pour lequel le point de fonctionnement théorique se situe juste au-dessus de la courbe correspondant à la vitesse maximale.

Il faut préférer un plus petit circulateur travaillant à sa vitesse maximale qu’un circulateur plus gros travaillant à vitesse réduite. La consommation de ce dernier sera toujours plus élevée.

Le cas échéant, cela permettra, en outre, de diminuer la vitesse de fonctionnement pour corriger un surdimensionnement lié aux imprécisions de calcul.

Si le circulateur est choisi trop petit, c’est-à-dire si la courbe caractéristique du circulateur passe loin en dessous du point de fonctionnement théorique du circuit, le débit d’eau dans les parties les plus éloignées de l’installation risque d’être insuffisant. Le risque d’inconfort est cependant très faible.

Par contre, si en revanche, le circulateur est trop gros, c’est-à-dire, si sa courbe caractéristique se trouve loin au-dessus du point de fonctionnement théorique, cela entraînera une surconsommation électrique et favorisera les problèmes de circulation et les nuisances acoustiques.

En conclusion, il ne faut jamais surdimensionner un circulateur.

Il faut bannir le principe en vigueur mais tout à fait erroné qui veut que « plus c’est gros, mieux ça vaut » : « choisissons plus grand, on ne sait jamais… ».

Concevoir

Pour vérifier le dimensionnement des circulateurs, cliquez ici !

Exemple :

Trop peu de chaleur, pompe trop petite ?

Que se passe-t-il si on installe une pompe plus petite que ce qu’indique le dimensionnement ?

Le diagramme d’émission des corps de chauffe montre qu’en réduisant de 50 % le débit d’un radiateur, la puissance émise n’est réduite que de 20 %.

Puissance émise par un radiateur dimensionné en régime 90/70 en fonction de son débit (débit nominal = 100 %).

La perte de puissance est encore plus faible si la température de l’eau varie en fonction des conditions météo. Par exemple, pour un radiateur fonctionnant avec un régime d’eau 60/50, une réduction du débit d’eau de 30 % ne diminue que de 2 % la puissance du radiateur.

Pompe plus grande, plus de chaleur !

Cette inversion de la phrase est tout aussi fausse. Un débit plus important n’apporte qu’un faible supplément de chaleur. Par contre surdimensionner le débit des pompes peut entraîner des problèmes hydrauliques, souvent source d’inconfort dans certains circuits.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les problèmes hydrauliques liés au surdimensionnement des circulateurs, cliquez ici !

Si le choix de la pompe la plus adaptée n’est pas possible, on choisira une pompe plus puissante et on augmentera la perte de charge du circuit par l’installation d’une vanne de réglage sur la conduite.

Protection du circulateur

Cavitation

La cavitation est la formation de bulles de vapeur qui éclatent dans certaines zones de la roue d’un circulateur. Ce phénomène est source de bruit, réduit la hauteur manométrique du circulateur et endommage le circulateur.

Roue de pompe très fortement endommagée par la cavitation.

Il apparaît lorsqu’une dépression est entretenue à l’aspiration du circulateur. C’est pourquoi, une pression minimale à maintenir à cet endroit, appelée NPSH, est mentionnée par les fabricants dans leur catalogue. Cette pression est entretenue grâce au vase d’expansion.

Cette donnée n’est importante que :

dans une construction basse (la hauteur entre le point le plus haut et le point le plus bas de l’installation est réduite),
pour une chaufferie disposée en toiture,
lorsque la hauteur et/ou la distance entre le vase d’expansion et le circulateur et/ou la chaudière sont grandes.

Corrosion

Les circulateurs sont pour la plupart protégés contre les effets de la corrosion directe. Par contre, ils peuvent être victimes de phénomènes survenus dans le reste de l’installation. En effet, le circulateur est un organe de précision en mouvement constant qui supporte mal la présence d’impuretés, de tartre et de produits de la corrosion. Ceux-ci provoquent l’usure des paliers et s’accumulent entre le rotor et la chemise d’entrefer.

Il en résulte un accroissement du frottement pouvant aller jusqu’au blocage. L’usure de la chemise d’entrefer peut aller jusqu’à la perforation, noyant le stator et provoquant un court-circuit.

Ces phénomènes sont de plus en plus importants avec les nouveaux circulateurs noyés car les vitesses augmentent et les tailles se réduisent. Il en va de même pour les différents orifices d’écoulement de l’eau dans le moteur. Les circulateurs sont donc de plus en plus sensibles aux impuretés présentes dans l’eau.

Ainsi, il faut tout mettre en œuvre pour limiter la corrosion dans l’installation et celle-ci doit être soigneusement rincée avant la mise en route. Le placement d’un filtre, en amont du circulateur est également conseillé.

Filtres.

Améliorer

Améliorer la maintenance et limiter les risques de corrosion.

Présence d’air

La présence d’air dans l’installation engendre, outre des problèmes de corrosion, une usure accélérée des coussinets du circulateur. Ceux-ci se grippent.

Pour éviter cela, il faut être attentif à :

ne pas placer un circulateur au point le plus élevé de l’installation,
placer des purgeurs aux points hauts.

De plus, incorporer un séparateur d’air sur le circuit constitue toujours un avantage supplémentaire. Certains circulateurs sont équipés d’origine d’une purge d’air automatique.

Isolation des circulateurs

Circulateur équipé d’origine d’une coquille isolante.

Les circulateurs, comme les vannes présentent des pertes de chaleur non négligeable. Les isoler par soi-même est peu recommandé car on risque de ne pas respecter les exigences de refroidissement des moteurs. Il est donc recommandé d’installer des circulateurs équipés d’origine d’une coquille isolante.

Régulation des circulateurs

Vitesse variable

Circulateur à vitesse variable.

Le choix de circulateurs à vitesse variable se justifie d’abord parce qu’ils permettent un réglage correct du débit lors de l’installation, évitant ainsi les « 40 % » de surdébit traditionnels avec des circulateurs à vitesse fixe.

Exemple.

Un circulateur doit fournir 8,6 m³/h pour une hauteur manométrique de 6 mCE (ou 0,6 bar ou 60 000 Pa).

Si on choisit un circulateur traditionnel à 3 vitesses, la vitesse réelle ne correspondra jamais au point de fonctionnement calculé.

Par exemple, comme on le fait encore souvent, on choisit une courbe caractéristique passant au-dessus du point de fonctionnement calculé.

Courbes caractéristiques du circulateur à 3 vitesses choisi.

Pour satisfaire les besoins, le circulateur sera réglé en vitesse 3 et absorbera une puissance électrique de l’ordre de 540 W. Son débit réel sera de 9,6 m³/h au lieu des 8,6 souhaités.

Si les radiateurs sont équipés de vannes thermostatiques, le surdébit se corrigera de lui-même. La pression dans le circuit augmentera, créant une gêne acoustique permanente et la surconsommation restera présente.

Par contre, si on choisit un circulateur à vitesse variable, la vitesse peut être réglée pour obtenir le point de fonctionnement souhaité.

Courbes caractéristiques du circulateur à vitesses variable
(remarque : on y constate la vitesse réglable en fonctionnement de nuit « min »).

La puissance absorbée par le circulateur est de l’ordre de 420 W.

Sur la saison de chauffe, le gain réalisé est de :

(540 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] = 696 [kWh/an] ou environ 45 [€/an] (à 6,5 [cents €/kWh] (heures pleines et heures creuses)).

Sans compter l’imprécision du calcul des pertes de charge qui peut être corrigé par le circulateur à vitesse variable.

Par exemple, si pour le débit de 8,6 m³/h, le bureau d’études a surestimé les pertes de charge de l’installation (8,5 mCE ou 85 kPa au lieu de 6 mCE ou 60 kPa). Le circulateur choisi est plus gros et le débit réellement fourni n’est pas de 8,6 [m³/h] mais de presque 12 [m³/h].

Points de fonctionnement de l’installation réel et calculé par le bureau d’études.
Le circulateur choisi rencontre moins de résistance que prévu. Son débit augmente donc.

La puissance absorbée par le circulateur n’est plus de 540 W mais de 960 W.

Dès lors, le gain réalisé en choisissant un circulateur à vitesse variable et en réglant correctement sa vitesse à charge nominale est de :

(960 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] = 3 132 [kWh/an] ou environ 204 [€/an] (à 6,5 [cents €/kWh] (heures pleines et heures creuses))

Pour un surcoût du circulateur à vitesse variable de l’ordre de 400 €.

Prix des circulateurs de la marque « x » (à titre indicatif).

Le deuxième intérêt est de pouvoir réguler la vitesse du circulateur et diminuer la puissance absorbée en fonction des besoins en débit de l’installation.

La régulation de base de la plupart des installations de chauffage dans le secteur tertiaire consiste en :

Une régulation de la température de l’eau circulant dans les corps de chauffe, au moyen de vannes mélangeuses.
Une régulation du débit circulant dans chaque corps de chauffe au moyen de vannes thermostatiques, de manière à ajuster le réglage dans chaque local individuellement.

C’est dans ce type d’installation que se justifie le plus les circulateurs à vitesse variable, en lieu et place de la traditionnelle soupape de pression différentielle.

Soupapes différentielles placées sur des circuits équipés de vannes thermostatiques.

Il est difficile d’estimer le gain supplémentaire que l’on peut ainsi réaliser. En effet, cela dépend de la réduction totale de débit résultant du fonctionnement des vannes thermostatiques (ou de vannes 2 voies de régulation, pour les ventilos convecteurs) et qui est fonction de la quantité d’apports gratuits dont bénéficient les différents locaux. Pour fixer les idées nous nous baserons sur l’exemple précédent :

Exemple.

Considérons un bâtiment nécessitant une puissance de chauffage de 200 kW (débit nécessaire : 8,6 m³/h pour une hauteur manométrique de 6 mCE), répartie en deux façades nord et sud. Un seul circuit dessert l’ensemble de l’immeuble et des vannes thermostatiques sont installées sur les radiateurs de la façade sud pour tenir compte de l’ensoleillement.

En première approximation, on peut se dire que durant 1 000 h/an (durée d’ensoleillement durant la saison de chauffe), les vannes thermostatiques de la façade sud peuvent se fermer, réduisant ainsi de 50 %, le débit nécessaire de l’ensemble du réseau (dans le cas d’une école, les vannes se fermeront quand une classe sera remplie …).

Si en fonction de la fermeture des vannes, le circulateur diminue sa vitesse tout en réduisant linéairement la pression du réseau, sa puissance absorbée passera de 420 [W] à environ 220 [W], ce qui permet une économie de :

(420 [W] – 220 [W]) x 1 000 [h/an] = 200 [kWh/an] ou 22 [€/an] (à 11,16 [cents €/kWh] en heures pleines)

Loi de variation de vitesse

Les circulateurs à vitesse variable peuvent être régulés soit en maintenant une pression constante aux bornes du circulateur, soit en réduisant la pression suivant une loi linéaire.

Lorsque les vannes thermostatiques se ferment, le circulateur réduit sa vitesse pour maintenir une hauteur manométrique constante (le point de fonctionnement passe de B à D) ou en réduisant la hauteur manométrique (le point de fonctionnement passe de B à E).

La pression constante sera appliquée dans les circuits avec tronçon commun (véhiculant l’entièreté du débit) à faible perte de charge (circuit commun court) et dans les installations avec chauffage par le sol régulé pièce par pièce.

La pression décroissante sera appliquée dans les autres cas, c’est-à-dire dans le cas d’un tronçon commun à forte perte de charge (circuit commun long).

Théories

Pour en savoir plus sur la régulation de vitesse des circulateurs en fonction de la fermeture des vannes thermostatiques, cliquez ici !

Arrêt des circulateurs

Si une vanne se ferme (vanne 3 voies) ou si le brûleur s’arrête, signifiant l’absence de besoin de chauffage, par exemple au moment de la coupure nocturne, il est inutile de maintenir les circulateurs en fonctionnement. Cela doit être prévu dans la régulation globale de l’installation, de même qu’une temporisation (d’environ 6 minutes) à l’arrêt pour permettre une évacuation complète de la chaleur contenue dans l’eau.

Les régulateurs permettant cette fonction comprennent généralement aussi une fonction « dégommage » des circulateurs. C’est une fonction qui remet les pompes en marche pendant 30 secondes, par exemple toutes les 24 heures. Pour éviter l’entartrage et le blocage de celles-ci. Cette fonction peut également être appliquée aux vannes motorisées.

Réduction de vitesse

En période de ralenti de chauffage, commandé par la régulation centrale, les vannes thermostatiques s’ouvrent en grand car leur consigne n’est plus satisfaite. C’est paradoxal, les besoins sont alors minimaux et le débit maximal.

Pour éviter cela, les circulateurs électroniques (ou à vitesse variable) offrent la possibilité d’un abaissement de vitesse en période de ralenti de chauffage. Cette régulation permet une diminution importante du débit et de la consommation électrique, notamment la nuit.

La contribution des circulateurs à l’intermittence du chauffage peut donc s’articuler globalement comme suit :

arrêt des circulateurs au moment de la coupure et de la fermeture des vannes,
fonctionnement en vitesse minimale, une fois la consigne de température de nuit atteinte et maintien du bâtiment à cette température,
relance en vitesse maximale.

Courbes caractéristiques d’un circulateur à vitesse variable.
Le passage en vitesse de nuit permet une diminution de la puissance électrique à moins de 150 W.

Cas particulier des hydro-éjecteurs

Traditionnellement, les circuits hydrauliques secondaires sont équipés de vannes mélangeuses à 3 voies et de leur propre circulateur. Il existe une alternative « énergétiquement » intéressante à ce type d’installation : les hydro-éjecteurs.

Installation avec hydro-éjecteurs.

La technique des hydro-éjecteurs s’adapte quasiment à toutes les installations de chauffage. Ils permettent de remplacer, de façon efficace et économique, les installations avec vannes 3 voies mélangeuses et circulateurs secondaires.

Circuit traditionnel, par exemple avec circuit en boucle ouverte et circulateur de by-pass pour garantir un débit minimal dans la chaudière.

Circuit avec hydro-éjecteurs.

Investissements évités pour une installation avec hydro-éjecteurs	Investissements supplémentaires pour une installation avec hydro-éjecteurs
Vannes 3 voies. Circulateurs des circuits secondaires.	Hydro-éjecteurs motorisés (10 % plus cher qu’une vanne 3 voies).
Câblage et distribution électrique nécessaires aux circulateurs des circuits secondaires.	Augmentation de la taille de la pompe primaire et souvent installation d’une pompe de réserve.
Liaisons de contrôle entre la régulation et les circulateurs.	Régulation de vitesse du circulateur (parfois prévue aussi sur une installation traditionnelle).

Une étude publiée dans le magazine « Chaud, Froid, plomberie » de février 98 montre les résultats obtenus en Autriche en comparant, sur divers projets, la solution conventionnelle des vannes 3 voies et la solution des hydro-éjecteurs, et ce, au niveau de la consommation électrique des auxiliaires et au niveau de l’investissement.

Les conclusions que l’on peut tirer de cet article peuvent être synthétisées comme suit :

La puissance totale installée de circulateurs installée (et la consommation qui y est liée) est toujours inférieure dans le cas des hydro-éjecteurs.
L’économie d’investissement liée à la solution des hydro-éjecteurs est de l’ordre de 4 à 7 %.

En conclusion, on peut dire que les hydro-éjecteurs constituent une solution qui va dans le sens de la diminution de consommation des auxiliaires. C’est également une solution éprouvée dans de nombreux bâtiments tertiaires publics. Les auteurs de projet semblent cependant peu enclins à l’ utiliser, peut-être parce qu’elle nécessite un calcul plus précis de l’installation.

Notons que l’on peut combiner les hydro-éjecteurs et les vannes 3 voies. Par exemple, dans le cas d’une installation avec un collecteur très étendu, il peut être intéressant d’équiper les derniers circuits de vannes 3 voies et d’un circulateur secondaire, pour ne pas obliger la pompe primaire à maintenir une pression importante en bout de collecteur pour alimenter correctement les derniers hydro-éjecteurs.

Choix du vase d’expansion

Vase d’expansion à pression variable.

Le rôle du vase d’expansion est primordial pour la survie de l’installation. C’est en effet lui qui va :

absorber le volume de dilatation de l’eau lorsqu’elle chauffe et éviter l’ouverture intempestive des soupapes de sécurité,
éviter un échappement de vapeur par les soupapes de sécurité en cas de surchauffe de courte durée,
maintenir une réserve d’eau pour couvrir des pertes du réseau,
empêcher les dépressions dans l’installation et donc les entrées d’air dans l’installation.

et limiter ainsi les risques :

de corrosion par entrées d’air et/ou ajout d’eau,
de cavitation et la détérioration de certains éléments (vannes, restrictions, … ).

Vase d’expansion à pression variable ou à pression constante

Vase d’expansion à pression variable et à pression constante.

Le vase fermé à pression variable et quantité d’air fixe s’applique aux petites installations dont le volume d’expansion est inférieur à 100 litres et où la hauteur statique de l’installation n’excède pas 25 m, pour une pression de sécurité réglée à 3 bars.

Le vase fermé à pression constante et quantité d’air variable, c’est-à-dire le vase d’expansion automatique avec compresseur, s’applique aux grandes installations. Dans ce cas, le choix d’un vase d’expansion traditionnel sera soit impossible, soit économiquement non rentable ou bien posera des problèmes quant à l’espace disponible (le volume d’air total du vase devient trop grand par rapport au volume d’expansion).

Ci-après est repris un tableau aidant au choix du type de vase.

Choix du système d’expansion en fonction du volume d’expansion V_expet du facteur de pression F_p(données calculées dans le dimensionnement du vase).

Dimensionnement du vase d’expansion

Si on résume le rôle du vase d’expansion en disant qu’il doit permettre :

l’augmentation du volume de l’eau chauffée,
le maintien sous pression de l’installation même quand elle se refroidit.

On comprend aisément que celui-ci ne posera des problèmes que s’il est sous-dimensionné.

Le choix d’un vase d’expansion correctement calculé est donc primordial. Le dimensionnement ne peut se faire au « pifomètre » et contrairement aux autres équipements d’une installation de chauffage, on peut émettre le postulat qu’un vase d’expansion ne sera jamais trop grand.

L’inverse est par contre vrai et dangereux pour l’installation.

Calculs

Pour en savoir plus sur le dimensionnement d’un vase d’expansion, cliquez ici !

Ce dimensionnement consiste à calculer le volume du vase d’expansion, mais aussi sa pression de gonflage et aussi la pression de remplissage de l’installation à froid.

Emplacement du vase d’expansion

Un mauvais emplacement du vase d’expansion peut occasionner des corrosions graves et des anomalies de fonctionnement.

En effet, les positions relatives de ce dernier et de la pompe de circulation peuvent contribuer à des entrées d’air parasites par dépressions accidentelles (n’oublions pas qu’une installation est en principe étanche à l’eau, elle ne l’est pas à l’air, notamment aux joints et aux bourrages).

Situations acceptables

D’une manière générale, le vase d’expansion doit toujours être raccordé sur le retour chaudière, le plus près possible de celle-ci et en amont du circulateur (à l’aspiration du circulateur).

Circulateur sur le départ et vase d’expansion sur le retour : évolution de la pression dans le circuit.
1. perte de charge des conduites, 2. perte de charge de la chaudière, h_mhauteur manométrique du circulateur.

L’évolution de la pression dans le circuit montre que le risque de dépression dans le circuit très faible, même lorsque la pression est peu élevée. De plus, la membrane d’expansion est à l’abri des températures trop élevées. Cette configuration convient aux grandes installations avec pertes de charge totales importantes et grandes différences de hauteur.

Circulateur sur le retour entre la chaudière et le vase d’expansion : évolution de la pression dans le circuit.
1. perte de charge des conduites, 2. perte de charge de la chaudière, h_m hauteur manométrique du circulateur.

Cette configuration est encore meilleure pour éviter les risques de dépression. Elle convient aux installations avec faibles pertes de charge totales, avec différences de hauteur limitées et chaudière à forte perte de charge.

A proscrire absolument

Circulateur sur le départ et vase d’expansion après le circulateur : évolution de la pression dans le circuit.
1. perte de charge des conduites, 2. perte de charge de la chaudière, h_m hauteur manométrique du circulateur.

L’évolution de la pression dans le circuit montre qu’il y a en permanence des risques de dépression dans les circuits et donc des risques d’entrée d’air. De plus, la membrane du vase est soumise aux sollicitations dynamiques du circulateur et à des températures élevées.

Dans les circuits équipés dune vanne mélangeuse

Le circulateur se place juste après la vanne et le vase d’expansion se place sur le retour, le plus près possible de la chaudière.

Dans les installations importantes

Lorsque les installations sont importantes (immeubles à appartements) on peut prévoir un ou plusieurs vases intermédiaires afin que la membrane ne soit pas exposée à des températures trop élevées faute de quoi son vieillissement et la diffusion au travers de celle-ci s’accélèrent.

Vase d’expansion avec vase tampon (1) : le vase tampon est intéressant lorsque la température au droit du point de raccordement est en permanence supérieure à 60°C. Son volume doit au moins être égal à 20 % du volume d’eau net du vase d’expansion.

Quelle que soit la taille de l’installation, il est interdit de placer plusieurs vases d’expansion en divers points de l’installation. On ne peut donc installer qu’un seul vase d’expansion par installation. Si plusieurs vases sont installés, il doivent obligatoirement se trouver l’un à côté de l’autre. Ce sera le cas pour les gros vase d’expansion que l’on séparera en deux pour garantir une sécurité de fonctionnement en cas de défaillance d’un des deux.

Choix de l’appoint en eau

Beaucoup d’installations de grande taille sont équipées d’un système d’appoint en eau automatique. Ce système est intéressant pour compenser automatiquement le faible pourcentage de fuites inévitables dans de telles installations et les pertes de pression associées aux purgeurs automatiques.

Attention, cependant car on ne contrôle plus la quantité d’eau qui est rajoutée dans l’installation. Ceci risque de conduire à des corrosions internes importantes.

Il est donc impératif de combiner un système de remplissage automatique avec le placement d’un compteur d’eau qui doit être relevé régulièrement.

Ce compteur d’eau peut également être très utile dans une installation à remplissage manuel, pour se rendre compte de la quantité d’eau rajoutée annuellement.

Organes d’équilibrage

La distribution dans les installations de chauffage, malgré son apparente simplicité pour le profane reste souvent le maillon délicat entre la chaudière et les utilisateurs. Et pourtant elle conditionne l’efficacité énergétique de l’ensemble de l’installation, au même titre que la qualité des chaudières ou de la régulation.

Évaluer

Pour s’en convaincre, il suffit de voir l’ensemble des problèmes de confort et la surconsommation imputables à un défaut du réseau hydraulique. Par exemple :

Il est impossible de régler une courbe de chauffe si les conséquences de ce réglage sont différentes en fonction de la bonne irrigation du corps de chauffe,
Ou de faire fonctionner un optimiseur si la durée de remise en température varie d’une zone à l’autre en fonction de la répartition des débits,
…

La qualité de la distribution se joue lors des 4 étapes qui conduisent à l’exploitation de l’installation :

le choix du principe,
le dimensionnement,
la réalisation,
et la mise au point.

Cette dernière étape est importante car c’est elle qui met en état de fonctionnement une installation qui jusque-là n’était faite que d’un assemblage d’équipements. Dans la mise au point, c’est l’équilibrage qui permet d’obtenir la répartition équitable des débits d’eau chaude dans chacun des circuits de l’installation. Cette étape est indispensable car même le dimensionnement le plus précis ne permet pas d’obtenir une installation prête à fonctionner correctement, ne fut-ce que parce que les équipements sur le marché (caractéristiques des pompes, diamètres de conduites) ne permettent pas un nombre infini de choix. Il ne faut surtout pas la négliger lors de la réception de l’installation, sous prétexte qu’à ce moment, aucun problème de confort n’est apparent.

Pour équilibrer les circuits d’une nouvelle installation, il faut :

calculer l’installation et le débit à obtenir,
installer les organes d’équilibrage au niveau de chaque circuit,
calculer de façon théorique les réglages à effectuer,
vérifier la correspondance entre les débits calculés et mesurés effectivement sur les organes de réglage et corriger le réglage si nécessaire.

C’est le rôle d’un metteur au point ou de l’installateur.

Choix d’une vanne d’équilibrage

Il faut donc prévoir dans toute nouvelle installation des vannes de réglage. Celles-ci ne peuvent être choisies n’importe comment. En effet, si une vanne est trop grande, non seulement elle est plus chère, mais en plus elle devra être réglée près de sa position de fermeture, ce qui lui fait perdre de la précision.

Robert Petitjean dans son ouvrage « Equilibrage hydraulique global » préconise de toujours choisir une vanne d’équilbrage dont la perte de charge en position ouverte et pour le débit voulu est supérieure à 3 kPa. En dessous de cette valeur, la précision sur la mesure de débit est, en effet, réduite. En tout cas, le diamètre de la vanne choisie ne pourra jamais être plus grand que le diamètre de la conduite.

Pour permettre un réglage correct, les vannes de réglage choisies doivent de préférence être équipées d’une prise de pression permettant de calculer ou de mesurer directement (au moyen d’un appareillage spécifique) le débit de chaque circuit.

Le placement de vannes automatiques (ou régulateurs de pression différentiel) qui assurent le maintien d’une différence de pression constante au pied de chaque colonne facilite l’équilibrage car le réglage correct de la vanne n’est plus influencé par le réglage des circuits voisins, ce qui est le cas avec les vannes à réglage fixe. Le surcoût de ces vannes est ainsi compensé par la facilité de réglage. Ces vannes permettent également de maintenir un équilibrage correct, même lorsque les débits varient dans les circuits (fermeture de vannes thermostatiques). En ce sens, elles sont cependant en concurrence avec les circulateurs à vitesse variable, « énergétiquement » plus intéressants.

Equilibrage au moyen de régulateurs de pression différentielle.
Une vanne est placée sur la conduite de départ et la conduite de retour.
La vanne automatique mesure la différence de pression entre le départ et le retour de chaque colonne
et règle son ouverture pour maintenir cette dernière constante.
Ce type de vanne remplace également les soupapes de pression différentielle
couramment utilisées dans les circuits comprenant des vannes thermostatiques.

Où placer une vanne d’équilibrage ?

Théoriquement, on place une vanne d’équilibrage au niveau de chaque corps de chauffe (té de réglage ou vanne thermostatique préréglable) pour obtenir une répartition correcte des débits.

Té de réglage.

Cependant, la modification d’un réglage va perturber toute la répartition et demander des corrections fastidieuses (et donc coûteuses).

C’est pourquoi, il faut essayer de découper l’installation en plusieurs zones équilibrées entre elles. Ainsi, la perturbation due à une intervention à un endroit peut être compensée par une correction sur un nombre plus réduit de vannes de réglage.

Chaque circuit, connecté en parallèle sur une bouche de distribution constitue une zone d’équilibrage. Par exemple, si les différents corps de chauffe d’une zone sont équilibrés entre eux, une modification du réglage de la vanne de la zone modifiera dans la même proportion le débit dans chacun des corps de chauffe.

Tous les circuits (a fortiori, les corps de chauffe, dont le té de réglage n’est pas représenté ici) raccordés en parallèle sur un même collecteur (c’est-à-dire chaque branche d’un tronc commun) sont équipés dune vanne de réglage permettant de répartir le débit entre eux.

Vanne d’équilibrage sur le départ ou sur le retour ?

Cela revient au même, puisque le débit qui passe dans le retour est le même que celui qui passe par le départ. Il est recommander de placer la vanne dans le sens où le débit aura tendance à l’ouvrir car c’est dans cette position de la mesure de débit sera la plus précise et les bruits de circulation les plus faibles. Une vanne placée sur le retour a moins de pertes thermiques car la température de l’eau qui y circule est moindre.

Il faut également que la vanne soit placée dans un endroit accessible et à l’abri des turbulences :

Sections droites minimales de part et d’autre d’une vanne d’équilibrage.

Améliorer

Pour en savoir plus sur l’équilibrage d’une installation de chauffage : cliquez ici !

Limiter le nombre de vannes

Il est évident qu’isoler les vannes permet de diminuer fortement leurs pertes.

Évaluer

Pour s’en convaincre : cliquez ici !

Ce à quoi on ne pense pas toujours, c’est que l’on peut aussi limiter le nombre de vannes. Par exemple, une vanne d’équilibrage peut souvent servir de vanne d’isolement tout en conservant la mémoire de son réglage d’origine. Il est donc inutile de les doubler par une vanne d’isolement.

Dans le même ordre d’idée, les vannes taraudées présentent moins de pertes que les vannes à brides. Il faut donc les préférer lorsque cela est possible.

Purgeurs, séparateurs d’air, récupérateurs de boues

Que faut-il penser de ces éléments qui peuvent être installés dans le réseau de distribution pour faciliter son exploitation ?

Les purgeurs automatiques

Les purgeurs automatiques permettent d’évacuer l’air d’une installation sans intervention manuelle. Cela peut être intéressant dans des zones peu accessibles.

1. ouverture d’évacuation d’air 2. valve d’évacuation
3. mécanisme d’évacuation 4. compartiment à air
5. niveau d’eau 6. flotteur 7. raccordement d’entré

Purgeur automatique : l’air monte dans le purgeur et remplace l’eau.
Le flotteur s’abaisse et le soupape s’ouvre laissant s’échapper l’air.

Toutefois, il faut se méfier de la fiabilité des soupapes d’obturation à flotteur (il existe bien sûr des fabrications plus élaborées que d’autres au point de vue fiabilité). En effet, la moindre impureté flottant sur le plan d’eau peut s’intercaler entre le siège et la soupape de fermeture entraînant une fuite permanente du purgeur. Ce problème est souvent détecté tardivement, il correspond à des appoints d’eau supplémentaires et à une corrosion de tuyaux en raison du ruissellement sur la surface extérieure (bien souvent sous l’isolant des colonnes). La conséquence pratique est parfois une fissuration longitudinale de la tuyauterie après 10 ans de ces mauvaises conditions !

De plus, le fonctionnement d’un purgeur automatique peut s’inverser c’est-à-dire qu’en raison d’un défaut d’expansion, la contraction du volume d’eau durant l’arrêt du chauffage va provoquer une entrée d’air facilitée via le purgeur automatique, ce qui sera source de corrosion.

Le bon sens veut donc que l’on s’attaque en premier lieu à la cause du problème : si un circuit fermé contient de l’air … c’est qu’il n’est pas suffisamment étanche. Un vase d’expansion mal dimensionné ou défectueux, la présence de certains matériaux synthétiques, des remplissages fréquents, d’autres causes d’origines chimique ou technique (installation mal entretenue) peuvent être à l’origine de l’introduction d’air ou de la formation de gaz (corrosion de aluminium et formation d’hydrogène).

Donc, la première règle est de chercher les causes de la présence d’air ou de gaz et d’y remédier.

Pour ces diverses raisons, il faut considérer les purgeurs automatiques comme élément à n’utiliser que lors des remplissages généraux, et il faut absolument les faire précéder d’un robinet d’isolement qui sera rapidement fermé durant le service normal de l’installation.

Les séparateurs d’air

Le séparateur d’air est un dispositif basé sur l’un ou l’autre procédé d’obtention de coalescence des micro bulles présentes dans l’eau.

Séparateur d’air (équipé d’un purgeur automatique).

Le séparateur peut contribuer à éliminer un maximum d’air en un point accessible, contrôlable (il aura lui-même en général un purgeur automatique).

Placé sur le retour général, pour une chaufferie en point haut, il centralise parfois mieux l’air et éviter des poches dans les chaudières. Placé sur le départ en aval des chaudières, il élimine les bulles libérées lors du chauffage d’une eau neuve.

Il ne constitue pas une nécessité technique. Ces solutions sont coûteuses et ne doivent être retenues qu’en cas d’urgence ou s’il s’avère impossible de résoudre les causes originelles des problèmes.

Les récupérateurs de boues

Les pièges à boues les plus simples (et très efficaces) consistent en un cylindre vertical de 3 à 5 fois le diamètre du tuyau, ce dernier étant soudé dans le tiers supérieur (il existe bien sûr des fabrications en tout genre, mais la solution « à chicanes » ne donne pas plus de résultats en raison notamment des remous et des profils de vitesses).

Récupérateur de boue.

Il faut considérer que la formation de résidus solides dans les installations modernes est quasi inévitable, en raison des matériaux et effets catalytiques éventuels. Pour ces raisons, le placement d’un piège à boues en partie basse du retour est à conseiller.

Il y a lieu de vider régulièrement le contenu accumulé ! en présence de quantités importantes de magnétite (Fe₃O₄) le piège à boues n’est pas suffisant pour une sédimentation efficace, il faut alors recourir à d’autres solutions (circuits de filtration magnétique etc).

Rappelons cependant que seul un traitement d’eau correctement adapté, après analyse préalable, constitue la manière de traiter l’installation contre la corrosion.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

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

Puissance à installer

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.

Cycle de fonctionnement d’un brûleur en fonction de son surdimensionnement. Si le brûleur adapte en permanence sa puissance aux besoins, il fonctionnera en continu (ce serait le cas des brûleurs modulants s’ils pouvaient faire varier leur puissance de 0 à 100 %, ce qui n’est pas le cas).

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.

Concevoir

Il faudra en outre être attentif aux paramètres utilisés pour dimensionner l’installation. Par exemple, on arrivera à des résultats tout à fait différents en fonction de la température extérieure minimum que l’on aura considérée.

Faut-il surdimensionner la chaudière pour permettre l’intermittence ? Comment vérifier que dimensionnement a été effectué correctement ?

Pour en savoir plus sur les paramètres de dimensionnement des installations de chauffage.

Réglementations, labels et rendement annoncé

L’efficacité énergétique d’un ensemble chaudière(s) – brûleur(s) s’exprime par son rendement saisonnier. Celui-ci tient compte de la qualité de la combustion et des pertes des chaudières entre les périodes de fonctionnement du brûleur.

Il n’est malheureusement pas possible de connaître le rendement saisonnier du matériel que l’on achète. Cela est impossible puisque ce rendement dépend pas uniquement de la qualité intrinsèque du matériel mais aussi de son dimensionnement, de son raccordement hydraulique (surtout pour les chaudières à condensation) et de son mode de régulation.

Il existe donc peu de moyens pour comparer précisément les performances des différentes chaudières sur le marché.

Réglementations et labels

En plus des exigences réglementaires minimales auxquelles doivent répondre toutes les nouvelles chaudières vendues en Belgique, il existe bien des labels « énergétiques » pour les chaudières gaz (« HR+ » ou « HR Top ») et les chaudières fuel (Optimaz et Optimaz-élite). Il faut cependant savoir que ces labels ne présentent pas toujours des exigences nettement plus élevées que les exigences réglementaires : en ce qui concerne le gaz, le label HR+ exige des rendements identiques à la législation tandis que pour le fioul, le label Optimaz demande des rendements un peu plus élevés que le minimum légal. Ils ne permettent pas non plus de comparer, entre elles, des chaudières possédant le même label (les performances mesurées ne sont pas affichées avec le label).

Labels OPTIMAZ pour les ensembles chaudière/brûleur fuel et OPTIMAZ-Elite pour la technologie à condensation..

Label HR+ pour les chaudières gaz traditionnelles et HR Top pour les chaudières gaz à condensation.

Cependant, à défaut d’autres références, l’utilisation de ces labels peut être conseillée, ne fut-ce que parce qu’ils apportent la garantie que les performances minimales requises ont été vérifiées en laboratoire (pour les chaudières ne possédant pas de label, il faut souvent se fier à la bonne foi du fabricant).

Rendement annoncé

Les rendements annoncés par les fabricants dans leur documentation ne sont généralement guère comparables car mesurés dans des conditions différentes (selon une méthode propre au fabricant, selon les exigences des A.R. de 88 et de 97, …) et ne représentent jamais le véritable rendement en exploitation.

La norme allemande DIN 4702, partie 8, propose une méthode normalisée pour chiffrer le rendement saisonnier d’une chaudière dont le résultat se rapproche le plus du rendement réel (moyenne de mesures dans cinq conditions représentatives d’un moment de la saison de chauffe).

En comparant les équipements des fabricants appliquant cette méthode, on peut se faire une idée plus précise de l’économie que l’on peut faire en choisissant l’un ou l’autre matériel : elle est proportionnelle au rapport des rendements.

Exemple.

Un fabricant annonce pour sa chaudière un rendement annuel de 94 % selon la norme DIN 4702. Un autre annonce un rendement de combustion supérieur à 92 %.

La différence entre ces deux chaudières semble être de 2 %. Ce n’est pas le cas. Ces deux chiffres ne sont, en effet, pas comparables : tandis que le rendement mesuré suivant la norme DIN 4702 se rapproche grossièrement des conditions réelles d’exploitation, le rendement de combustion ne comptabilise pas toutes les pertes de la chaudière.

Ainsi pour une chaudière correctement dimensionnée ayant des pertes à l’arrêt de 0,5 %, un rendement de combustion de 92 % conduit à un rendement saisonnier de 90,9 %. C’est plus ce chiffre qu’il faudrait comparer aux 94 %.

On peut alors « imaginer » que la première chaudière consommera :

1 – 90,9 [%] / 94 [%] = 3 [%]

de moins que la seconde.

Ordre de grandeur :

Les chaudières traditionnelles (pas à condensation) actuelles les plus performantes ont un rendement annuel suivant la norme DIN 4702 de l’ordre de 94 %. Ceci équivaut pour une chaudière correctement dimensionnée à un rendement de combustion moyen théorique de l’ordre de 94,5 .. 95,3 %.

Attention, le calcul présenté ci-dessus est purement indicatif. il permet plus ou moins de classer des chaudières mais ne correspond pas forcément au rendement réel obtenu en exploitation. En effet,

Il ne tient pas compte de la production d’eau chaude sanitaire qui pourrait être combinée à la chaudière (dans ce cas le rendement saisonnier diminue).
Les régimes de fonctionnement considérés par la norme DIN 4702 ne peuvent pas, en pratique, être appliqués à toutes les chaudières. Par exemple, deux chaudières peuvent avoir le même rendement théorique suivant la norme, mais une des deux chaudières ne peut, en pratique, pas fonctionner avec un régime de température de 40°/30° (prévu pour la mesure en laboratoire). Dans ce cas cette chaudière aura un rendement, en exploitation, plus bas que l’autre.

Pertes à l’arrêt

Les fournisseurs de chaudières reprennent, en principe, dans leur documentation, la valeur des pertes à l’arrêt de leur matériel (coefficient exprimé en % de la puissance nominale de la chaudière). Attention, cependant, à la valeur du coefficient de perte à l’arrêt (ou coefficient d’entretien) mentionnée. En effet, il n’est pas mesuré de la même manière chez tous les fournisseurs. Il faut comparer les températures de chaudière considérées pour la mesure, ce qui n’est pas évident.

Extrait de catalogue : les pertes à l’arrêt mentionnées sont mesurées pour une différence de température entre l’ambiance et l’eau de 30°C et la consommation d’entretien pour une différence de température de 50°C.

Pour les chaudières à brûleur pulsé ou à prémélange modernes, il n’y a guère de différence entre les différentes marques. On retrouve une épaisseur d’isolation équivalente à 10 cm de laine minérale pour quasi tous les matériels.

Où les pertes à l’arrêt commencent à jouer un rôle important, c’est dans le choix d’une chaudière gaz atmosphérique dont le foyer reste en permanence ouvert. Néanmoins, il est très rare que l’on installe encore ce type de matériel. En effet, cette technologie est en beaucoup de points dépassée par les chaudières à prémélange avec ventilateur.

Exemple.

Ordre de grandeur :

Les chaudières actuelles les plus performantes ont des pertes à l’arrêt de l’ordre de 0,1 .. 0,3 [%] (de la puissance nominale) pour une différence de 40°C entre l’eau et l’ambiance.

Les chaudières les moins performantes dépassent 0,5 .. 0,6 % de pertes.

Chaudière « basse température » ou « très basse température » ? Un débat dépassé

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).

Exemples.

Prenons une chaudière moderne à brûleur pulsé correctement dimensionnée de 300 kW. Son coefficient de perte à l’arrêt à température nominale (température d’eau de 70°C) est de 0,3 %. Si cette chaudière travaille en température glissante, sa température moyenne sur la saison de chauffe sera d’environ 43°C. Son coefficient de perte à l’arrêt moyen sera alors de 0,11 % :

[(43 [°C] – 20 [°C]) / (70 [°C] – 20 [°C])]^1,25x 0,3 [%] = 0,11 [%]

Par rapport au fonctionnement permanent de la chaudière à température constante de 70°C, cela permet un gain sur le rendement saisonnier (et donc sur la consommation) de seulement 0,4 %.

Prenons l’exemple d’une chaudière gaz à brûleur atmosphérique ancienne génération de 300 kW surdimensionnée de 100 %. Son coefficient de perte à l’arrêt à température d’eau de 70°C est de 1,3 %.

Si cette chaudière travaille en température glissante (température moyenne sur la saison de chauffe d’environ 43°C), le gain sur le rendement saisonnier sera cette fois de 4 %, par rapport au fonctionnement permanent de la chaudière à température constante de 70°C.

Exemple.

Une chaudière alimente un collecteur primaire DN 50 de 20 m (aller-retour), isolé par 4 cm de laine minérale.

Si le collecteur est alimenté en température glissante sans limite basse, la température moyenne du collecteur durant la saison de chauffe sera d’environ 43°C. Si la température du collecteur est limitée vers le bas, elle sera de 63°C.

Pour chacun des deux cas, la perte de distribution en chaufferie (température ambiante de 15°C) s’élève à :

Cas de la température glissante : 0,271 [W/m.°C] x 20 [m] x (43 [°C] – 15 [°C]) x 5 800 [heures/an] = 880 [kWh/an] ou 88 [litres fuel/an] ou 88 [m³ gaz/an].

Cas de la température glissante avec limite basse : 0,271 [W/m.°C] x 20 [m] x (63 [°C] – 15 [°C]) x 5 800 [heures/an] = 1 509 [kWh/an] ou 151 [litres fuel/an] ou 151 [m³ gaz/an].

Évaluer

Pour évaluer les pertes du réseau de distribution !

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.

Exemple.
Une chaudière de 800 kW alimente un collecteur de 20 m DN 50. La contenance en eau de la chaudière est de 1 500 litres, celle du collecteur de 173 litres.Si la température moyenne de la chaudière et du collecteur est de 43°C durant la saison de chauffe, le temps de remontée en température jusqu’à 70°C, pour produire de l’eau chaude sanitaire est de :

1,16 [kWh/m³.°C] x 1,673 [m³] x (70 [°C] – 43 [°C]) / 800 [kW] = 0,065 [h] ou 4 [min]

où 1,16 [kWh/m³.°C] = la capacité calorifique de l’eau.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix du système de production d’eau chaude sanitaire.

> 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.

Évaluer	Pour en savoir plus sur l’inconfort lié au circuit primaire.
Calculs	Simuler les problèmes d’incompatibilité hydraulique.
Concevoir	Pour en savoir plus sur le choix du type de circuit primaire.

Chaudière « basse température » ou à condensation ?

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.

Concevoir

Pour plus de détails sur :

Le choix du circuit relié à une chaudière à condensation, cliquez ici !

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.

Evolution de la température de retour d’une installation dimensionnée en régime 90°/70° et régulée en température glissante en fonction de la température extérieure. Comparaison avec la température de rosée des fumées d’une chaudière gaz et mazout. On voit que la chaudière condense sur une majeure partie de l’année (voir second graphe). En termes d’énergie, on voit que 75% de l’énergie sera fournie en condensant pour le gaz pou r40% pour le mazout.

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).

Exemple de circuit hydraulique raccordé à une chaudière à condensation demandant un débit minimal permanent.

Si cette chaudière doit en même temps produire de l’eau chaude sanitaire, elle sera tenue de fonctionner un certain temps, pour ne pas dire tout le temps, à haute température. Dans ce cas, les vannes des circuits secondaires devront se refermer pour obtenir la température voulue par ces derniers. Le surplus d’eau chaude alors produit par la chaudière sera directement renvoyé vers celle-ci via la bouteille casse-pression et elle ne condensera plus.

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.

Exemple : caractéristiques techniques de 2 chaudières gaz à condensation.

Chaudière de marque x : le rendement utile(sur PCI) est de 96,8 % au régime d’eau 80°/60°, de 100,2 % au régime 70°/50° et 106 % au régime 40°/30°.

Chaudière de marque y : le rendement utile(sur PCI) à pleine charge est de (300/309) = 97 % au régime d’eau 75°/60° et (323/309) = 104,5 % au régime 50°/30°.

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

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

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 …

Concevoir

Pour en savoir plus sur la conception des circuits hydrauliques favorisant la condensation.

Chaudière gaz à brûleur pulsé ou à prémélange modulant ?

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

Chaudière à brûleur pulsé, chaudière à brûleur atmosphérique à prémélange, chaudière à brûleur radiant modulant avec ventilateur.

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 »).

Évaluer

Connaître le rendement utile d’une chaudière atmosphérique.

Exemple : comparaison des coûts d’exploitation d’une chaudière à brûleur pulsé et d’une chaudière atmosphérique.

Considérons des chaudières de 200 kW dont les caractéristiques sont les suivantes :

Solution 1 : Chaudière atmosphérique ancienne génération (encore vendue) avec un rendement utile de 89 % et des pertes à l’arrêt 1,3 %, production de NOx > 150 mg/kWh.
Solution 2 : Chaudière atmosphérique à brûleur à prémélange avec un rendement utile de 92 % et des pertes à l’arrêt 0,8 % (avec obturateur sur les fumées), production de NOx < 80 mg/kWh.
Solution 3 : Chaudière à brûleur pulsé modulant avec un rendement utile moyen (sur la saison de chauffe) de 94 % et des pertes à l’arrêt 0,2 %, production de NOx < 80 mg/kWh.
Solution 4 : Chaudière à brûleur radiant modulant avec un rendement utile moyen de 94 % et des pertes à l’arrêt 0,5 %, production de NOx < 80 mg/kWh

en considérant que les chaudières sont correctement dimensionnées, on peut estimer leur rendement saisonnier :

Choix de la chaudière	Rendement saisonnier	Surconsommation par rapport à la solution 3
Solution 1	86,4 %	8 %
Solution 2	90,3 %	3,8 %
Solution 3	93,8 %	0,1 %
Solution 4	93,9 %	–

Pour une consommation annuelle de l’ordre de 35 000 m³ de gaz, cela donne une surconsommation de :

Choix de la chaudière	Surconsommation par rapport à la solution 3
Solution 1	2 800 m³gaz/an
Solution 2	1 330 m³gaz/an
Solution 3	–
Solution 4	–

Technologies Low NO_x

Ces dernières années, les développements des ensembles « chaudières-brûleurs » se sont concentrés sur la réduction des émissions polluantes, notamment des émissions de NOx. En parallèle, en juillet 09, est entré en application, un Arrêté Royal fixant le taux maximal d’émission des nouvelles chaudières et des nouveaux brûleurs vendus en Belgique pour les combustibles liquides et gazeux.

On a évidemment intérêt, d’un point de vue environnemental, à choisir le matériel le moins polluant possible en allant plus loin encore que les exigences légales.

Comment connaître le taux d’émission de NOx de l’ensemble chaudière-brûleur que l’on installe ?

Pour les chaudières gaz à brûleur intégré (type « unit »), les fabricants indiquent dans leur documentation le taux d’émission de leur matériel. Notons que les chaudières gaz atmosphériques sans prémélange produisent plus de NOx que les chaudières gaz à brûleur pulsé ou les chaudières à prémélange.

Pour les chaudières à brûleur pulsé, il faut se fier aux technologies appliquées (chaudières à triple parcours, brûleurs « Low NOx » fuel ou gaz).

Fonte ou acier ?

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.

Élements de chaudière en fonte, triple parcours, en attente de montage.

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.

Grand ou faible volume d’eau ?

On rencontre sur le marché :

des chaudières à faible volume d’eau (0,15 .. 0,2 litre/kW) et perte de charge importante,
des chaudières à grand volume d’eau (plus de 1 litres/kW) et faible perte de charge.

Les fabricants de chacune de ces chaudières présentent leur technologie comme un avantage. Essayons dès lors d’y voir plus clair.

Il est vrai que chacune des techniques a ses avantages, le débat se situant principalement au niveau de l’exigence d’un débit minimum dans la chaudière pour permettre son fonctionnement et de la complexité du circuit primaire qui doit être associé à la chaudière.

Une chaudière à faible volume d’eau a très peu d’inertie, elle peut donc réagir très rapidement à toute demande de variation de puissance, par exemple dans le cas d’une demande d’eau chaude sanitaire et d’une régulation avec priorité sanitaire. Par contre, ces chaudières sont souvent soumises à des impositions de débit minimal et leur perte de charge a un rôle important sur le comportement hydraulique de l’installation. Ceci rend la conception des circuits de distribution plus complexe. En outre, les faibles sections de passage de l’eau rendent la chaudière plus sensible aux risques d’embouage. Ceci peut être un frein à son utilisation en rénovation dans des installations contenant des boues.

Exemple de circuit raccordé à des chaudières à faible volume d’eau. L’alimentation en eau des chaudières est permanente (bouteille casse-pression, circulateur de recyclage, …) même lorsque les vannes mélangeuses sont fermées. Une boucle de « Tychelman » n’est pas nécessaire puisque la perte de charge de la tuyauterie est négligeable par rapport à la perte de charge des chaudières.

Une chaudière à grand volume d’eau a une plus grande inertie thermique. Ceci augmente les temps de fonctionnement des brûleurs et donc limite le nombre de démarrages du brûleur, source d’imbrûlés. Les chaudières à grand volume d’eau peuvent fonctionner sans circulation forcée. Lors du fonctionnement du brûleur, le débit d’eau interne circulant par thermosiphon est suffisant pour éviter tout risque pour la chaudière. Cette possibilité de fonctionner sans pompe d’irrigation simplifie grandement la conception des circuits de distribution, diminue les coûts d’investissement et d’exploitation.

Exemple de circuit raccordé à des chaudières à grand volume d’eau. Il n’y a pas de pompe primaire (sauf si les collecteurs se trouvent dans une sous station éloignée de la chaufferie). L’absence de débit dans les chaudières quand les vannes mélangeuses sont fermées ne pose aucun problème. Le circuit primaire est moins coûteux en investissement et en exploitation (moins de pompes).

Notons qu’il existe des technologies qui combinent la rapidité de réaction liée à un faible volume d’eau et la possibilité de se raccorder à un circuit hydraulique extrêmement simple. C’est la régulation intégrée à la chaudière qui coupe cette dernière en cas d’arrêt de la circulation (« flow switch » qui mesure le débit de chaque chaudière ou « aquastat » qui mesure une montée en température anormale de la chaudière).

Nombre de chaudières

Lorsque la puissance utile à installer est supérieure à 200 kW, la dissociation de la production en plusieurs chaudières peut être envisagée. Dans la lecture des éléments suivants, il y a une distinction claire à faire entre les anciennes technologies de chaudières (avec des pertes à l’intérêt significatives) et les chaudières modernes (où les pertes à l’arrêt sont réduites). Comme nous sommes dans une section relative à la conception de nouvelles installations, il faut dès lors se focaliser sur ces chaudières modernes. Pour celles-ci, la division de la puissance à installer en plusieurs chaudières est essentiellement destinée à assurer la production en cas de panne d’une des chaudières (c.-à-d. la sécurité d’approvisionnement). D’un point de vue purement énergétique, la division en plusieurs chaudières peut même être légèrement défavorable avec les chaudières modernes possédant des possibilités de modulation en puissance (brûleur deux allures ou modulant). En effet, les chaudières modernes présentent des rendements de combustion supérieurs à charge partielle, c’est notamment le cas des chaudières à condensation au gaz à prémélange équipée d’un brûleur modulant (de 10 à 100% de la puissance nominale).

Intérêt de diviser la puissance à installer en plusieurs chaudières

Démultiplier le nombre de chaudières a comme intérêt de :

Assurer la continuité de la fourniture de chaleur en cas de panne d’un générateur ?

Avec les chaudières modernes, c’est le principal argument en faveur de la démultiplication des chaudières. En effet, dans certaines applications, on souhaite que l’installation de chauffage puisse fonctionner, même si une des chaudières tombe en panne. C’est par exemple le cas des hôpitaux où la sécurité d’approvisionnement est vitale.

On pourrait imaginer que pour garantir la fourniture de chaleur en cas de panne d’une chaudière, il faille dédoubler la puissance nécessaire; en d’autres termes, qu’il soit nécessaire d’installer deux chaudières de 100% de la puissance maximale des besoins. Ce n’est pas le cas. En effet, il n’est pas nécessaire que chaque chaudière puisse répondre à tous les besoins. À titre d’exemple, prenons une installation composée de deux chaudières dimensionnées à 60% de la puissance maximale des besoins (Qtot). Durant une saison de chauffe, une puissance supérieure à 60% de la puissance totale n’est nécessaire que peu de temps. Par conséquent, si une des deux chaudières tombent en panne, elle pourra réaliser la production la majeure partie du temps. Si exceptionnellement, la demande dépasse les 60%. La chaudière ne répondra pas au besoin et la température du bâtiment descendra progressivement jusqu’à ce que les déperditions soient déminuées et équilibre la production de la chaudière. La probabilité qu’une panne de chaudière crée un inconfort important est donc minime. Et le surdimensionnement généralisé des installations limite encore ce risque.

Exemple.

Monotone de chaleur basée sur le climat moyen de St Hubert : la puissance n’est supérieure à 60 % de la puissance totale que 1 280 heures sur les 6 500 heures de la saison de chauffe. L’énergie fournie par la chaudière 1 est également nettement supérieure à l’énergie fournie par la chaudière 2.

Limiter au maximum les pertes des chaudières ? Seulement pour les anciennes chaudières

C’était l’argument avancé avec les anciennes chaudières. Il n’est plus forcément d’actualité. Voyons pourquoi.

Les pertes à l’arrêt d’une chaudière sont proportionnelles à sa puissance nominale : plus la puissance nominale augmente, plus les pertes augmentent. On a donc tout intérêt, lorsque celles-ci sont importantes, à limiter la puissance de la chaudière en activité grâce à une régulation en cascade. En effet, quand les besoins sont faible, une des deux chaudières peut rester non irriguée si bien que les pertes à l’arrêt se limite à la seule chaudière en fonctionnement (dont la puissance est inférieure à la puissance nominale totale de l’installation, et donc ses pertes).

Exemple.

Considérons un bâtiment de bureaux situé à Uccle, dont la puissance utile calculée est de 500 kW.

Deux solutions sont envisagées : une chaudière de 550 kW ou 2 chaudières 300 kW.

Solution	Combinaison	Temps de fonctionnement du brûleur durant la saison de chauffe	Temps d’arrêt de la chaudière durant la saison de chauffe
Solution 1	Chaudière 550 kW	1 844 [h]	5 800 – 1 844 = 3 956 [h]
Solution 2	Chaudière 1 300 kW	3 305 [h]	5 800 – 3 305 = 2 495 [h]
Solution 2	Chaudière 2 300 kW	77 [h]	5 800 – 77 = 5 723 [h]

Monotone de chaleur indiquant le temps total pendant lequel la puissance nécessaire est supérieure à un certain pourcentage de la puissance totale installée, soit dans ce cas : 2 x 300 [kW]. La 2ème chaudière devra produire 23 040 [kWh] et donc son brûleur ne fonctionnera que durant 23 040 [kWh] / 300 [kW] = 77 [h]

Si le coefficient de perte à l’arrêt des chaudières est de 1% et le rendement utile des chaudières est de 91 %, on peut estimer les pertes à l’arrêt enregistrées dans les deux solutions :

Solution	Combinaison	Puissance nominale de la chaudière	Perte à l’arrêt
Solution 1	Chaudière 550 kW	550 [kW] / 0,91 = 604 [kW]	0,01 x 604 [kW] x 3 956 [h/an] = 23 894 [kWh/an] ou 2 389 [litres de fuel]
Solution 2	Chaudière 1 300 kW	300 [kW] / 0,91 = 330 [kW]	0,01 x 330 [kW] x 2 495 [h] = 8 233 [kWh/an] ou 823 [litres de fuel]
Solution 2	Chaudière 2 300 kW	300 [kW] / 0,91 = 330 [kW]	– ()*

(*) si la chaudière n’est irriguée que lorsqu’elle est en demande, on peut considérer que ses pertes à l’arrêt sont inexistantes (à nuancer en fonction de l’inertie thermique de la chaudière). On aura donc compris que dédoubler le nombre de chaudières ne permet une économie que si la chaudière non nécessaire est déconnectée hydrauliquement de l’installation (au moyen d’une vanne motorisée) et non maintenue en température. Dans le cas contraire, celle-ci présente toujours des pertes à l’arrêt.

L’intérêt énergétique de dissocier la puissance chaudière était important dans le cas des anciennes chaudières présentant des pertes à l’arrêt importantes (parfois plus de 3 ..4 %). Il l’est toujours pour les chaudières gaz atmosphériques.

Les chaudières modernes à brûleur pulsé ou à prémélange avec ventilateur ont des pertes à l’arrêt quasi négligeables (isolation importante, clapet d’air sur le brûleur éliminant les pertes par balayage). L’intérêt énergétique de démultiplier les chaudières est alors nettement moindre, voire même négatif. En effet, si la chaudière unique est équipée d’un brûleur à 2 allures ou modulant, elle travaillera durant une majorité de la saison de chauffe en petite puissance (première allure) et verra son rendement de combustion grimper. Cela compense largement la faible augmentation des pertes à l’arrêt par rapport à des chaudières multiples régulées en cascade.

On peut donc considérer qu’actuellement, exception faite du cas des chaudières gaz atmosphériques, l’intérêt d’installer plusieurs chaudières se situe presqu’exclusivement au niveau de la sécurité d’approvisionnement en cas de panne.

De plus, il faut être attentif au coefficient de perte à l’arrêt annoncé par le fabricant de chaudières, en fonction de la puissance choisie. En effet, celui-ci est généralement plus important pour les petites chaudières que pour les grosses, ce qui risque de diminuer encore quelque peu le gain énergétique éventuellement réalisable par la dissociation de la puissance à installer en plusieurs unités.

Exemple.

Voici les coefficients de perte à l’arrêt annoncés par un fabricant, en fonction de la puissance de la chaudière :

Puissance [kW]	80	130	225	345	460
Coefficient de perte à l’arrêt [%]	0,41	0,28	0,15	0,13	0,13

Augmenter le temps de fonctionnement des brûleurs ?

La dissociation de la puissance, soit au moyen de brûleurs à plusieurs allures, soit au moyen de plusieurs chaudières, a également comme avantage d’augmenter la durée de fonctionnement des brûleurs. Cela diminue le nombre de démarrages et d’arrêts du brûleur, générateurs de mauvaise combustion, de suie (source d’encrassement et de surconsommation), d’émission de polluants (NO_x, CO) et de très légères pertes par préventilation.

Cet avantage réel est malheureusement difficilement chiffrable.

Chaufferies composées

On parle de « chaufferie composée » quand on associe une chaudière traditionnelle et une chaudière à condensation.

Chaudière à condensation associée à une chaudière traditionnelle.

Le graphe suivant montre l’intérêt de choisir une telle combinaison lorsque l’on souhaite installer plusieurs chaudières afin de garantir l’approvisionnement : lorsque l’on dissocie la puissance à installer en deux chaudières identiques dont une à condensation, celle-ci produira la plus grande partie de l’énergie nécessaire sur l’année, ce, en condensant une grande partie du temps de chauffe (dépend du régime de température). La chaudière traditionnelle ne viendra en appoint que par les plus grands froids, c’est-à-dire dans des conditions de toute façon défavorables à la condensation.

Étant donné le peu de gain supplémentaire que l’on peut espérer en combinant deux chaudières à condensation, cette solution est, elle, la plupart du temps rejetée. Cependant, les chaudières à condensation deviennent standard dans la plupart des configurations et leurs prix se démocratisent de plus en plus : on en tiendra compte !

Exemple :

Monotone représentant, pour le climat moyen de Uccle, le nombre d’heures par an pendant lesquelles une installation de chauffage non surdimensionnée, calculée pour un régime de température d’eau 90°/70° et régulée en température glissante, fonctionne avec une température d’eau de retour supérieure à une certaine valeur.
L’installation est composée de deux chaudières (une à condensation et une traditionnelle) de puissance égale à 50 % des besoins maximaux.

On constate que la chaudière à condensation pourra fournir la majorité de l’énergie nécessaire, ce dans des conditions favorables à la condensation puisque la température de retour ne dépasse 55°C (limite approximative pour que les fumées condensent) que 113 heures par an, par les plus grands froids.

Cependant, d’un point de vue énergétique, il est plus intéressant de placer une seule chaudière gaz à condensation équipée d’un brûleur modulant à grande plage de modulation (10 % .. 100 %), reprenant l’entièreté de la puissance nécessaire, plutôt qu’une chaufferie composée. En effet, ces chaudières ont un rendement maximal lorsqu’elles travaillent à faible charge (si l’excès d’air est correctement contrôlé, le rendement de combustion augmente quand la puissance du brûleur diminue). De plus, la modulation élimine quasi totalement les pertes à l’arrêt.

Dissocier la puissance à installer entraînerait donc une perte énergétique et installer deux chaudières à condensation de ce type risque d’être plus onéreux. Pour les chaudières au mazout à condensation, cela dépend des capacités de modulation en puissance de la chaudière : 1 allures, 2 allures ou modulant.

Brûleur 1, 2 allures ou modulant ?

Adapter la puissance du brûleur aux besoins réels qui sont variables, permet d’augmenter sa durée de fonctionnement et donc de limiter le nombre de démarrages et d’arrêts qui comme nous l’avons signalé plus haut sont une source d’imbrûlés et d’émissions polluantes. Diminuer la puissance du brûleur par rapport à la puissance nominale de la chaudière permet également d’augmenter le rendement de combustion (les fumées vont sortir plus froides). Le rendement de combustion augmente ainsi de 2 .. 2,5 % lorsque l’on abaisse la puissance du brûleur à 60 % de sa puissance nominale.

Exemple.

Évolution du rendement de combustion des brûleurs actuels en fonction de la modulation de sa puissance.

Pour les brûleurs pulsés modulants (fuelou gaz) (de 30 à 100 %) : dans un premier temps, lorsque la puissance du brûleur diminue (à partir de 100 % de puissance), la température des fumées diminue et le rendement augmente. À partir d’un certain moment, la diminution de la quantité de particules de combustible et leur dispersion (la pulvérisation du fuel devient difficile) imposent d’augmenter l’excès d’air pour éviter les imbrûlés. Le rendement diminue de nouveau.

Pour les nouveaux brûleurs gaz modulant avec contrôle de la combustion : le contrôle de la combustion permet de maintenir un excès d’air correct, sans production d’imbrûlé, sur toute la plage de modulation. On obtient donc une plage de modulation plus grande (10 à 100 %) avec une qualité de combustion constante et des fumées qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver à la condensation).

Pour les brûleurs gaz atmosphérique 2 allures (sans ventilateur) (50% /100%) : l’air de combustion est amené dans la chaudière naturellement. L’excès d’air n’est donc pas contrôlé. Si la puissance du brûleur diminue de moitié, ce n’est pas le cas de la quantité d’air aspirée. L’excès d’air augmente donc et le rendement chute.

L’idéal

L’idéal serait un brûleur modulant sa puissance de 0 à 100 % en fonction des besoins, tout en gardant constante la qualité de la combustion. Dans ce cas, il démarrerait en début de saison de chauffe et fonctionnerait en continu, sauf en période de coupure (de nuit, …), avec un rendement de combustion maximal.

Ce type de brûleur n’existe malheureusement pas aujourd’hui. Néanmoins, on s’approche progressivement de cette situation.

En effet, les fabricants de chaudières ont développé des brûleurs gaz modulants spécifiques pour leur matériel (principalement les chaudières à condensation). Ces brûleurs permettent souvent une modulation de leur puissance de 10 à 100 %, certains avec un contrôle permanent de la combustion. Une des raisons pour laquelle les constructeurs ne prévoient pas de descendre sous les 10 %, est que la plage de fonctionnement du brûleur doit correspondre à la résistance foyère de la chaudière et les prescriptions relatives à la cheminée. En dessous de cette valeur de 10 %, le brûleur (entendons le ventilateur) n’est plus suffisamment puissant pour vaincre les pertes de charge du foyer et de la cheminée. Dans le cas du mazout, les premières chaudières basse puissance modulante commence à faire leur apparition.

Brûleur gaz modulant sa puissance en faisant varier la surface d’accrochage de la flamme et en adaptant les débits d’air et de gaz. On voit ici la flamme correspondant à 10, 50 et 100 % de puissance. La quantité d’air nécessaire à la combustion est réglée automatiquement par une sonde d’O₂ mesurant les caractéristiques des fumées.

Choix du brûleur

Puissance nominale (Pn)	Brûleur gaz atmosphérique	Brûleur gaz à air pulsé	Brûleur gaz à prémélange avec ventilateur	Brûleur mazout à air pulsé
Pn < 100 – 150 kW	Tout ou rien, voire deux allures	Tout ou rien	Modulant (10 – 20 à 100 %).	Tout ou rien
Pn < 150 – 250 kW		Deux allures		Deux allures
Pn > 150 – 250 kW		Modulant (30 – 100 %)		Deux allures
Pn > ~ 1 MW	Chaudières en cascade		Chaudières en cascade.	Modulant (40-100%)
Pn > ~ 3 MW	Techniquement trop complexe		Techniquement trop complexe.	Modulant (40-100%)

Dans cette discussion, il faut distinguer les installations au mazout et au gaz:

En ce qui concerne le gaz, les brûleurs à prémélange, avec ventilateur et contrôle de combustion permettent dès les faibles puissances d’atteindre de larges plages de modulation (typiquement, une puissance minimale de 10 à 20% de la puissance nominale). Moins cher que le brûleur pulsé gaz et possédant une plus large plage de modulation, on préfère souvent ces brûleurs à prémélange. Néanmoins, les chaudières à prémélange sont de type « unit », c’est-à-dire que chaudière et brûleur sont indissociables. Si l’on souhaite pouvoir changer de combustible pour une même chaudière, par exemple en fonction d’une situation future, il est souhaitable de travailler avec un brûleur pulsé qui, dans ce cas, est un élément distinct de la chaudière.

Pour les puissances élevées dépassant ~1MW, il est techniquement difficile de réaliser des chaudières à prémélange si bien qu’il faut associer plusieurs chaudières en cascade pour dépasser ce seuil. Néanmoins, au-delà de 3 chaudières, l’installation devient difficile à réguler/piloter. En conclusion, au-delà de 3MW, on travaille avec un ou plusieurs brûleurs pulsés au gaz. À ce niveau de puissance, les brûleurs pulsés sont de type modulant. De manière générale, entre 1MW et 3MW, les techniques à prémélange avec ventilateur et à air pulsé peuvent se justifier.

En ce qui concerne le mazout, mis à part quelques nouveaux modèles de chaudières type « prémix » modulantes à basse puissance, on travaille essentiellement sur base de brûleurs pulsés, et ce, dès les petites puissances. Avant les puissances de 100-150 kW, les brûleurs n’ont qu’une allure. Entre 150 et ~1MW, les brûleurs pulsés au gaz ont typiquement 2 allures. Ce n’est qu’à partir d’~1MW, que la complexité technique du brûleur pulsé mazout modulant se justifie économiquement.

Contrôle de la combustion

Pour les chaudières traditionnelles

Un brûleur moderne à air pulsé doit assurer en permanence une combustion complète, avec un minimum d’excès d’air. C’est la seule façon d’obtenir les meilleurs rendements de combustion et les émissions les plus faibles.

En pratique, des facteurs extérieurs tels que la pression et la température de l’air comburant, le degré d’humidité de l’air, les fluctuations du pouvoir calorifique du combustible ou encore des variations de contre-pression dans la chambre de combustion peuvent modifier la combustion.

Variation du taux d’oxygène contenu dans l’air en fonction des conditions atmosphériques extrêmes (hiver ensoleillé – été pourri)
	Hiver	Eté
Pression atmosphérique [mbar]	1 043	983
Température [°c]	– 5	20
Humidité relative [%]	0	100
m³ d’O2 dans 1 m³ d’air comburant	0,2196	0,1849
Différence été/hiver	19 %

Les responsables de chaufferie ont tendance à régler les brûleurs à air pulsé avec des excès d’air plus élevés, de manière à éviter la formation d’imbrûlés quelle que soit la saison, ce, au détriment des performances de la combustion.

On aura compris qu’un réglage optimum de l’excès d’air ne peut se faire en toute saison que sous une surveillance permanente. Une sonde à oxygène (sonde O₂ ou sonde lambda) mesure de façon continue la teneur en oxygène des fumées et ajuste le réglage du brûleur.

Sonde O₂ au zirconium ou sonde lambda.

Étant donné le coût de ce système de réglage (de 7 500 à 10 000 € pour la transformation d’un brûleur existant; de 5 000 € à 6 250 € si l’installation de la sonde O₂ s’effectue en même temps que le renouvellement du brûleur), le placement d’une sonde O₂ ne peut cependant se justifier économiquement que dans les installations de grosse puissance (chaudières de plus de 1 MW). Pour fixer un ordre de grandeur, l’ARGB délivre une prime à l’installation d’une sonde O₂ pour les installations consommant plus de 293 000 m³ de gaz par an (ce qui équivaut, dans le secteur, à une puissance de l’ordre de 2 MW).

L’économie réalisable dépend évidemment du réglage habituel du brûleur. Le « Recknagel » annonce qu’un réglage automatique de la combustion permet d’atteindre une augmentation du rendement annuel de production de 2 à 5 %.

Pour les chaudières à condensation

Nous avons vu que la quantité d’énergie récupérée grâce à la condensation des fumées dépend du réglage de la combustion. Cela apporte un intérêt complémentaire à la régulation permanente des paramètres de combustion.

C’est pourquoi, pour optimaliser le fonctionnement de leur chaudière à condensation, certains constructeurs ont équipé d’origine leur matériel d’une sonde O₂ et d’une régulation qui corrige automatiquement la vitesse du ventilateur du brûleur en fonction de la qualité de la combustion.

Malheureusement, nous ne disposons pas actuellement de donnée neutre permettant de chiffrer le gain réel résultant de ce mode de régulation, ce par rapport aux chaudières dont le modulation se fait en maintenant constant le rapport entre le volume d’air et de gaz admis dans le brûleur.

Suivi des consommations

Compteurs d’heures sur un brûleur 2 allures.

Le suivi des consommations est une des clés de la gestion énergétique.

Gérer

Pour en savoir sur la comptabilité énergétique.

Dans le cas d’une installation fonctionnant au fuel, il est difficile d’effectuer un suivi régulier (mensuel) du fait de la complexité de la mesure de la consommation. Le placement d’un compteur de fuel sur le brûleur permet de résoudre le problème. Ce placement est parfois complexe sur un brûleur existant. C’est pourquoi il est important de le prévoir dès la commande du brûleur, les fabricants pouvant alors fournir un compteur intégré.

Notons que pour les chaudières fonctionnant au gaz, le relevé du compteur gaz permet le même suivi des consommations. Si d’autres consommations peuvent être identifiées (cuisines, stérilisateurs dans les hôpitaux, …), il faudra les dissocier des consommations des chaudières.

Une autre possibilité est l’intégration de compteurs d’heures de fonctionnement du brûleur (un compteur par allure). Il faudra alors connaître le débit de combustible pour connaître la consommation. Pour le fuel, celui-ci devra être calculé à partir des caractéristiques du gicleur reprises notamment sur l’attestation d’entretien des chaudières. La présence de compteurs d’heure de fonctionnement permet également, si on prend la discipline de les relever, de visualiser le fonctionnement de l’installation. On peut par exemple constater que dans une cascade de deux chaudières, une des deux chaudières n’a jamais tourné durant l’année. Cela indique que l’installation est surdimensionnée. Ou à l’inverse, si le nombre d’heures est identique, que la régulation en cascade est mal réglée, …. Cependant, il existe un mode de permutation sur les régulateurs de sorte à équilibrer la charge des chaudières.

En résumé, si nous devions choisir …

Nous sommes conscients qu’il est peut-être difficile de naviguer au milieu de tous les critères de choix décrits ci-dessus. C’est pourquoi nous vous faisons part des orientations que nous considérons être actuellement les plus performantes en matière de consommation énergétique et de protection de l’environnement. Ainsi, si nous devions concevoir une nouvelle installation de production de chaleur, nous choisirions,

Option 1 : Énergie fossile

Si le gaz est disponible :

Une chaudière gaz à condensation ou la combinaison d’une chaudière à condensation avec une chaudière traditionnelle (si on désire une assurance de fourniture de chaleur en cas de panne). Sur ce point, nous sommes un peu partagés sachant que le prix des chaudières à condensation diminue relativement vite.
Cette chaudière serait dimensionnée suivant la norme NBN B62-003.
Elle serait équipée d’un brûleur à pré-mélange modulant avec ventilateur (avec une grande plage de modulation : de 10 à 100 %) et avec un dosage entre l’air comburant et le gaz le plus précis possible sur toute la plage de modulation.
Elle serait raccordée à un circuit hydraulique favorisant au maximum la condensation et de préférence le plus simple possible de manière à éviter les erreurs de conception et de régulation (chaudière ne nécessitant pas de débit minimal).
Elle aurait les émissions de CO et NO_x les plus faibles possibles.

Si le gaz n’est pas disponible :

Une chaudière ou plusieurs chaudières (si on désire une assurance de fourniture de chaleur en cas de panne) fuel à triple parcours. Attention que les chaudières à condensation au fuel sont de plus en plus présentes sur le marché et donnent d’excellentes performances énergétiques.
Si possible à condensation ou, au minimum, pouvant travailler à « très basse température ».
Équipée d’un brûleur « Low NO_x« , à 2 allures ou d’un brûleur modulant pour les grandes puissances.
Équipée d’un compteur fuel pour faciliter le comptage énergétique.

Option 2 : Energie renouvelable

Une chaudière au bois-énergie (pellets ou plaquettes) en combinaison avec une chaudière au mazout « très basse température » (pour assurer la fourniture de chaleur en cas de panne et pour réaliser l’apport de pointe de chaleur lors des températures extérieures extrêmes, ce qui maximise le temps de fonctionnement de la chaudière au bois),
Alimentée en bois dans un conditionnement de qualité,
Équipée d’un dispositif de comptage des consommations pour faciliter le comptage énergétique (soit basé sur la quantité de bois consommé ou la régulation de la chaudière).

Et pour les chaudières de puissance importante

Chaudière à condensation avec échangeur intégré.

Au-delà d’une certaine puissance (> 1 000 à 1 500 kW), il est difficile de trouver des chaudières à condensation où l’échangeur pour la condensation est intégré à la chaudière. Les modèles proposés au-dessus de cette puissance sont en général des chaudières à haut rendement équipés d’un échangeur à condensation placé en aval (du point de vue des fumées) de la chaudière.

Intérêt des chaudières avec échangeur à condensation externe

Les chaudières HR équipées d’un échangeur à condensation externe (ou condenseur séparé) sont-elles comparables aux chaudières à condensation proprement dite ?

A priori, dans la mesure où le choix entre ces deux types de chaudières est possible, les constructeurs avancent que la chaudière à condensation dispose d’une surface d’échange plus importante que la somme des surfaces d’échange de la chaudière et de l’échangeur à condensation réunis. De plus, la température des fumées dans la chaudière HR devant rester au-dessus du point de rosée (l’échangeur de la chaudière n’est pas prévu pour condenser), les fumées entrent dans le condenseur séparé à plus haute température que dans le cas des condenseurs intégrés.

Dans une première approche, l’intérêt des condenseurs externes est mitigé. Si la possibilité existe de pouvoir choisir, dans la gamme de puissance considérée, entre une chaudière à condensation à part entière et une chaudière classique HR avec échangeur à condensation séparé, il ne faut pas hésiter un seul instant.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Domaines d’application de la pompe à chaleur

Le chauffage des locaux

Un nouvel essor dans le secteur domestique

En construction domestique neuve (avec une bonne isolation), le chauffage par pompe à chaleur (PAC) connaît un regain d’intérêt.

Les pompes à chaleur Air/Eau domestiques (puissance calorifique nominale entre 1 et 19 kW environ) sont proposées par différents fournisseurs et sont de plus en plus éprouvées. En Europe, le marché des PAC suit une croissance continuelle. Les régions phares sont la Suède (333 000 unités en 2000), l’Allemagne (63 000 unités), la Suisse (61 000 unités) et l’Autriche (33 000 unités). La part de marché de la PAC en construction neuve atteint 95 % en Suède. L’origine hydraulique de l’électricité n’y est sans doute pas pour rien…

Statistiques du marché des pompes à chaleur tous modèles confondus entre 2005 et 2009 dans quelques pays européens.

Source : EHPA Outlook 2009, Heat Pump Statistics.

La petite PAC de chauffage domestique est disponible de série. Par exemple, pour une maison familiale très isolée dont les besoins thermiques maximums se montent à 8 kW, une PAC compacte de 4 kW de puissance thermique (1.3 kW au compresseur) fonctionnant en mode bivalent peut couvrir près de 70 % des besoins de chauffage annuel.

Ce genre d’appareil se branche sur les réseaux de distribution de chaleur comme les chaudières classiques. Le but des fournisseurs est d’offrir aux acheteurs et aux installateurs une pompe à chaleur qui soit pour eux aussi simple d’utilisation que n’importe quel autre générateur de chaleur.

Fonctionnant en général avec l’air extérieur comme source froide, ces modèles sont universels et demandent des frais d’installation relativement limités (conduites d’amenée d’air,…). Ils peuvent donc être adaptés à des réseaux de distribution existants lors du remplacement d’une chaudière.

Par rapport à un chauffage traditionnel, le bilan en énergie primaire est relativement neutre.

Deux éléments peuvent jouer en faveur de la pompe à chaleur : un environnement particulièrement propice (source) ou un domaine d’application pour lequel elle serait particulièrement performante :

Il est clair que s’il y a présence d’une source froide de qualité (nappe phréatique, rivière, grande étendue ensoleillée), cette technique devrait tout particulièrement inciter les concepteurs et maîtres d’ouvrages à réaliser des études de rentabilité.

L’investissement élevé se justifie parfois parce que les PAC sont des outils capables de faire du chaud et du froid. Même si c’est un constat d’échec pour la conception architecturale du bâtiment domestique qui dans nos régions doit pouvoir se passer de climatisation, c’est effectivement un moyen pour corriger le défaut et combattre les surchauffes.

Les lieux d’hébergement collectifs

La solution type, rencontrée par exemple pour les immeubles d’appartements jusqu’à une cinquantaine de logements, est la pompe à chaleur Air/Eau, avec appoint électrique centralisé et distribution par chauffage par le sol. Bien que la pompe à chaleur puisse fonctionner avec les niveaux d’isolation courants, un renforcement de cette isolation est conseillé pour limiter la température de l’eau de chauffage et améliorer ainsi les performances de l’installation. Cette PAC assure une température de base avec des charges de chauffage faibles et laisse à chaque utilisateur le soin de régler sa température de confort via des chauffages d’appoint décentralisés (convecteurs dans les appartements) de faible puissance.

On détecte 3 points faibles à cette installation

Le chauffage par le sol de nuit, qui ne permet pas une régulation valable (il est possible que le soleil apparaisse le lendemain et que l’accumulation de chaleur de nuit consentie était inutile),

Le complément électrique centralisé qui se fait avec un COP de 1 et qui donc détruit partiellement la performance de la PAC,

Les compléments électriques décentralisés qui sont fournis au courant de jour, dont au prix fort.

La pompe à chaleur, pour dégager une économie, devra couvrir plus de la moitié de l’écart de température de base (écart entre la température de confort et la température de dimensionnement). Autrement dit, pour une température intérieure désirée de 20 °C et une température de base de – 10 °C en Belgique, la PAC doit pouvoir fournir seule la chaleur nécessaire jusqu’à une température extérieure de 5 °C pour être rentable.

Il faut éviter de surdimensionner la PAC pour ne pas multiplier les courts cycles et faire face à une usure accélérée du matériel.

Les PAC Air/Eau avec chauffage par le sol peuvent être réversibles et assurer un rafraîchissement (gain de 3 à 5 K). Il ne s’agit pas d’un système de climatisation à proprement parler, mais d’un apport de confort. La température de l’eau dans les planchers rafraîchissants ne descend pas sous 18 °C (température au sol de 20 à 22 °C), même si la charge à absorber en demanderait davantage. Le seul surcoût d’investissement est un système de régulation un peu plus complexe.

A nouveau le choix de la source de chaleur est très important. Ainsi, lorsqu’une nappe phréatique est présente, l’avantage sera donné aux PAC Eau/Eau qui ont une meilleure performance et sont moins limitées en puissance. Les ensembles de logements pouvant assumer des investissements financiers plus importants que les particuliers, ils peuvent également envisager des PAC Sol/Eau avec forage de grande profondeur pour obtenir une plus grande puissance.

Chauffage et refroidissement d’un ou plusieurs locaux par système split

L’installation d’un système split consiste généralement en une simple pompe à chaleur Air/Air,

dont l’évaporateur est placé à l’extérieur,

et dont le condenseur est soit dans un local technique où il est relié à un réseau de distribution, soit directement dans le local à chauffer, par exemple dans un ventilo-convecteur.

Structure type d’un système split.

Le transfert de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur se fait par le fluide frigorigène qui traverse la peau du bâtiment dans des canalisations calorifugées.

Exemple de produit : Un fournisseur offre une gamme d’installations dont la puissance va de 1 à 8 kW. La distance autorisée entre le condenseur et l’évaporateur est de 15-20 mètres avec des dénivellations d’une dizaine de mètres. Les prix vont de 1 600 à 4 000 €.

Réversible, la PAC peut aussi constituer une source de rafraîchissement pour l’ambiance.

Un condenseur commun et plusieurs unités intérieures = multi-split.

Exemple de produit multi-split :

Un fournisseur propose une gamme standard d’installations multi-split complètes dont l’unité extérieure a une puissance frigorifique maximale allant de 1 à 11,5 kW et une puissance calorifique maximale de 0,9 à 17,2 kW, pour des débits d’air d’environ 2 100 m³/h. La longueur maximale de tuyauterie autorisée va de 35 à 70 mètres au total selon l’unité extérieure choisie dans la gamme. Le branchement de plus de 4 unités intérieures par unité extérieure n’est pas possible. Les unités intérieures peuvent être murales, en consoles, gainables ou en cassette 2 ou 4 voies. Leur puissance frigorifique varie entre 1 et 4,5 kW et leur puissance calorifique entre 1,1 et 6,4 kW. Chaque unité intérieure accepte une longueur de tuyauterie de 25 m. Le prix des groupes de condensation (unité extérieure) est entre 2 285 et 4 150 €, celui des unités intérieures de 585 à 2 235 € pièce.

Climatisation

Pour plus d’informations sur le choix des systèmes splits.

Chauffage et refroidissement des locaux par système à Débit de Réfrigérant Variable

Parmi les systèmes multi-split, un système permet une économie d’énergie en réalisant le transfert de chaleur entre les zones aperditives et déperditives d’un même bâtiment : il s’agit des installations à « Débit de Réfrigérant Variable (DRV) ».

Attention : tous les systèmes DRV ne disposent pas de cette possibilité. Il faut que chaque unité intérieure puisse travailler aussi bien en froid (= évaporateur) qu’en chaud (= condenseur) et que le système organise le transfert de l’un vers l’autre. Cette version de DRV est d’ailleurs 40 % plus chère que la version qui ne peut faire que du chaud ou que du froid, alternativement.

Cette variante, dite « à récupération d’énergie », est particulièrement intéressante si l’on prévoit des apports internes élevés durant l’hiver : salle informatique, locaux intérieurs, … La chaleur extraite pourra être restituée vers les locaux demandeurs en façade. Elle peut être intéressante également en mi-saison (façades d’orientation différentes).

Ce potentiel augmente également si, au lieu de prendre une structure classique rectangulaire (bureaux en façade et couloir central), une structure carrée avec beaucoup de locaux internes est décidée, ou si des étages enterrés en sous-sol sont programmés.

Climatisation

Pour plus d’informations sur le choix des systèmes à DRV.

Chauffage et refroidissement des locaux par ventilo-convecteurs réversibles 2 tubes/2 fils

Une pompe à chaleur Air/Eau réversible, souvent placée en toiture, alimente en chaud ou en froid le circuit hydraulique du bâtiment, jouant le rôle de chauffage central et de groupe de froid. Le circuit de distribution est constitué de 2 canalisations calorifugées véhiculant l’eau glacée et l’eau chaude. Des ventilo-convecteurs réversibles 2 tubes/ 2 fils émettent l’action calorifique vers l’air des locaux, en apportant si nécessaire un appoint de chaleur électrique direct lorsque les conditions de fonctionnement des locaux sont trop différentes. L’air neuf est apporté et traité par un réseau indépendant.

La régulation de la PAC et le « change over » (basculement du mode chaud au mode froid) sont basés sur la température extérieure. Il est indispensable de prévoir une plage neutre importante entre les températures de basculement pour éviter des alternances trop fréquentes. En effet, le basculement génère une destruction d’énergie importante : l’ensemble de l’eau contenue dans le circuit hydraulique passe d’eau glacée (8 °C) à eau de chauffage (35 °C) ou l’inverse. Idéalement, il y a deux basculements par jour en mi-saison : de chaud en froid dans la journée, et de froid en chaud la nuit.

Avantages

Économie d’investissement puisque d’une part il s’agit d’un réseau 2 tubes et pas 4, et d’autre part une seule machine fournit l’eau chaude et l’eau glacée au départ d’une seule source d’énergie, ce qui simplifie l’installation.

Souplesse du système. La PAC peut être remplacée par une chaudière classique et une machine frigorifique sans apporter de modifications importantes au réseau de distribution. L’inverse est tout aussi vrai et cette solution est donc à envisager lors de la rénovation des systèmes de traitement d’air par ventilo-convecteurs.

Les ventilo-convecteurs 2 tubes/ 2 fils permettent une régulation adaptée à chaque local. Il s’agit donc d’une souplesse supplémentaire par rapport aux appoints centralisés.

Désavantages

L’utilisation des résistances électriques d’appoint des ventilo-convecteurs se fait au tarif de jour est donc onéreuse. Une bonne régulation de la température de l’eau dès la sortie de la PAC est très importante pour réduire ces coûts. Pour des raisons de confort, il est d’ailleurs plus fréquent, en Belgique, d’installer des réseaux 4 tubes. Mais dans ce cas, le fonctionnement ne peut se faire avec une seule machine réversible.

L’installation ne fournit pas d’air neuf. Il faut donc l’accompagner par une centrale de traitement d’air et un réseau de distribution pour l’alimentation en air hygiénique. La centrale de traitement d’air peut disposer d’un récupérateur d’énergie sur l’air extrait et être alimentée en chaleur par la PAC.

Généralement, les systèmes réversibles amènent à un surdimensionnement de la puissance de chauffage pour pouvoir assurer la charge frigorifique. Or, il est intéressant d’économiser l’énergie électrique durant les périodes de chauffe (tarifs pleins). Une économie possible consiste à détourner le circuit de retour des ventilo-convecteurs vers un échangeur à plaque afin de préchauffer l’eau chaude sanitaire. Ce détour limite le surdimensionnement et permet une économie de près de 50 % sur la production d’ECS (campagne de mesure réalisée en France dans l’hôtellerie).

Chauffage et refroidissement des locaux par pompes à chaleur sur boucle d’eau

Description du principe

La technologie des PAC sur boucle d’eau s’établit autour des trois composantes du système :

les PAC ou climatiseurs réversibles (Eau/Air) assurent le chauffage ou le refroidissement des locaux suivant les besoins thermiques de ceux-ci,

la boucle d’eau, circuit d’eau fermé raccordé aux climatiseurs réversibles et aux échangeurs de chaleur, assure la circulation d’énergie thermique dans le bâtiment,

une chaudière et une tour de refroidissement assurent le maintien en température de la boucle d’eau en apportant ou en évacuant les calories suivant le bilan thermique global du bâtiment.

La boucle d’eau assure ainsi le transport d’énergie entre l’ensemble des locaux et le transfert de chaleur des zones aperditives du bâtiment (zones internes, salles de réunion, locaux informatiques, locaux sur façade ensoleillée) vers les zones déperditives (locaux périphériques, locaux sur façades à l’ombre).

Elle permet donc d’effectuer en permanence le calcul simultané des besoins thermiques globaux du bâtiment et, en contrôlant sa température, de puiser ou de rejeter, sur l’extérieur, l’énergie nécessaire à l’équilibre thermique de l’immeuble.

Consommation

Comme tout système avec échangeur direct (l’air du local passe directement dans l’évaporateur), la très basse température de l’échangeur génère un supplément de consommation non négligeable lié à la déshumidification de l’air ambiant (à ce titre, le ventilo-convecteur dont l’échangeur est dimensionné sur base d’un régime 12 °C – 17 °C est nettement plus performant).

L’évacuation des condensats est d’ailleurs un point délicat. Si elle ne peut être gravitaire, elle est confiée à une pompe de relevage intégrée dans l’appareil. Généralement, les pompes prévues par le constructeur sont moins bruyantes que celles ajoutées sur place par l’installateur. Autant donc le prévoir dès la sélection de la machine.

Régulation

Au niveau des pompes à chaleur, une zone neutre de 2 à 3 °C doit être prévue dans la consigne entre chauffage et refroidissement.

Un commutateur manuel peut permettre à l’utilisateur de sélectionner la vitesse de rotation du ventilateur (et donc le niveau de bruit qu’il accepte de subir !)

Mais c’est au niveau de la boucle que la régulation doit être la mieux étudiée pour optimaliser la performance énergétique. Plusieurs scénarii sont possibles. Par exemple, on peut laisser flotter la température entre 18 et 32 °C (autrement dit, la chaudière s’enclenche sous les 18 °C et la tour s’enclenche au-dessus des 32 °C). La récupération de chaleur entre locaux demande d’ailleurs un large différentiel, mais il ne faut pas pour autant pénaliser le COP des machines ! En plein hiver et en plein été, il faudra étudier quelle est la température qui optimalise au mieux l’ensemble.

Ainsi, si on diminue l’écart entre ces 2 seuils d’enclenchement, le COP des pompes à chaleur sera amélioré, mais la consommation énergétique au niveau central sera accrue.

Exemple.

Dans la galerie commerciale, il est possible que les locaux doivent être réchauffés le matin (relance après la nuit) et refroidis l’après-midi suite à l’éclairage et à l’occupation. Idéalement, c’est alors l’inertie de la boucle qui devrait jouer, inertie renforcée par un ballon de stockage placé en série sur la boucle.

Durant l’après-midi, les machines frigorifiques chargent la boucle et son stockage. Le lendemain, en fin de nuit (pour profiter du tarif de nuit plus avantageux), les locaux sont remis en température avant l’arrivée des occupants… et le stockage est déchargé, sans consommation de la tour.

À noter : pour réduire l’encombrement du ballon de stockage, on peut envisager de le remplir avec des nodules eutectiques dont la température de solidification se situe dans la zone neutre de fonctionnement de la boucle.

Si un de nos lecteurs dispose d’une installation de ce type dans son bâtiment, nous serions heureux de participer à la mise au point de la régulation de ce système et de pouvoir en transcrire ici les résultats, en vue d’une prochaine version d’Énergie⁺ ! Notre adresse électronique est la suivante : energieplus@uclouvain.be.

Domaine d’application

D’une manière générale, ce système est adapté aux bâtiments dont on prévoit que les charges thermiques seront en opposition (façades d’orientation différentes). On pense tout particulièrement aux bâtiments ayant des salles aveugles avec fort taux d’éclairage, forte occupation, … et à la fois des locaux en façade Nord avec fortes déperditions (fort taux de vitrage).

Il permet une régulation individualisée. Il permet une sensibilisation de l’utilisateur final puisque la consommation propre des PAC installées dans ses locaux peut lui être facturée.

Mais il ne contrôle pas l’hygrométrie de l’air du local. La nuisance acoustique est parfois importante. Et l’utilisation d’énergie électrique aux heures pleines reste coûteuse.

De plus, aujourd’hui il entre en concurrence avec le système à « Débit de Réfrigérant Variable », (qui lui même dans une de ses variantes peut aussi comporter une boucle d’eau reliant les différentes unités extérieures).

Ce système est fréquemment utilisé dans les centres commerciaux. Chaque local est livré nu de tout équipement, sinon de la présence de la boucle et de raccordements en attente. Le commerçant investit dans une ou plusieurs machines réversibles et « pompe » le chaud ou le froid qu’il souhaite sur la boucle. On peut facilement mesurer la part individuelle de la consommation de chaque appareil dans le bilan total.

Étude de cas

Dans une galerie commerciale de Liège, un très gros circulateur à vitesse variable avait été mis sur la boucle d’eau. Sa régulation se faisait classiquement en fonction de la pression d’eau du réseau. Or les échangeurs des pompes à chaleur sont toujours alimentés à débit constant pour éviter le gel des évaporateurs. Donc l’eau tournait à grande vitesse et le Delta T° sur la boucle était seulement de 2 K, départ-retour.

Il a été imaginé de moduler la vitesse de rotation du circulateur en fonction du maintien d’un Delta T° de 6 K. Ainsi, si la demande augmente, le delta de T° augmente et la vitesse est adaptée. La température est maîtrisée et le gel est impossible.

Une chute drastique de la consommation électrique en a résulté.

Avantages du système

Régulation de température individualisée.
Conception simple, relativement facile à mettre en œuvre.
Système intéressant du point de vue énergétique en intersaison ou plus exactement lorsque les charges dans les différents locaux sont opposées et que la boucle est proche de l’équilibre thermique.
Les PAC sont relativement fiables à condition de respecter les débits d’air et d’eau.
Extension facile de l’installation.
Facilité d’installation, de démontage et de réemploi des PAC suivant l’occupation des locaux ou des réparations.
Sensibilisation de l’utilisateur final aux économies, car il supporte directement les frais électriques liés au fonctionnement des PAC installées dans ses locaux.
Réduction de la puissance de la production thermique centralisée.

Désavantages

Pas de contrôle de l’hygrométrie de l’air du local.
Problème de niveau sonore : puissance acoustique non négligeable, donc nécessité de traitement spécifique.
Besoin de raccordement des condensats vers l’égout.
Les économies sont relativement modestes. Les PAC consomment essentiellement de l’énergie électrique au qui ne peut être différée en heure creuse.
Le risque de panne ou d’intervention sur la boucle d’eau, sur les dispositifs centralisés, rend le système inquiétant pour les utilisateurs de climatisation critique (locaux informatiques, salles de fabrication…). Cette crainte conduit à séparer ces installations de l’installation principale ou à en dédoubler les équipements en cas de problèmes.

Choix des PAC réversibles

Ces PAC se présentent essentiellement sous trois formes :

Le modèle console en allège, installé contre les murs extérieurs, de préférence sous la fenêtre : il peut être carrossé ou bien intégré dans un habillage de façade ; il doit être installé dans le local à traiter et l’habillage de l’appareil doit faire l’objet d’un renforcement acoustique.

Le modèle plafonnier horizontal, installé généralement en faux plafond : il est conseillé d’installer la PAC à l’extérieur du local à traiter (circulation de bureau par exemple) et d’assurer le raccordement au diffuseur de soufflage par l’intermédiaire de gaines isolées thermiquement et phoniquement.

Le modèle vertical type armoire, installé dans un placard technique : un réseau de gaines de soufflage et éventuellement de reprise, assure la liaison entre la PAC et le local à traiter.

L’installation doit permettre de maintenir un accès aisé à l’appareil pour les opérations d’entretien. Les opérations de maintenance courantes consistent en nettoyage ou remplacement des filtres (opérations pouvant être effectuées par du personnel non qualifié).

Les opérations d’entretien, de réparation ou de remplacement de composant électrique (principalement le moteur du ventilateur de soufflage) sont possibles depuis les panneaux d’accès démontables.

En cas d’intervention sur le circuit frigorifique, il est recommandé de procéder à un échange standard de l’appareil et d’assurer la réparation en atelier.

La sélection doit être faite en fonction des besoins thermiques des locaux et de leur application. Il est souvent préférable de sélectionner un appareil d’une puissance légèrement inférieure aux besoins déterminés pour les conditions les plus défavorables; cela permet une meilleure adaptation de la puissance à la charge thermique moyenne à combattre et allonge les durées des cycles de fonctionnement de l’unité en évitant des inversions de cycle trop fréquentes.

Enfin, un réseau d’évacuation des condensats est à raccorder sur chaque appareil.
On sera attentif à la bonne isolation phonique du compresseur puisqu’il est ici situé dans le local !

Il existe des versions en apparent et des versions destinées à être insérées dans un habillage (en allège ou en faux plafond). S’il peut être placé dans un local technique attenant et relié au local par une gaine, l’installation sera nettement moins bruyante. La maintenance en sera également facilitée.

On veillera tout particulièrement à éviter la transmission des vibrations de l’appareil au bâtiment par l’usage de silentblocs ou de semelles antivibratiles. L’usage de raccordements flexibles est également favorable sur le plan acoustique et facilitera le démontage de l’appareil (prévoir des vannes d’isolement étanches).

Choix de la boucle d’eau

La boucle d’eau doit être un circuit d’eau fermé, préféré à un circuit d’eau ouvert en raison des problèmes d’embouage, d’entartrage et de corrosion. Ce circuit d’eau à température tempérée (15 °C à 35 °C environ) reçoit les composantes suivantes :

Les pompes de circulation prévues, l’une en fonctionnement normal, l’autre en secours, afin d’éviter tout risque de panne totale.

Une filtration de l’eau à réaliser au niveau des pompes de circulation et près des climatiseurs.

Un échangeur d’évacuation des calories, généralement du type échangeur à plaques, équipé d’un by-pass permettant les opérations de nettoyage, raccordé à un réseau d’eau de refroidissement.

Un réchauffeur d’eau équipé d’un by-pass.

Un réseau de distribution en tubes d’acier noir non calorifugé (sauf à l’extérieur); néanmoins la T°C modérée de l’eau permet l’utilisation de tuyauteries en PVC.

Des vannes d’isolement et d’équilibrage du réseau et, notamment, pour chaque raccordement à un climatiseur; ce raccordement sera réalisé en tuyauterie flexible facilitant l’installation, évitant les transmissions de vibrations et simplifiant les opérations de maintenance.

Des accessoires tels que vases d’expansion, vannes de vidange et systèmes de purge d’air (manuel et automatique), ainsi qu’un système d’appoint d’eau.

Choix de l’échangeur « froid »

L’échangeur froid doit permettre l’évacuation des calories excédentaires de la boucle d’eau. Différents systèmes sont utilisés :

Raccordés à la boucle d’eau par l’intermédiaire d’un échangeur à plaques, on trouve fréquemment des tours de refroidissement à circuit ouvert ou un réseau d’eau de pompage dans la nappe phréatique, dans la mer, une rivière, un lac,…

Raccordés directement à la boucle d’eau, on utilise des tours de refroidissement à circuit fermé ou des appareils appelés « dry-cooler ».

Le choix entre ces différents appareils s’établit en fonction de leur existence (eau de mer, nappe phréatique…), des critères dimensionnels (tours de refroidissement ouvertes ou fermées) et des contraintes acoustiques.

Il faut noter que l’utilisation de « dry-cooler » nécessite de relever la température de la boucle d’eau en été à 40 °C environ, ce qui oblige à l’emploi de PAC adaptées.

Choix de l’échangeur « chaud »

Il doit permettre d’apporter les calories nécessaires au maintien en température de la boucle d’eau. Les sources de chaleur pouvant être utilisées sont variées :

chaufferie alimentée au gaz ou au fuel
sous-station de chauffage urbain
PAC Air/Eau sur l’air extérieur

L’utilisation d’un échangeur de transfert d’énergie n’est pas forcément nécessaire lors de l’utilisation de chaufferies ou de sous-stations de chauffage urbain.

L’utilisation d’une nappe phréatique nécessite de descendre le niveau de T°C de la boucle d’eau, en hiver, à 12 °C environ, ce qui oblige à l’emploi de PAC adaptées et de calorifuger tout ou partie du réseau de distribution.

On trouvera dans le Tome 4 de la collection Climatisation et conditionnement d’air de J. Bouteloup différents schémas de montage des installations.

Le chauffage de l’eau chaude sanitaire

Ici encore, l’usage de la pompe à chaleur en remplacement des chauffe-eau électriques pour la préparation de l’ECS paraît logique, d’autant plus que le bilan de la pompe à chaleur en été est très performant.

Et cette fois, l’usage d’une installation électrique peut se justifier par l’arrêt possible de l’installation de chauffage du bâtiment. Mais la PAC aura bien du mal à fournir les 60° demandés dans le ballon d’eau chaude (température demandée depuis les mesures anti-légionnelles). Un préchauffage à 45 °C convient mieux à la PAC. Ceci sous-entend le placement d’un deuxième ballon en série pour rehausser la température à 60 °C.

Finalement, PAC + ballon de préchauffage : l’investissement paraîtra fort élevé par rapport à une simple résistance électrique…

Eau chaude sanitaire

Pour plus d’informations sur le choix des PAC pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire.

Les groupes de préparation d’air des bâtiments tertiaires

Du chaud et du froid par le même équipement

Une des applications les plus courantes de la PAC est l’alimentation en chaud et en froid des groupes de préparation d’air par des installations réversibles Air/Air. Ces installations sont très avantageuses puisqu’un seul appareil réversible assure deux fonctions pour un investissement initial raisonnable. La performance de la pompe à chaleur est élevée puisque les températures demandées sont faibles.

Concrètement, une pompe à chaleur est couplée à un caisson de traitement d’air classique, un des échangeurs de la PAC étant dans le caisson, l’autre étant à l’extérieur.

Exemple de modèle disponible sur le marché :

		Modèle 1
Puissance frigorifique nominale	kW	13,5
Puissance calorifique nominale	kW	14,55
Débit d’air maximal	m³/h	2 400
Pression acoustique	dB(A)	65
Réfrigérant		R 22
Hauteur Largeur Longueur	mm mm mm	485 1 022 1 261
Poids net	Kg	88
Prix	€	5 085

Des puissances plus importantes sont bien sûr possibles et suffisantes pour remplacer les installations traditionnelles.

En été, la pompe à chaleur fonctionne comme unité de climatisation classique, la batterie placée dans le caisson constituant l’évaporateur et la batterie extérieure le condenseur. On peut atteindre un COP saisonnier de réfrigération de l’ordre de 3. Attention, le fonctionnement en détente directe entraîne des températures très basses dans l’échangeur et donc une déshumidification de l’air parfois exagérée par rapport aux besoins. En hiver, le cycle est inversé et la batterie interne devient condenseur tandis que l’échangeur externe joue le rôle d’évaporateur. Le COP varie alors selon la température externe, le dégivrage et le besoin d’appoint électrique. En intégrant ces divers auxiliaires, on atteint un COP saisonnier de l’ordre 2,5.

Une gestion délicate lors du dégivrage

Une difficulté reste : le chauffage de l’air est sans inertie (par opposition à un chauffage du sol ou d’un ballon d’eau). Donc, lors des périodes de dégivrage de l’évaporateur, de l’air froid risque d’être pulsé sur les occupants. L’arrêt de la pulsion de l’air étant difficile, une solution peut consister à travailler avec des pompes à chaleur modulaires. Quand un module dégivre, il s’arrête et un autre module produit.

Récupérer sur l’air extrait ?

Pour améliorer l’installation, il est possible de faire passer l’air extrait par l’échangeur extérieur lorsqu’il joue le rôle d’évaporateur. La récupération de chaleur à l’échangeur sera améliorée du fait de la grande différence de température entre l’air vicié et la basse température d’évaporation du fluide frigorigène en hiver. Cet apport de chaleur à l’évaporateur permettra de remonter la température d’évaporation et de diminuer le dégivrage, donc d’améliorer le COP.

La sélection de la puissance de la pompe à chaleur dépend du bilan thermique été et du bilan thermique hiver. Dans les secteurs commercial et tertiaire, les besoins frigorifiques en été sont souvent supérieurs aux besoins calorifiques en hiver. La pompe à chaleur sera alors surdimensionnée pour le régime de chauffe et le chauffage d’appoint ne sera alors que rarement nécessaire.

Récupération de chaleur sur l’air des locaux humides (piscines, buanderies, …)

Le traitement des locaux humides

Les bâtiments où une humidité importante est produite, et donc dans lesquels un contrôle de l’hygrométrie aura lieu (piscines, blanchisseries, cuisines industrielles,…), sont propices à l’usage d’une PAC : toute l’énergie de condensation de la vapeur d’eau peut être réutilisées sous forme de chaleur à haute température (chauffage de l’air, chauffage de l’eau chaude sanitaire). Il semble que la difficulté provienne de l’excédent des apports en mi-saison et en été.

Les piscines constituent une application particulière des PAC

Les piscines consomment beaucoup d’énergie pour diminuer le taux d’humidité et éviter ainsi les condensations sur les parois (particulièrement les surfaces vitrées). D’autre part des besoins de chaleur importants sont liés à la température élevée de l’air pour assurer pour le confort des baigneurs. Une humidité maximum de 75 % est à maintenir dans les piscines bien isolées avec pulsion d’air chaud au pied des vitrages. Mais l’humidité maximum peut descendre à 65 % si les parois sont mal isolées, et donc froides. À noter qu’avec les nouveaux vitrages isolants à basse émissivité, ce critère de pulsion au pied des vitrages n’est plus obligatoire.

Deux systèmes de PAC sont possibles pour ce type de bâtiment.

Pompe à chaleur en déshumidification

Le principe consiste à faire passer l’air à du local à déshumidifier sur l’évaporateur de la PAC. Il y est refroidi et surtout déshumidifié. L’air passe ensuite, mélangé à l’air frais hygiénique, sur le condenseur où il est réchauffé. Le condenseur de la PAC permet le chauffage de l’air ambiant, mais aussi le chauffage partiel de l’eau sanitaire (piscine, douches) particulièrement en mi-saison.

La solution est intéressante. Toutefois, au creux de l’hiver, la déshumidification ne fournit pas assez de chaleur et la pompe à chaleur ne suffit pas à elle seule à assurer tous les besoins énergétiques. Un chauffage d’appoint est donc nécessaire et le COP global est diminué.

Il faut se rendre compte que dans cette application précise le COP de la PAC n’est plus le rapport entre les kW thermiques utiles disponibles au condenseur et les kW absorbés par le compresseur. En fait,

Ceci est dû au fait que la chaleur sensible prélevée à l’air vicié par l’évaporateur lui est rendue par le condenseur et ne doit donc pas être considérée comme chaleur utile dans le calcul du COP. La source froide recherchée ici est la chaleur latente de condensation de l’humidité. On pompe l’énergie sur la déshumidification, pas sur le refroidissement de l’air. En fait, plus le besoin de déshumidification est important (forte activité dans la piscine, faible isolation,..), plus l’énergie puisée à l’évaporateur sera importante et plus le COP global de l’installation sera élevé.

Pour le calcul des performances de l’installation, il ne faut pas oublier de prendre en compte l’influence des heures de non-occupation, qui entraînent un taux d’évaporation plus faible et un COP instantané plus bas. On peut envisager un COP global de 2,5. (Valeur avancée par Paul H.Cobut, Pompes à chaleur, Atic – cours de perfectionnement).

Remarque : ce type d’installation est intéressante dès qu’il s’agit de climatiser un local où il y a une forte production de vapeur (bassins de toutes sortes, pressings, séchoirs à linge, certains locaux industriels ou laboratoires,…).

Pompe à chaleur – récupérateur

Dans ce cas, la PAC prélève une partie de l’énergie dans l’air extérieur et une autre partie dans l’air extrait. Contrairement au système précédent, l’évaporateur puisera l’énergie sur le refroidissement de l’air mélangé.

Un hygrostat raccordé à une sonde extérieure permet le dosage de l’air neuf. La PAC sera dimensionnée pour réaliser à elle seule l’effort thermique jusqu’à 0 °C environ. En dessous de cette température, un appoint sera nécessaire. Le COP de la PAC varie en fonction de la température de l’air extérieur.

Un COP global annuel de 3,3 est possible, ce qui représente un gain de 30 % par rapport à la PAC en déshumidification. Les déperditions plus importantes dues à l’introduction d’air neuf en plus grande quantité que dans l’autre système pour assurer la déshumidification représentent un accroissement des besoins calorifiques de moins de 10 % sur l’année (valeurs avancées par Paul H.Cobut, « Pompes à chaleur », Atic – cours de perfectionnement).

Il faut noter toutefois que ces résultats sont basés sur un taux d’hygrométrie tolérable assez élevé grâce à l’usage d’un vitrage très isolant. Dans le cas d’un vitrage moins isolant, le taux d’humidité acceptable est plus bas. Il faut donc un plus grand effort de déshumidification, ce qui favorise le premier type d’installation et la différence de performance entre les deux systèmes diminue.

Récupération de chaleur sur des rejets thermiques

Dans de nombreuses entreprises, une grande quantité d’énergie est gaspillée dans les extractions d’air ou de gaz. Très souvent, le volume extrait et la température du fluide sont quasi constants, ce qui simplifie l’installation. Une bâche tampon sera installée sur l’évaporateur en cas de variation importante de ces paramètres. Il en sera de même sur le condenseur en cas de charge thermique variable.

Ceci dépasse le cadre d’un bâtiment tertiaire. Et pourtant, des applications spécifiques sont parfois possibles avec une très bonne rentabilité. Parmi celles-ci, les supermarchés avec rayon surgelés conviennent particulièrement bien. Il est possible, par exemple, que la chaleur extraite des frigos soit utilisée pour chauffer le magasin ou le rideau d’air chaud à l’entrée du magasin (= condenseur de la PAC ainsi créée). En été, un clapet rejettera la chaleur vers l’extérieur.

Récupération de chaleur dans la grande distribution

Les supermarchés sont actuellement équipés d’un nombre de plus en plus important de meubles frigorifiques qui rendent parfois désagréable l’ambiance des allées empruntées par les clients.

Monsieur Marc Van Damme de la société alimentaire Delhaize a mis au point, en collaboration avec un fabricant espagnol de meubles frigorifiques verticaux, un système qui récupère la chaleur de l’unité de condensation du réfrigérateur du circuit frigorifique pour, en hiver, chauffer les allées des meubles frigorifiques.

Principe de fonctionnement

L’unité de condensation est installée sur le haut du meuble. La chaleur produite par le condenseur est récupérée et en hiver, celle-ci circule à l’arrière du meuble et est insufflée par la partie inférieure de celui-ci via une grille linéaire en inox. En été, cette chaleur est évacuée à l’extérieur du magasin par l’intermédiaire d’un conduit.

Conséquences

L’influence de cet équipement sur le chiffre d’affaires est évidente. En effet, une température douce aux rayons crémerie ou boucherie incite le client à faire ses achats dans une température confortable. Cette nouvelle technique permet également d’augmenter le confort pour l’ensemble du personnel qui doit régulièrement approvisionner ces linéaires. Cependant les gains réalisés au niveau des coûts d’exploitation amortissent facilement l’investissement.

Grâce à cette technique, l’air chaud à 40 °C ainsi récupéré et insufflé par le bas du meuble permet de maintenir dans l’allée une température de 23 °C. Ce qui est appréciable en hiver. Un système de sondes, installées en des points stratégiques du point de vente, permet un fonctionnement automatique du clapet été/hiver.

Un chauffage d’appoint est nécessaire en cas de températures extrêmes, pour le rideau d’air chaud à l’entrée du magasin, très « énergivore » et pour les zones éloignées non équipées de linéaires.

Découvrez cet exemple de PAC dans un supermarché de la région d’Anvers.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Types de programmateur d’intermittence

Pratiquer une intermittence du chauffage durant les périodes d’inoccupation du bâtiment conduit toujours à des économies d’énergie. Celles-ci seront plus ou moins importantes en fonction du type de bâtiment (inertie, isolation) et de la durée d’inoccupation. Elles dépendent aussi du type de programmateur utilisé. L’ordre dans lequel ces derniers sont décrits ici correspond à une gradation dans le potentiel d’économie d’énergie réalisable. Les programmateurs peuvent agir soit directement sur la chaudière dans le cas d’un circuit de distribution unique et/ou sur la régulation des circuits secondaires.

Abaissement de courbe de chauffe

Ce type de programmateur est encore extrêmement répandu dans nos chaufferies.

Il est appliqué sur bon nombre de régulateurs travaillant sur base d’une sonde extérieure. Dans ces derniers, la température de l’eau de chauffage est régulée en fonction de la température via une courbe de chauffe.

Le ralenti de chauffage consiste alors en un changement de courbe de chauffe programmé (souvent en fonction d’une horloge hebdomadaire) pour les périodes d’inoccupation.

Les régulateurs proposent généralement un déplacement parallèle de la courbe de chauffe pour le ralenti via :

un potentiomètre gradué en température d’eau. Pour des corps de chauffe dimensionnés pour un régime d’eau 90/70°, on considère souvent qu’une variation de température d’eau de 4 .. 5°C entraîne une variation de température ambiante de 1°C,
un potentiomètre gradué en température ambiante. Cette grandeur est indicative puisqu’aucune sonde intérieure ne permet de vérifier la température ambiante qui sera atteinte durant le ralenti,
un potentiomètre gradué de 0 à 10,
un boîtier de dialogue (appareils digitaux).

Potentiomètres basés sur la température ambiante ou sur la température d’eau.

En fonction du type de régulateur, le déplacement de ralenti proposé correspond,

soit à une translation par rapport à la courbe réelle de jour qui a été définie,
soit à une translation par rapport à la courbe de base du régulateur qui correspond au point pivot préréglé du régulateur.

Abaissement de la courbe de chauffe par rapport à la courbe de base du régulateur ou par rapport à la courbe de chauffe réelle de jour

Il est donc important de vérifier dans le mode d’emploi du régulateur le type de réglage qui est pratiqué.

Avec un tel mode de régulation, on parle de ralenti et non de coupure nocturne car, en période d’inoccupation, on continue toujours à fournir de la chaleur au bâtiment, moins qu’en période d’occupation, mais en quantité suffisante pour ne pas permettre un abaissement rapide de la température intérieure.

La relance du chauffage se fait :

Soit avec la température d’eau définie par la courbe de chauffe de jour. Dans ce cas, la puissance maximale n’est pas appliquée, ce qui rallonge la période de remise en température du bâtiment.
Soit avec une température dite « de régime accéléré », ce qui diminue le temps de relance.

Notons que, pour protéger de la condensation les chaudières dont la température d’eau ne peut descendre en dessous d’une certaine valeur, des régulateurs permettent une limitation basse de la température de départ de l’eau (par exemple 50°C). Si c’est la cas et si le réglage de la température d’eau s’effectue directement au niveau de la chaudière, il n’y aura quasi plus de ralenti de nuit lorsque la température extérieure dépasse un certain seuil.

Courbe de chauffe appliquée à une chaudière « basse température » ne pouvant descendre en-dessous de 50°C. Le ralenti nocturne est réalisé par un abaissement de la température d’eau de la chaudière de 20°C. À partir d’une température extérieure d’environ 0°C, l’intensité du ralenti diminue. Le ralenti disparaît lorsque la température extérieure dépasse 7°C.

Coupure et relance à heures fixes

Ce type de programmateur assure à heures fixes (en fonction d’une horloge quotidienne, hebdomadaire ou annuelle) :

le fonctionnement normal du chauffage en période d’occupation, régulé par exemple en fonction de la température extérieure,
l’arrêt complet du chauffage (arrêt des chaudières, fermeture des vannes mélangeuses, arrêt des circulateurs, …) en fin de période d’occupation,
la relance du chauffage à allure réduite pendant la période d’inoccupation si la température intérieure, mesurée par une sonde d’ambiance, descend en dessous d’une valeur limite (par exemple 16° en semaine et 14° le week-end),
la relance du chauffage, à pleine puissance.

Ce type de programmation permet l’arrêt complet du chauffage et la remise rapide en température du bâtiment. Un inconvénient subsiste : la coupure et la relance s’effectuent à heures fixes. Or le temps d’abaissement et de remontée de la température intérieure varie en fonction de la température extérieure, en fonction de la température atteinte pendant la coupure, en fonction de la chaleur emmagasinée dans le bâtiment durant l’occupation, …

Optimiseurs

Par rapport aux programmateurs assurant une coupure et une relance à heures fixes, les optimiseurs font varier le moment de ces dernières en fonction de différents paramètres.

Sur base de la température extérieure

Le moment de la coupure et de la relance varie en fonction de la température extérieure. Lorsqu’il fait plus chaud, le refroidissement du bâtiment est plus lent. L’heure de coupure est donc avancée automatiquement. De même, la température intérieure atteinte durant l’inoccupation et l’énergie nécessaire à la relance est plus faible. L’heure de la relance est donc retardée.

Ce type d’optimiseur ne mesurant pas la température intérieure présente une certaine imprécision en ce qui concerne le moment précis où la température intérieure d’occupation sera atteinte.

Sur base de la température extérieure et intérieure

L’adjonction de la température intérieure atteinte durant l’inoccupation comme paramètre de décision pour enclencher la relance permet une plus grande précision dans la définition de l’heure de relance. Cela limite les risques d’inconfort et optimalise le temps de coupure et donc l’énergie économisée.

La paramétrisation de ce type de programmateur reste délicate, en effet, il faut procéder par essais – erreurs, puisque plusieurs paramètres importants restent inconnus de l’utilisateur : l’inertie thermique du bâtiment, le degré de surpuissance du chauffage, ….

Autoadaptation

On parle d' »optimiseurs autoadaptatifs ».

Le programmateur adapte automatiquement ses paramètres de réglage au jour le jour, en fonction des résultats qu’il a obtenu les jours précédents. Par rapport à l’optimiseur décrit ci-avant et bien réglé, l’optimiseur autoadaptatif n’apportera pas d’économie d’énergie complémentaire. Son rôle est de faciliter (l’utilisateur ne doit plus intervenir) et donc d’optimaliser le réglage.

Exemple.

Lors de la relance matinale, le but définit à l’optimiseur est d’atteindre la température de 20°C au moment de l’occupation du bâtiment.

Le premier jour, comme l’optimiseur ne connaît pas le bâtiment, ni la surpuissance de l’installation, il démarrera l’installation uniquement en se basant sur la température extérieure et la température intérieure.

Dès lors, il est plus que probable que la température de consigne diurne soit atteinte trop tôt.

Le lendemain, l’optimiseur décalera automatiquement le moment de la relance. Ainsi de suite, jusqu’à ce qu’il trouve seul le bon réglage.

On peut considérer qu’il faut 4 jours à un optimiseur autoadaptatif pour définir correctement la loi qui relie la température extérieure, la température intérieure et le moment de la relance.

L’optimiseur fera le même exercice pour anticiper le moment de la coupure, tout en garantissant le confort des occupants.

Comparaison de l’économie réalisée en fonction du type de programmateur

La consommation d’une installation de chauffage est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de chauffage comme suit :

Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.

Comparons l’évolution de la température intérieure (donc l’évolution de l’économie d’énergie) en fonction du programmateur choisi (cas de la mi-saison) :

Abaissement de la température de l’eau.
La réduction de température intérieure est lente, de même que la relance.

Coupure complète et relance à heures fixes.
Le moment où la température de consigne d’occupation est atteinte dépend de la saison.

Optimiseur.
Les moments de la coupure et de la relance sont adaptés soit automatiquement, soit par réglage de l’utilisateur. La précision du réglage et la différence d’économie entre les 3 types d’optimiseurs dépendent de ce dernier.

Comparaison qualitative entre les types de programmateur.

Dérogation

Il est souvent nécessaire dans le cas d’immeubles tertiaires de prévoir une possibilité de dérogation sur le fonctionnement de ralenti.

Un exemple de dérogation particulièrement intéressant est la possibilité de relancer l’installation pour une durée limitée (par exemple, 2 heures). Après cette période l’installation repasse en mode automatique, évitant ainsi tout oubli. Si l’occupant est encore présent, il peut remettre l’installation en dérogation et obtiendra de nouveau 2 heures de chauffage.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique de la régulation

Évaluer l'efficacité énergétique de la régulation

Pertes de régulation.

Le point de départ : le relevé de l’installation

Pour analyser la régulation d’un bâtiment, pour imaginer de nouvelles solutions et en discuter avec le gestionnaire de l’installation de chauffage voire l’installateur, il est très utile de commencer par tracer le schéma hydraulique de l’installation de chauffage. C’est un schéma simplifié reprenant les chaudières, les tuyauteries, les corps de chauffe, … sur lequel on pourra ensuite greffer les équipements de régulation. Notons que l’on parle ici de « schéma hydraulique » parce que ce sont les installations de chauffage à eau chaude qui sont actuellement les plus fréquemment rencontrées, mais le raisonnement est similaire pour les installations de chauffage à air chaud.

Idéalement, un tel schéma doit déjà exister et se trouver dans la chaufferie. L’installateur en a généralement une copie. À défaut, …il faudra le recomposer ! Ce travail est mis à jour à chaque modification de l’installation. Mieux, il est placé dans une double pochette plastique de protection, avec le carnet d’entretien de l’installation. Dans ce carnet sont notées toutes les interventions effectuées sur l’installation de chauffage, les plaintes des occupants, les modifications de réglage qui ont suivi, … Quelle mine d’informations pour un nouvel intervenant !

Pour réaliser le schéma, la tâche consiste « à suivre les tuyaux » et à dresser un plan simplifié du réseau.

Exemple : principe de régulation d’une installation existante et son schéma hydraulique. Voici typiquement le type de schéma de principe d’une installation que l’on a à sa disposition ou que l’on doit générer soi-même.

On reconnaît :

La température de l’eau (3) des circuits A, B, C est régulée par une vanne 3 voies en fonction de sondes extérieures (1) et (10).
La température du collecteur (5) est automatiquement calculée en fonction de la température du circuit secondaire le plus demandeur.
Les chaudières et leur circulateur sont commandés en cascade en fonction des besoins (6).
Un régulateur optimiseur (2) gère le ralenti nocturne du circuit A (circuit nord).
Un thermostat d’ambiance (12) permet une programmation séparée du circuit B.
Le ralenti nocturne du circuit C (circuit Sud) est géré par un régulateur optimiseur (11). Ce régulateur dispose d’une sonde solaire en complément de la température extérieure communiquée par le régulateur au Nord.
Un contact est utilisé pour la coupure de deux ventilateurs d’extraction situés dans la salle de sports située au Sud également.
Une vanne de zone deux voies (15a), commandée par un thermostat d’ambiance et par une horloge pour le circuit D (réfectoire à usage limité).
Une vanne de zone deux voies (15b) pour les circuits E et F (locaux administratifs), commandée par une simple horloge, étant entendu que la température de départ est régulée dès la sortie de chaudière. Des vannes thermostatiques sont présentes dans les locaux pour une régulation complémentaire.
À noter qu’une soupape différentielle stabilise la pression des réseaux D et E et que le circulateur est coupé si les deux vannes de zone sont fermées.
En pratique, il est plus aisé de comprendre la logique qui règne dans cet « amas de tuyaux » si l’ensemble de l’installation est décomposé en 3 niveaux :

Production de chaleur,
Distribution de chaleur : découpage du bâtiment en zones disposant d’un circuit d’alimentation distinct et distribution vers chaque zone,
Émission de chaque corps de chauffe.

On retrouve alors les 3 niveaux de régulation qui y sont associés :

Production : régulation de la chaudière (ou de la cascade de chaudières) et régulation de la température de la boucle primaire,
Distribution : régulation de la température de chaque départ,
Émission : « finition » de la régulation, par exemple via les vannes thermostatiques.

Techniques

Des symboles conventionnels existent pour représenter les divers équipements. En les utilisant, on simplifie les représentations et on utilise un langage commun aux hommes de métier.

Exemple :

Voici, à titre d’exemple, le schéma d’une installation comportant 1 chaudière et 3 circuits consommateurs, un circuit de chauffage pour radiateurs en façade Nord, un circuit pour radiateurs en façade Sud (avec présence d’une sonde d’ensoleillement) et un circuit pour l’échangeur d’eau chaude sanitaire.

La campagne de mesure : un outil pour tous

Dans les grandes installations modernes, les mesures et l’historique des différents capteurs alimentant le système de régulation sont parfois disponibles. Nous ne traiterons pas ce cas ici. En effet, nous nous concentrerons uniquement sur la situation la plus courante, situation où l’installation est éventuellement équipée de capteurs, mais dont l’historique de mesure n’est disponible par l’utilisateur.

Les deux premières photographies montrent des capteurs qui mesurent la température de départ de deux circuits de chauffage. Pour information, ces capteurs sont connectés à la régulation électronique de l’installation (voir dernière photo) qui maintient cette température de départ à un certain niveau. Nous supposons ci-dessous que l’historique de ces capteurs intégrés à la régulation n’est pas disponible par l’utilisateur.

Sur base du schéma de principe de l’installation, il est opportun de placer plusieurs sondes de température pour vérifier le comportement de cette installation, pour réaliser son diagnostic. Il s’agit essentiellement de mesurer :

La température de départ et de retour de certains circuits de chauffage en mesurant la température de la surface métallique des conduites. Si la température de départ est régulée de manière climatique, la présence d’une sonde permet de vérifier si la température de départ correspond bien aux paramètres de la courbe de chauffe, voire si la courbe de chauffe est correctement fixée. La température de retour peut aussi présenter un certain intérêt. Dans le cas des chaudières à condensation, on peut vérifier que la température de retour vers la chaudière est généralement inférieure au point de rosée du gaz (~ 55 °C) ou du mazout (~ 47.5 °C). Cela permet donc de vérifier que la chaudière condense effectivement ! La pratique montre que dans beaucoup d’installations les chaudières à condensation ne condensent pas parce que la température de retour n’est pas suffisamment basse.

La température dans différentes zones thermiques au moyen de sondes de température ambiante. On peut détecter la présence d’une température trop basse, synonyme d’inconfort, ou une température trop élevée par rapport à la consigne, synonyme de surconsommation voire d’inconfort. En outre, on peut vérifier si l’intermittence du chauffage correspond bien à l’horaire d’occupation du bâtiment.

La mesure de la température extérieure toujours au moyen d’une sonde de température ambiante. Néanmoins, il faudra être vigilant et la placer à l’ombre pour que la mesure ne soit pas faussée par le rayonnement du soleil.

La première et la deuxième figure montrent une sonde « temporaire » de mesure de la température de surface d’une conduite placée par un auditeur : le capteur est maintenu contre la conduite au moyen d’une bande en velcro assurant ainsi une bonne mesure. La dernière figure montre un type de sonde de température ambiante voire de température extérieure. Comme on le voit, ces capteurs ne sont pas équipés d’alimentation électrique, mais de piles si bien qu’avec leur taille réduite, ils peuvent être facilement placés au sein de l’installation de chauffage.

À l’heure actuelle, le prix des sondes mesurant la température est devenu très abordable. Au regard des économies d’énergie qu’une optimisation de la régulation peut engendrer, l’investissement dans ces appareils de mesure est souvent négligeable. En outre, les sondes sont fournies avec un logiciel qui permet de traiter très facilement les données. Il permet d’extraire les données de la sonde et de l’importer vers un ordinateur ainsi que de visualiser très facilement ces données pour effectuer son diagnostic. La paramétrisation des sondes est souvent très simple et très intuitive. Les sondes possèdent une mémoire d’enregistrement assez importante pour permettre de collecter plusieurs semaines voire plusieurs mois de mesures (suivante le laps de temps entre chaque mesure de température réalisée). Il n’est pas nécessaire de « veiller » en permanence sur l’installation de mesure pendant la campagne. Par conséquent, la campagne de mesure n’est pas onéreuse et n’est pas une question des spécialistes !

Reprenons l’exemple ci-dessus

Dans cette installation, on est en présence d’une chaudière dont le brûleur est régulé pour maintenir le départ à un certain niveau de température. La boucle primaire alimente deux circuits qui correspondent aux pièces de la façade Nord et Sud. La température de départ de chaque circuit est régulée en fonction de la température extérieure (régulation climatique) et d’une vanne 3 voie. Des capteurs de température sont déjà présents pour cette régulation, mais les valeurs mesurées sont non accessibles.

Dans ce cas, une manière efficace de vérifier le fonctionnement réel de cette installation est de placer des sondes de température de surface juste en aval des vannes 3 voies sur les 2 circuits de chauffage ainsi qu’une sonde de température à l’extérieur du bâtiment. En outre, si on peut placer une ou plusieurs sondes dans les pièces relatives aux circuits Nord et Sud, on aura une bonne idée du confort rencontré dans le bâtiment, de l’adéquation entre la température de départ des circuits de chauffage et le confort (ou la surchauffe) rencontré. Finalement, si la chaudière possède un mode de régulation spécifique, notamment en ce qui concerne la gestion de l’eau chaude sanitaire, on peut placer des capteurs sur le collecteur primaire afin de vérifier si la température de la chaudière évolue correctement suivant ce mode de régulation.

La chaleur fournie est-elle adéquate en intensité ?

Ou le respect de la température de consigne …

Souvent en présence d’une régulation climatique

Dans la plupart des installations de chauffage dans le secteur tertiaire, la température de l’eau distribuée dans le bâtiment est régulée en fonction de la température extérieure (c’est-à-dire par une régulation climatique) au moyen :

Ce mode de régulation est intéressant, car il permet de limiter les pertes des circuits de distribution et parfois des chaudières. En outre, il est presque indispensable pour permettre un fonctionnement correct des vannes thermostatiques. Appliqué seul, la régulier climatique est cependant rarement suffisante, d’autant plus que son réglage laisse souvent à désirer.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix du mode de régulation.

Techniques

Pour comprendre le réglage d’un régulateur avec courbe de chauffe.

Absence de régulation locale

Tout d’abord, le chauffage n’est totalement efficace que si les besoins de tous les locaux desservis avec une même température d’eau, ont des besoins identiques :

même exposition ;
mêmes apports internes ;
même surdimensionnement des émetteurs.

Dans le cas contraire, il est impossible, sans régulation locale complémentaire, même avec le réglage global le plus fin, de contenter tout le monde, d’éviter les surchauffes locales et une régulation par « ouverture des fenêtres ». Ces éléments sont source de surconsommation voire d’inconfort.

Si sur un même circuit de distribution, il existe des locaux soumis à des apports de chaleur gratuits (nombre d’occupants élevés, ensoleillement, équipement plus important, ….), pratiquement, seules des vannes thermostatiques peuvent y limiter l’émission de chaleur et permettre des économies d’énergie.

Améliorer

Placer des vannes thermostatiques.

Mauvais réglage de la courbe de chauffe

Bien souvent la température de l’eau envoyée dans l’installation est trop élevée. Il y a plusieurs raisons à cela :

Le réglage des courbes de chauffe est effectué de façon « standard » par le chauffagiste ou la société en charge de la régulation (à l’installation ou la maintenance), sans connaître réellement le comportement thermique du bâtiment, les caractéristiques des émetteurs et le souhait des occupants.

À chaque plainte, le responsable technique du bâtiment modifie le réglage de la courbe, le plus souvent au hasard, en redressant la courbe ou en changeant le déplacement parallèle (afin d’obtenir une température de départ plus élevée). Souvent, aucun historique des réglages successifs n’est tenu, il est donc impossible d’optimiser la température d’eau pour toute la saison de chauffe.

Ou tout simplement, la régulation est absente. Le gestionnaire du bâtiment modifie manuellement la température de la chaudière ou la position des vannes trois voies dont le moteur est inopérant en fonction des saisons.

Calculs

Tracer la courbe de chauffe programmée sur le régulateur.

Histoire vraie : une installation de chauffage d’une piscine sans régulation (globale et locale).

Le gestionnaire de cette installation tourne manuellement, chaque matin, les vannes mélangeuses, en fonction de sa perception du climat (il ne dispose même pas d’un thermomètre). Pour la régulation de chaque local, les occupants ouvrent ou ferment plus ou moins leur fenêtre.

La régulation a, en fait, été déconnectée, il y a plusieurs années, suite à un litige avec le chauffagiste. Rien ne fut entrepris depuis.

Une bonne part des moteurs de vanne sont « hors service » et certaines vannes même fermées laissent passer de l’eau chaude. Ceci a pour conséquence de chauffer certaines zones même en été.

Or il faut savoir que chaque bâtiment doit avoir une courbe de chauffe unique, en fonction,

des caractéristiques des émetteurs ;
de la température intérieure souhaitée ;
des caractéristiques thermiques du bâtiment.

Cette courbe de chauffe doit être réglée une fois pour toutes et reste valable quelle que soit la saison. Elle ne doit être modifiée que si un des 3 paramètres ci-dessus est modifié, par exemple, si on remplace les anciennes menuiseries par des doubles vitrages.

Améliorer

Régler les courbes de chauffe.

Ordre de grandeur

Il est difficile de chiffrer l’impact énergétique de tels défauts de régulation. Celui-ci n’est cependant pas négligeable. Pour s’en convaincre, on peut retenir l’ordre de grandeur suivant :

Dans un local dont la température de consigne est de 20 °C

un degré de trop = 7 .. 8 % de surconsommation !

La chaleur fournie est-elle adéquate suivant les lieux ?

Situation fréquente : les horaires d’occupation des locaux ne correspondent pas avec le découpage du réseau hydraulique.

Certains locaux doivent être chauffés en dehors des heures d’occupation du reste du bâtiment (réunion en soirée, conciergerie, salle de sport d’une école, …) et imposent le chauffage inutile de l’ensemble.

Certains locaux ne doivent pas être chauffés en permanence durant la journée (internat dans une école, bibliothèque ouverte 1 jour par semaine, …), mais le sont, car ils ne disposent pas d’une régulation particulière.

On peut évaluer grossièrement l’impact énergétique de telles situations :

Exemple.

Considérons une école chauffée 24 h sur 24 à cause de la conciergerie qui occupe 10 % de la surface totale. Si on imagine que la coupure du chauffage dans ce type d’établissement permet une économie de 30 %, l’économie totale réalisable si on dissocie le chauffage de la conciergerie de celui de l’école peut être estimée à :

0,3 x 0,9 = 0,27 ou 27 %

Différentes solutions peuvent être envisagées, avec des coûts extrêmement variables :

modifier les circuits hydrauliques ;
placer des vannes de zones ;
placer des vannes thermostatiques programmables ;
modifier l’occupation des locaux.

Cette dernière solution est souvent oubliée. Pourtant, une réorganisation des horaires ou des lieux d’activités permet d’éviter de gros investissements. Par exemple, pourquoi ne pas essayer d’organiser la réunion hebdomadaire du club de scrabble dans l’aile du bâtiment de toute façon chauffée pour les internes ?

Améliorer

Redécouper la régulation des différentes zones.

La chaleur fournie est-elle adéquate dans le temps ?

Utilité de l’intermittence

On entend encore parfois la réflexion : « Cela ne sert à rien de couper le chauffage durant la nuit, la chaleur économisée est repayée en début de journée suivante pour recharger les murs ! » C’est faux !

Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.

La consommation d’un bâtiment est proportionnelle à la différence de température sur l’année entre l’intérieur et l’extérieur. On voit donc que l’on ne peut faire que des économies en coupant l’installation de chauffage quand le bâtiment est inoccupé.

On a toujours intérêt à couper le chauffage la nuit. Il est vrai que la décharge des murs devra être compensée par une surconsommation en début de journée pour les remettre à température. Mais le gain énergétique provient de la diminution des déperditions nocturnes. Et donc, plus la température intérieure descendra, plus l’économie augmentera.

Au pire, la coupure n’entraînera quasi pas de diminution de la température intérieure (cas d’un bâtiment fort inerte et très isolé) et l’économie d’énergie sera quasi nulle. Mais jamais on ne consommera plus.

Théories

Il est difficile d’évaluer précisément l’économie que l’on réalisera en pratiquant une intermittence du chauffage.

Par exemple, si avant la pratique de l’intermittence, un bâtiment était chauffé 24h/24 et qu’avec cette pratique, ce bâtiment n’est plus chauffé que deux heures par jour, la nouvelle consommation ne sera pas de 2/24^ème, mais bien du tiers ou de la moitié de ce qu’elle était initialement. Pourquoi ? À cause de l’inertie du bâtiment …

Pour en savoir plus sur les éléments qui influencent l’économie réalisée.

Abaissement de la courbe de chauffe

Dans la plupart des installations de chauffage, l’intermittence de chauffage (de nuit, de week-end) s’effectue par un abaissement de la courbe de chauffe : en fonction d’une horloge, la température de l’eau circulant dans l’installation est abaissée par rapport à la température d’eau de jour.

Pratiquer de la sorte est le mode de ralenti le moins efficace (et pourtant, il est encore installé fréquemment de nos jours).

En effet, en période d’inoccupation, on continue toujours à chauffer le bâtiment, mais avec de l’eau moins chaude. La chute de température dans le bâtiment est donc nettement plus lente que si on coupait entièrement l’installation jusqu’à ce que la température intérieure d’inoccupation soit atteinte.

Comparaison qualitative entre les types de mode d’intermittence :
évolution de la température intérieure en fonction de l’horaire d’occupation 8 .. 18h.

L’économie réalisée par l’intermittence dépend évidemment du temps de coupure possible.

Exemple.

Prenons l’exemple d’une école ouverte de 8h00 à 18h00, 182 jours par an. Le temps d’inoccupation durant la saison de chauffe est de près de 70 % !

Les économies réalisables en y pratiquant l’intermittence du chauffage avec un optimiseur sont de l’ordre de (à nuancer en fonction du degré d’isolation et de l’inertie thermique du bâtiment) :

30 % par rapport au bâtiment chauffé en continu,

15 à 20 % si le bâtiment dispose déjà d’un abaissement de température d’eau,

5 à 10 % si on dispose déjà d’une intermittence par coupure complète et thermostat d’ambiance.

Vérification des horloges

Mise à l’heure

Dans de nombreuses chaufferies (principalement dans les bâtiments où aucune personne n’est désignée pour suivre quelque peu le fonctionnement de l’installation), les horloges des régulateurs ne sont simplement pas à l’heure ! … Parce qu’il y a eu une coupure de courant, parce que l’on a oublié le changement d’heure en hiver ou en été, ….

Horloge quotidienne

Beaucoup d’horloges anciennes sont quotidiennes, non hebdomadaires, encore moins annuelles. Cela ne correspond pas toujours au mode d’occupation du bâtiment. Par exemple, une horloge quotidienne dans une école entraîne la mise en route de l’installation durant les week-ends, alors que le bâtiment est inoccupé …

Horaires appliqués

Lorsque le moment de la relance et de la coupure est programmé par le gestionnaire (ou le chauffagiste), ce dernier prend souvent ses précautions de manière à éviter les plaintes de occupants et programme un temps de relance exagéré et une coupure, bien après la fin des activités.

Parfois ces horaires trop importants de fonctionnement se justifient par des défauts hydrauliques dans l’installation.

Par exemple, dans une installation déséquilibrée, on avance le moment de la relance pour satisfaire le dernier circuit (celui où il fait toujours froid …). Or le problème ne provient pas du moment choisi pour la relance, mais d’un dysfonctionnement hydraulique de l’installation et il est résolu au prix d’une surconsommation.

Évaluer

Pour en savoir plus sur le diagnostic de l’inconfort.

En résumé

Vérifiez si les horaires appliqués correspondent bien à l’occupation et s’ils ne peuvent être réduits … Cela sera peut-être l’occasion de constater que les régulateurs ont été mis en dérogation sur la marche de jour permanente et non sur la marche liée à l’horloge, sans que l’on sache depuis quand ni qui a effectué cette manœuvre ..

Choix de la température d’eau

Potentiomètres basés sur la température ambiante ou sur la température d’eau.

Savez-vous ce que vous réglez en choisissant la consigne de nuit ?

À ce niveau, tous les régulateurs sont différents. Certains prennent comme référence la température intérieure supposée, d’autres la température d’eau. Certains effectuent un abaissement de la température d’eau par rapport au réglage réel de jour, d’autres par rapport à une courbe de chauffe de référence.

Le seul moyen de régler le régulateur en connaissance de cause est de compulser le mode d’emploi du régulateur ou s’il a disparu, d’interroger le fabricant.

Ayons en outre en tête que 4 .. 5 °C de diminution de la température d’eau équivaut à une diminution de la température ambiante d’environ 1 °C.

Vérifier le ralenti réel

Est-on réellement sûr qu’un ralenti du chauffage a lieu lorsque le bâtiment est inoccupé ? Quelqu’un s’est-il déjà promené dans les bâtiments durant le week-end ? Y fait-il réellement froid ?

Cette expérience est parfois riche d’enseignements.

Avec un régulateur qui abaisse la température de l’eau durant l’inoccupation, on ne contrôle pas la température intérieure atteinte en période de ralenti. Est-ce 16 °C, 18 °C, 14 °C … ? Comme on l’a vu, cela a pourtant une importance non négligeable sur la consommation.

Exemple.

Voici une situation que l’on peut rencontrer et pour laquelle, il n’y aura pas de ralenti alors qu’il est pourtant programmé au niveau de la régulation centrale.

Régulation en place :

en journée, une régulation de la température d’eau distribuée en fonction de la température extérieure,
la nuit, un abaissement de la température de l’eau par rapport à la courbe de chauffe réelle de jour,
des vannes thermostatiques dans les locaux.

En journée, le réglage de la courbe de chauffe est trop élevé. La surchauffe qui devrait en résulter est masquée par la présence des vannes thermostatiques. Le mauvais réglage de la courbe de chauffe de jour implique également une courbe de nuit trop élevée. Malheureusement, les vannes thermostatiques ne possèdent pas de consigne de nuit qui pourrait ajuster le tir et laisseront passer un débit maximum dans les radiateurs si la consigne de jour n’est pas atteinte durant la nuit.

Il en résultera un abaissement nocturne de température minime, voire quasi nul.

Le seul véritable moyen de le contrôler est pratiquer un enregistrement de la température intérieure dans plusieurs locaux représentatifs.

Enregistreurs de température.

La vérification du bon fonctionnement du ralenti nocturne reste également d’application même l’intermittence est gérée automatiquement par un optimiseur. En effet celui-ci est très sensible aux perturbations, notamment hydrauliques et risque de fonctionner de façon erronée, sans que le gestionnaire ne s’en aperçoive (relance trop fortement anticipée, …). Il est donc bon que le gestionnaire vérifie régulièrement les paramètres du régulateur (températures d’eau, heures de relance, de coupure, …) et juge de leur cohérence.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les problèmes hydrauliques qui risquent de perturber un optimiseur.

Améliorer

Améliorer le ralenti nocturne.

Pas trop de calculs, des projets ! Une horloge s’amortit généralement en moins de temps qu’il en faut pour réaliser les calculs… alors, n’hésitons pas à en placer !

Découvrez cet exemple de régulation de chauffage à l’académie de dessin de Molenbeek.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Mesurer le rendement de combustion

Expression du rendement de combustion

En pratique, on exprime souvent le rendement de combustion par la formule de Siegert :

η_comb= 100 – f x (T_fumées– T_amb) / %CO₂

où :

T_fumées= la température des fumées à la sortie de la chaudière [°C]
T_amb= température ambiante de la chaufferie [°C]
%CO₂= la teneur en CO₂ des fumées [%]
f = facteur dépendant principalement du type de combustible (mazout : f = .. 0,57 ..; gaz naturel : f = .. 0,47 ..)

On relève les trois éléments clés de cette formule qui doivent être mesurés :

La température des fumées.
La température ambiante de la chaufferie, qui correspond à la température de l’air aspiré par le brûleur. La différence de température entre l’air de la chaufferie et les fumées symbolise la chaleur perdue dans la cheminée.
Le pourcentage de CO₂. Le pourcentage de CO₂ contenu dans les fumées se calcule à partir de la mesure de la quantité d’oxygène encore présente dans celles-ci , par la formule :

%CO₂ = %CO_2maxx (21 – %O₂) / 21

où :

%O₂= la teneur en oxygène mesurée dans les fumées [%].
%CO_2max= la teneur en CO₂ des fumées si la combustion était idéale (pour le fuel : 15,2 % et pour le gaz : 11,9 %).

Évaluer

Interpréter une mesure de rendement de combustion.

Mesure manuelle

Anciennement, le rendement de combustion était calculé au moyen un coffret de contrôle de combustion.

Celui-ci comprend :

Un mesureur de CO₂. Une certaine quantité de fumées est aspirée à la sortie de la chaudière (par un trou dans la buse de raccordement). Les fumées sont mélangées à un réactif qui peut absorber une certaine quantité de CO₂. L’absorption du CO₂ crée un vide dans l’appareil de mesure qui déplace le liquide de la colonne centrale, le long d’une échelle graduée.

Orifice dans la buse de raccordement à la cheminée pour la mesure du rendement de combustion.

Un thermomètre gradué à bimétal à introduire dans la buse de raccordement à la cheminée.
Un opacimètre. Il s’agit d’une pompe qui permet d’aspirer les fumées au travers d’un papier filtre. Le noircissement du papier filtre est comparé à une échelle de référence.
Un déprimomètre.

Pompe permettant d’aspirer la fumée au travers d’un papier filtre.

La mesure manuelle du rendement de combustion n’est pas complexe. Les étapes successives sont cependant relativement longues et demandent une certaine rigueur dans la mesure. Par exemple, le thermomètre doit aboutir au centre du conduit de raccordement et sa position doit être ajustée pour se situer au point le plus chaud. De plus le temps de réponse d’un thermomètre bimétal est long. Il faut donc attendre au minimum 5 minutes pour avoir une stabilisation, ce que peu de personnel d’entretien applique …

Le rendement de combustion ainsi calculé est plus élevé qu’il ne l’est en réalité.

Un autre exemple : le réactif utilisé pour la mesure du CO₂ a également une certaine durée de vie après laquelle il doit être remplacé, ce qui n’est pas toujours fait …

Analyseur de combustion électronique

Régler précisément un brûleur en mesurant, en parallèle, le rendement de combustion de façon manuelle, est quasi inconcevable.

Il faut prélever .. agiter .. contrôler .. calculer .. régler .. prélever .. agiter .. contrôler .. calculer .. régler…

Cela montre tout l’intérêt des analyseurs de combustion électroniques.

Photo analyseur de combustion électronique.

Ces appareils permettent de mesurer, en une seule manipulation, la température des fumées, le pourcentage d’O₂, de CO, de NO_x, l’excès d’air et calculent en direct le pourcentage de CO₂, l’excès d’air et le rendement de combustion.

Photo analyseur de combustion électronique.

Le coût d’un appareil de ce type est de l’ordre de 750 à 1 000 €.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un chauffage électrique : généralités

Choix du principe de fonctionnement

Un chauffage électrique pour quel usage ?

A priori, suite à son bilan écologique défavorable, l’électricité ne devrait pas être utilisée pour le chauffage des locaux. Dans le meilleur des cas, une centrale électrique TGV (turbine-gaz-vapeur) produit de l’électricité avec un rendement de 55 %. Alors que les rendements de production des chaudières au gaz sont de 92 %, voir nettement plus s’il s’agit d’une chaudière à condensation.

Et le coût du kWh électrique de jour (pointe de puissance comprise), est environ le double de celui du kWh thermique gaz ou fuel, ce qui est également dissuasif.

Seule l’utilisation d’une pompe à chaleur peut dans certains cas valoriser utilement l’énergie électrique et rattraper le mauvais rendement des centrales.

Toutefois, la force de l’énergie électrique est de pouvoir fournir un complément ponctuel, sans pertes.

Par exemple :

Chauffer à l’électricité un local de garde durant la nuit, afin de pouvoir stopper l’installation de chauffage principale.

Équiper un local d’accueil de vitres chauffantes, afin de donner aux personnes une chaleur par rayonnement, et d’éviter de chauffer l’entièreté du hall.

Donner un appoint ponctuel rapide dans un lieu à occupation temporaire, pour augmenter la température de confort (salles de bains d’un lieu d’hébergement, par exemple).

Incompatibilités

Le chauffage électrique ne convient pas aux locaux présentant une atmosphère explosive ou inflammable. Ceux-ci doivent être équipés d’un appareillage spécial.

Les systèmes à accumulation dynamique, qui font circuler l’air du local sur le noyau porté à haute température, ne conviennent pas aux applications où l’air ambiant contient régulièrement des solvants comme les salons de coiffure, cordonneries, garages, laboratoires, et bureaux en communication avec de tels locaux. En effet ces solvants se décomposent à haute température, ce qui peut provoquer, en fonction de leur nature, des émissions d’odeur, des cendres, ou une corrosion extrêmement rapide des composants métalliques.

Un phénomène analogue, mais sans conséquence, se produit lorsque des travaux de peinture, encollage de revêtement de sol, cirage de meubles sont effectués dans un local chauffé par accumulateurs dynamiques. La décomposition des solvants provoque l’émission d’une odeur « de mazout ». Ce phénomène transitoire s’élimine aisément par une aération du local (couper le thermostat).

Direct ou accumulation ?

Dans le cas du chauffage direct, la production et l’émission de chaleur se font à l’endroit même et au moment même de la demande.

Les appareils les plus répandus sont les convecteurs, et en moindre mesure, on rencontre aussi les panneaux radiants. Les systèmes de chauffage par plafonds et sols sont également des techniques courantes.

Recouvrement du plafond.
Élément chauffant.
Élément constitutif du plafond.
Isolation thermique.
Voliges.

Le chauffage direct présente plusieurs avantages :

un rendement élevé (absence de pertes de distribution),
une grande précision du réglage de température,
un faible investissement.

Mais son coût est très élevé puisque la consommation est essentiellement facturée au prix de jour du kWh et pour une faible part seulement au prix de nuit. De plus, l’appareil risque fort d’être enclenché au moment de la pointe de puissance du bâtiment (pointe quart-horaire). Or chaque kiloWatt enclenché à ce moment va générer un supplément de 10 Euros environ à la facture mensuelle. C’est le problème des chaufferettes installées dans les locaux où il y a insuffisance de chaleur.

C’est typiquement un usage d’appoint qui doit lui être réservé, dans des locaux à usage intermittent.

Le chauffage à accumulation, lui, repose sur le fait que le producteur/distributeur, disposant de périodes où la demande est moindre, peut offrir un prix de kWh nettement plus avantageux. Le courant prélevé dans les heures creuses est utilisé pour produire de la chaleur qui sera momentanément stockée dans un accumulateur. La chaleur accumulée est ensuite restituée au moment de la demande de chaleur. Pour le chauffage des bâtiments, on rencontre essentiellement les radiateurs à accumulation et le chauffage à accumulation par le sol .

Si le prix est plus avantageux, le chauffage à accumulation présente des inconvénients :

de par son inertie, la régulation (et donc le rendement) se dégrade fortement,
l’investissement est nettement plus élevé que le chauffage direct.

Évaluer

Pour évaluer l’efficacité énergétique d’un chauffage électrique à accumulation : cliquez ici !

C’est un système qu’il ne faut pas installer si le bâtiment présente une occupation variable et des apports solaires importants (grandes baies vitrées).

Il faut vérifier si le poids des accumulateurs de grosse puissance est compatible avec la charge au sol admissible. La pression sous les pieds de certains accumulateurs peut, en effet, s’avérer incompatible avec la tenue d’un plancher.

Choix d’un appareil direct

Le critère de choix essentiel est de déterminer le mode de transmission de la chaleur.
On peut avoir :

un émetteur fortement convectif (c’est l’air qui est chauffé et qui communique sa chaleur à l’ambiance),

fortement radiatif (c’est une onde qui chauffe tous les matériaux autour le lui),

ou mixte (la carcasse émet une onde mais un effet convectif est donné par effet cheminée ou par un ventilateur).

Émetteur radiatif et convectif .

D’une manière générale, si le local à équiper est bien isolé, ce choix sera de peu d’importance. Par contre, si les déperditions sont élevées, il faut bien étudier la question car la puissance à apporter étant élevée, soit le débit d’air chaud sera élevé, soit la température de rayonnement sera forte. Deux situations inconfortables.

A priori, c’est le chauffage par rayonnement (à la plus basse température possible) qui sera le plus confortable.

Par contre, l’air chauffé est ressenti comme sec et porteur d’une odeur, surtout au démarrage de l’appareil (brûlure des poussières).

Il est surtout à éviter si le local est de grande hauteur : une stratification des températures aura lieu, l’air chaud restant coincé au plafond.

Le chauffage par rayonnement de plafond est par contre à éviter car pour son confort thermique, l’homme aime d’avoir « chaud aux pieds et frais à la tête ». Tout le contraire, donc… Une puissance maximale de 100 W/m² sera installée, avec une température de surface de 30 à 35°C. C’est faible et cela limite donc l’application à un local récent et isolé. Il ne se justifie que dans un atelier industriel où, le chauffage de l’air étant impossible, un chauffage par rayonnement à haute température peut se faire.

Un chauffage par l’air entraîne de fortes déperditions par les toitures.

Un chauffage par rayonnement permet un apport localisé.

Choix d’un appareil à accumulation

Qui peut prédire le temps qu’il fera demain ? Dans nos contrées, il faut avouer qu’il n’est pas évident de savoir s’il fera ensoleillé ou non le lendemain…

Or, dans un bâtiment d’aujourd’hui, bien isolé, le chauffage n’est plus nécessaire lorsque le soleil est présent. Il doit s’arrêter.

Que faire alors de la chaleur accumulée durant la nuit ? Elle s’écoulera malgré tout en bonne partie provoquant de la surchauffe et des pertes énergétiques.

Accumulation dans le sol

L’accumulation dans le sol est un système de chauffage statique. Il en porte donc tous les défauts (impossibilité de gérer la décharge en fonction des besoins réels de la pièce).

En reprenant ici l’analyse générale du choix de l’émetteur de chauffage, il ne convient absolument pas pour une école dont le temps d’inoccupation et les apports de chaleur gratuits (élèves, ensoleillement) sont importants. Pas plus pour un restaurant. Il ne convient pas non plus pour tout local fortement ensoleillé.

Exemple

Vu l’inertie de ce système (temps de réponse de plusieurs heures), et pour profiter du courant de nuit, il sera nécessaire d’enclencher le chauffage dès 2 heures du matin. Cette heure n’aura pu être sélectionnée que sur base de la température de nuit, en supposant que « plus il fait froid la nuit, plus les besoins de chauffage le jour seront importants ».

A 7 heures, le sol est chargé.

Si le soleil apparaît à 9 heures, il sera impossible de stopper la fourniture de chaleur. Les apports solaires entraîneront de la surchauffe dans les locaux. En architecture solaire passive, le sol constitue le premier lieu de stockage de l’énergie solaire. Toute l’énergie solaire accumulée en journée étant restituée en soirée. Avec un chauffage par le sol, le réservoir déborde déjà avant l’arrivée du soleil.

Par opposition, dans un système de chauffage par radiateurs, la vanne thermostatique fermera l’alimentation en eau chaude des radiateurs.

Par contre, il convient dans les locaux de grande hauteur (atrium, local avec mezzanine, …) pour lesquels la stratification des températures devient importante dans le cas d’un chauffage par convection. Par exemple pour assurer une température minimum de base, laissant à des convecteurs directs le rôle de l’appoint. Mais si la surface de chauffe est importante, va-t-on choisir un système dont le coût d’exploitation est si élevé ?

Quelques critères de qualité :

Les écarts de température à la surface du sol, même lors de l’emploi d’un recouvrement céramique, doivent rester en dessous de la valeur normalisée de 1,5 K.

La température de contact au sol devrait être limitée à 26,5°C. Le sol est ainsi en mesure de dissiper 70 W au m², ce qui est peu.

Si la puissance requise n’est pas disponible par le sol, le complément sera obtenu par un chauffage additionnel (convecteurs ou chauffage d’appoint dans le sol le long des murs). Le cas échéant, lors de l’emploi de chauffage additionnel dans le sol, limité aux zones périphériques de la pièce, la température de contact au sol pourra atteindre 34°C, permettant ainsi de dissiper une puissance de 150 W au m².

Une isolation correctement dimensionnée sera prévue sous la dalle. La CEG (Communauté de l’Electricité) recommande un minimum de 4 cm si le local inférieur est chauffé à la même température, 6 cm si le local du dessous n’est pas chauffé, 8 cm si c’est de l’air libre ou le sol. Dans le cas de l’air libre (vide ventilé, par exemple), il nous semble qu’un minimum de 12 cm serait préférable.

Calculs

Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au dessus dune cave, en fonction du degré d’isolation : cliquez ici !

Chauffage par accumulateurs

Les différents types d’accumulateurs se distinguent essentiellement par le mode de restitution de la chaleur,

depuis l’accumulateur statique, très peu isolé, qui va se refroidir naturellement tout au long de la journée,

jusqu’à l’accumulateur dynamique qui va tenter de retenir, grâce à son isolation, la chaleur accumulée. Lorsque la sonde d’ambiance est inférieure à la consigne et que la programmation le permet, il enclenche un petit ventilateur interne pour évacuer par convection la chaleur du noyau.

Sans hésiter, le choix du deuxième type d’accumulateur doit être fait. Idéalement, l’accumulateur ne devrait « s’user que si l’on sen sert » : il ne devrait perdre de la chaleur que lorsqu’il y a une demande.

La réalité, même avec l’accumulateur dynamique, est malheureusement toute autre. Dans nos simulations informatiques, nous avons constaté que lorsque la demande a été nulle en journée (soleil, réunion de travail, …), à 22h00 l’accumulateur dynamique a perdu près de 50 % de son énergie (par décharge statique au travers l’enveloppe isolante) ! Le rendement moyen saisonnier peut descendre jusqu’à 70 % si la charge n’est pas bien gérée et que des apports gratuits (internes et externes) sont présents dans le local.

D’ailleurs, il suffit de mettre sa main sur la paroi pour constater qu’il s’agit d’un véritable radiateur (le noyau peut être chauffé jusqu’à 800°C).

Lors de la sélection, il est très important de privilégier l’épaisseur de l’isolant, … et tant pis pour l’encombrement !

L’emplacement des appareils sera choisi de manière à assurer un rayonnement calorifique et un brassage d’air optimal dans le local, de préférence sous une fenêtre pour en compenser le rayonnement froid. Deux ou plusieurs appareils seront préférés à un seul plus puissant en raison de la meilleure répartition de chaleur qu’ils assurent.

Choix de la régulation

La régulation est le cerveau de l’appareil et donc la source des gaspillages éventuels. On ne saurait trop recommander une régulation automatique de la charge en fonction de la température extérieure.

Et pourtant, on rencontre couramment des accumulateurs avec réglage manuel à 3 positions. Par simplification, ils sont souvent réglés sur la position la plus élevée, afin de prévenir toute période froide éventuelle du lendemain. En pratique, ils entraînent une décharge statique plus élevée que nécessaire et donc une perte de rendement.

Un dispositif automatique de régulation de charge est de toute façon obligatoire dans les cas suivants :

en tarif exclusif nuit lorsque la puissance totale installée en accumulation est supérieure ou égale à 12 kW;

dans tous les cas d’application d’accumulation en tarif trihoraire ou hors-pointes, indépendamment de la puissance installée;

l’accumulation par le sol.

D’expérience, les installateurs règlent les appareils de telle sorte que jamais leur client ne puissent se plaindre d’avoir froid. Autrement dit, ils favorisent une charge élevée. Tout particulièrement si le bâtiment n’est plus occupé en fin de journée, il sera utile de revoir les paramètres de cette régulation de telle sorte que « l’appareil soit froid en fin de journée ». Quitte à jouer de temps à autre avec la résistance directe d’appoint, si une réunion est programmée un soir…

Pour plus de détails sur la régulation des appareils, cliquez ici !

Améliorer

Pour plus de détails sur l’adaptation des paramètres de réglage, cliquez ici !

Choix du tarif

Il nous est très difficile de discuter du meilleur tarif applicable au secteur tertiaire. Et donc d’optimaliser le choix des accumulateurs en fonction du tarif.

En effet, nous avons peu d’expérience d’audit de bâtiments tertiaires chauffés à l’électricité. Et les informations disponibles sont souvent orientées pour le domestique.

La philosophie de base est bien sûr la suivante :

Si le stockage a lieu à 100 % la nuit (durée de charge de 9 heures), le tarif (dit « exclusif nuit ») sera le moins cher mais l’investissement dans les appareils aussi. Ceux-ci seront également très encombrants.

Si une relance est possible en journée (tarif à Effacement en Heures de Pointe, tarif Trihoraire), le prix sera un peu plus élevé mais l’accumulation sera plus réduite dans les appareils, plus petits, moins coûteux à l’achat.

Il faudra juger au cas par cas, en simulant le fonctionnement le plus probable des appareils. Assurément, il est utile d’en discuter avec un représentant du distributeur avant un investissement dans des accumulateurs.

Consommation

Pour plus de détails sur la logique des tarifs optionnels à horaires restreints en Basse Tension, cliquez ici !

On y apprendra que ne peuvent en bénéficier que les appareils raccordés de manière permanente sur un circuit séparé, avec un comptage distinct (appareils de chauffage électrique à accumulation).

Il y aura donc un autre compteur, pour les autres équipements, en fonctionnement permanent, avec une tarification de base ou bihoraire.

Le Tarif Exclusif de Nuit est applicable durant 9 heures de nuit (fixées par le distributeur) + toute la journée le dimanche avec une faculté pour le distributeur de couper durant les heures les plus chargées.

Avec le Tarif à Effacement en Heures de Pointe, les appareils raccordés sur ce compteur peuvent consommer toute la journée, mais… l’alimentation des appareils peut être interrompue par le distributeur, sans préavis, par commande à distance. La durée des interruptions journalières est au maximum de 15 heures. Elles se situent normalement au cours des mois de novembre à février. La durée totale des interruptions ne dépassera pas 500 heures par an.

Consommation

Pour plus de détails sur la logique du tarif exclusif nuit en Haute Tension, cliquez ici !

On y apprendra que le tarif « exclusif nuit » peut être demandé en Haute Tension également. Il est destiné aux applications utilisant, entre autres, le principe de l’accumulation et dont les prélèvements d’énergie, enregistrés séparément, se font exclusivement durant les heures de nuit (soit 9 heures chaque jour, fixées par le distributeur).

À noter que ce tarif exclusif de nuit peut, à la demande du client, être étendu aux samedis, dimanches et jours fériés légaux nationaux.

Consommation

Pour plus de détails sur les montants des différents tarifs, cliquez ici !

Qualité de la mise en œuvre

Lors de la mise en œuvre d’un système de chauffage électrique, certains points nécessitent une attention toute particulière.
(Source : d’après Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique – Communauté de l’Electricité – CEG).

Le chauffage électrique met en œuvre des puissances électriques importantes dont les durées d’enclenchement atteignent plusieurs heures. Un soin tout particulier doit donc être apporté au serrage des connexions et à la qualité des composants de commutation vu leur plus grande sollicitation. Il ne faut en effet pas perdre de vue que l’échauffement des contacts est proportionnel au carré de l’intensité.En pratique, on veillera :
- à dimensionner suffisamment les coffrets électriques de façon à éviter des échauffements internes importants,
- à installer des borniers correctement dimensionnés et dont le système de serrage reste fiable dans le temps (les barrettes de raccordement de type « éclairage » sont interdites).
Au niveau du tableau de répartition, calculer les puissances par phase afin d’équilibrer au mieux l’installation.
La plupart des appareils de chauffage appartiennent à la classe 1. Les conducteurs de terre doivent donc y être raccordés.
Respecter scrupuleusement les sections minimales de ce conducteur et sa couleur jaune-vert.
Respecter le bleu pour tous les conducteurs neutres.
Conserver les mêmes couleurs pour tous les circuits de même nature (ex. : brun = élément d’appoint, gris = ventilateur, etc.).
Lorsque différents circuits d’alimentation concernent le même appareil (ex. : puissance sur exclusif nuit, ventilateur sur tarif jour, régulation) :
- Éviter de placer dans une même canalisation des circuits alimentés par des différentiels différents (inductions transitoires possibles entre circuits).
- Ne pas mélanger les neutres.
- Éviter la juxtaposition de câbles de sondes à d’autres circuits.
Pour les appareils installés dans des locaux humides prévoir une coupure multipolaire et un différentiel 30 mA. Respecter le degré d’étanchéité IPX1 et l’installation hors volume de protection (voir RGIE).
Préférer un récepteur de télécommande à une horloge de commutation (qui, à terme, présente un risque de dérèglement).
Faire constater son basculement effectif pendant la période prévue et la commutation des circuits qui en dépendent.
Prévoir suffisamment de jeu dans les câbles de raccordement d’appareils de chauffage fixes pour permettre leur déplacement nécessaire en cas de remplacement éventuel de pièces et d’intervention de maintenance.
Des modifications réalisées dans une installation existante et des renforcements de puissance nécessitent un contrôle par un organisme agréé avec remise en conformité de l’ensemble de l’installation (suivant les modalités définies dans le R.G.I.E).
Avant la mise sous tension de l’installation, procéder aux tests d’isolement des différents circuits.
Après la mise sous tension, réaliser les tests fonctionnels des composants, vérifier la tension des circuits (principalement tri – et tétraphasés) et contrôler, à la pince ampèremétrique, l’intensité de courant des circuits par les circuits de puissance.
Lors de l’installation d’accumulateurs de grosse puissance, on veillera à la compatibilité de leur poids avec la charge au sol admissible. La pression sous les pieds de certains accumulateurs peut, en effet, s’avérer incompatible avec la tenue d’un plancher. De plus, ces accumulateurs doivent éventuellement être fixés à la paroi selon les indications du constructeur.
Cas particulier du chauffage par le sol :
- Les câbles doivent être placés dans du béton ou une masse conductrice.
- La composition du béton à utiliser est également importante pour la dissipation thermique et la capacité d’accumulation de la dalle.
- Dans tous les cas, il convient d’informer le professionnel en revêtements de sol pour qu’il tienne compte du type de chauffage dans le choix de ses matériaux.
- Une surveillance lors de la pose de la dalle est indispensable pour s’assurer que les câbles ne soient pas endommagés pendant l’opération (coup de pelle, brouette, pompe à béton, etc…)
- Des tests d’isolement doivent être réalisés entre l’âme du câble et son blindage et/ou la terre, avant et juste après la pose de la dalle, pour pouvoir intervenir immédiatement en cas de défaut. La tension arrivant sur le câble doit être contrôlée au voltmètre (une erreur de raccordement pourrait amener 400 V sur le câble et entraîner sa destruction rapide).
  La mise à température de la dalle ne peut se faire que progressivement (par pas de 5 degrés par jour) et après le temps de séchage du béton (généralement 21 jours).
Consigner par écrit les réglages initiaux et prévoir la place nécessaire pour les modifications ultérieures et les dates auxquelles elles seront éventuellement effectuées.
Être présent lors de la mise en service par l’installateur et exiger un mode d’emploi clair et précis.

Et dans les bâtiments à basse énergie voire passifs ?

Éthique énergétique

On pourrait penser que le fait de diminuer les besoins de chaleur par 5 voire par 10 dans les bâtiments à basse énergie ou passifs justifierait l’usage de l’électricité comme système de chauffage. Il n’en est rien, au niveau belge en tout cas ! En effet, ce facteur de conversion de l’énergie finale (sur la facture électrique) en énergie primaire est de 2.5. La facture illustre notamment le mauvais rendement des centrales comme déjà décrit plus haut.

En supposant qu’un bâtiment passif soit équipé d’un système de chauffage électrique, le critère des besoins net en énergie de chauffage est de 15 kWh.m^-2.an^-1. Ce bâtiment équipé :

d’une chaudière gaz à condensation pourrait consommer, pour un rendement saisonnier de 102 %, de l’ordre de 14.7 kWh.m^-2.an^-1 en énergie primaire ;

d’un chauffage électrique consommerait 37.5 kWh.m^-2.an^-1 à la centrale électrique.

Si on considère que les consommations de chauffage sont grosso modo proportionnelles au niveau d’isolation du bâtiment, pour arriver au passif, on peut concevoir que 20 cm d’isolant dans les murs sont nécessaires (c’est un ordre de grandeur, mais cela reste du cas par cas !). Si ce bâtiment est chauffé avec des radiateurs électriques, cela équivaudrait à concevoir un bâtiment avec 8 cm d’isolant dans les murs et équipé d’une chaudière à condensation.

Chauffage électrique
dans un bâtiment passif.

Chaudière à condensation
dans un bâtiment PEB par exemple.

Chauffage direct ou à accumulation ?

Pour les inconditionnels du chauffage électrique non convaincus par le développement réalisé ci-avant, autant choisir la moins mauvaise des solutions.

Pour des bâtiments à basse énergie et passifs, le choix d’un système de chauffage électrique direct prend toute son importance. En effet, le chauffage électrique direct étant très réactif par rapport au chauffage à accumulation, en mi-saison le chauffage direct permettra d’éviter la surchauffe et les surconsommations liées à cette surchauffe.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Rendement d’une installation de chauffage central

Définition

Le rendement global d’une installation de chauffage central est le rapport entre les besoins réels en chauffage et la consommation annuelle :

ηglobal = besoins réels [kWh] / consommation annuelle [kWh]

Le ηglobal est donc le reflet de toutes les pertes liées à l’installation de chauffage :

ηglobal = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation

η_global= 100 % – % pertes de production – % pertes de distribution – % pertes d’émission – % pertes de régulation

> η_production

Au niveau de la chaudière, les pertes consistent en :

Des pertes par les fumées. L’entièreté de la chaleur contenue dans le combustible n’est pas transmise à l’eau. En effet, les fumées sont évacuées à une température relativement élevée.
Des pertes par rayonnement. Une partie de la chaleur de la flamme est transmise à des parois de la chaudière, non en contact avec de l’eau. Cette chaleur est perdue vers la chaufferie.
Des pertes à l’arrêt. En dehors des périodes de fonctionnement du brûleur, la chaudière perd sa chaleur vers la chaufferie, au travers de ses parois. De plus, si le foyer de la chaudière reste ouvert, un courant d’air refroidit le corps de la chaudière et évacue sa chaleur vers la cheminée.

> η_distribution

Lorsque des conduits de distribution d’eau chaude parcourent des locaux non chauffés (chaufferie, vide ventilé, couloir, grenier, extérieur, …), ceux-ci perdent une partie de leur chaleur et celle-ci ne peut être récupérée utilement pour le bâtiment.

Il en va de même pour les vannes, circulateurs,… situés dans des endroits ne devant pas être chauffés.

> η_émission

Une partie de la chaleur émise par les émetteurs de chaleur (radiateurs, chauffage par le sol, …) est directement perdue sans avoir pu profiter au local.

Par exemple, un radiateur placé sur une paroi extérieure rayonne directement vers cette dernière. De même, un radiateur placé en dessous d’une fenêtre augmente la température de l’air le long de cette dernière et donc accentue ses déperditions.

> η_régulation

Toute décalage (en puissance et en temps) entre la fourniture de chaleur et les besoins instantanés constitue une perte.

Par exemple, lorsque l’émission de chaleur ne se réduit pas à l’apparition du soleil dans un local.

Par exemple, l’inertie du bâtiment et de l’installation impliquent que la température intérieure ne se réduit pas instantanément lors de la mise au ralenti de l’installation. La remise en régime n’est pas, non plus instantanée, et demande d’anticiper l’occupation.

Ordre de grandeur

Type d’installation	Rendements en % (η_global = η_production x η_distribution x η_émission x η_régulation)
Type d’installation	η_production	η_distribution	η_émission	η_régulation	η_global
Très ancienne chaudière surdimensionnée ou très peu performante, longue boucle de distribution (années 60-70)	75 .. 80 %	80 .. 85 %	90 .. 95 %	85 .. 90 %	46 .. 58 %
Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution	80 .. 85 %	90 .. 95 %	95 %	90 %	62 .. 69 %
Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, … (années 90 et début 2000)	90 .. 93 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	77 .. 82 %
Chaudière mazout à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense	97 .. 98 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	83 .. 87 %
Chaudière gaz à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense	101 .. 103 %	95 %	95 .. 98 %	95 %	87 .. 91 %

Découvrez cet exemple de remplacement du système de chauffage (chauffage central à mazout) à la Maison de Repos et de Soins Ferdinand Nicolay à Stavelôot.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le combustible : bois, gaz et fuel

Lors de la conception une nouvelle installation où du remplacement de chaudières, trois combustibles sont généralement mis en balance : le bois, le fuel et le gaz naturel. Différents arguments peuvent faire pencher le décideur vers l’une ou l’autre de ces solutions. En voici la synthèse :

L’efficacité énergétique

Si l’on devait classer les chaudières en fonction de leur efficacité énergétique, on obtiendrait le résultat suivant :

les chaudières à condensation au gaz ou au fioul,
les chaudières traditionnelles gaz ou fuel à brûleur pulsé, chaudières gaz à brûleur à prémélange modulant et les chaudières bois-énergie,
les chaudières gaz atmosphériques.

Les technologies des chaudières gaz à condensation permettent d’atteindre des rendements normalisés de 110 % du PCI. Les chaudières au mazout à condensation permettent d’atteindre un rendement de 106 % du PCI. Ces deux valeurs correspondent à 99 % du PCSet sont donc équivalentes. Si l’on considère que le rendement actuel normalisé des chaudières basse température oscille entre 93 et 96 %, qu’il s’agisse de fuel, de gaz ou de bois. Le gain réalisé en optant pour le gaz à condensation tourne autour des 15 %, une économie non négligeable.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix d’une chaudière, cliquez ici !

L’impact environnemental

Chez l’utilisateur final et à technologie égale, la combustion du gaz produit 25 % de CO2 en moins que la combustion du fuel (pour une consommation énergétique équivalente). A lui seul, cet argument permet de recommander le gaz par rapport au mazout dans le cadre d’une politique de réduction de l’émission des gaz à effet de serre.

En ce qui concerne la biomasse, sa combustion a un impact neutre sur l’émission de CO₂. On peut s’en rendre compte en considérant le cycle de carbone. Néanmoins, cet argument n’est vrai que si le bois est issu d’une forêt gérée de manière durable ou si la biomasse est de type « agrocombustible » (pour en savoir plus, consultez notre page « bois-énergie »). Dans l’affirmative, on voit l’énorme potentiel que représente la biomasse pour réduire les émissions de CO₂. Même en considérant le cycle complet du bois, c’est-à-dire l’extraction, le conditionnement ainsi que le transport en plus de la combustion, on voit que l’émission de CO₂ pour une même production d’énergie est nettement inférieure aux autres vecteurs énergétiques.

Mais le CO2 n’est pas le seul impact à considérer. Si l’on regarde d’autres émissions, on constate que le gaz est le combustible le moins polluant chez l’utilisateur : émission de CO2, de SO2, de suies et de NOx moins élevée. Suivant le type d’émission auquel on s’intéresse, le mazout et le bois sont plus ou moins polluants. En termes d’émission de NOx, les deux vecteurs énergétiques se valent. En fait, le bois émet moins de SO₂ mais plus de particules fines (poussières).

Globalement, il faut noter une tendance progressive à exclure les combustions fossiles dans certains territoires. Pointons quelques exemples : l’Energieagenda des Pays-bas prévoit la déconnexion du réseau gaz de 170 000 maisons par an à partir de 2017, pour une disparition totale du chauffage gaz en 2050 ; le Pacte énergétique belge approuvé par le Fédéral et les trois Régions stipule l’interdiction de vente de chaudières mazout à partir de 2035 ; enfin, la Norvège interdit l’utilisation du fuel pour le chauffage dès 2020, pour tous les bâtiments.

L’investissement

On peut comparer les différents postes à financer pour les trois combustibles :

Poste de raccordement au gaz, citernes à mazout, … au-delà du prix existe la question d’encombrement.

Gaz	Fuel	Bois
Chaudière et brûleur.
Raccordement à la cheminée.
Tuyauterie d’alimentation du brûleur, filtre à gaz, robinet d’isolement.	Tuyauterie d’alimentation du brûleur, filtre à fuel, pompe à fuel.	Système de transport vers la chaudière.
Raccordement au réseau gaz (dont le coût est négociable).	Cuve à fuel (enterrée, en cave ou extérieure).	Pièce de stockage et système d’extraction.
Équipements de protection : détection des fuites de gaz, vannes électromagnétiques.		Clapet coupe-feu pour isoler la chaudière.
Si chaudière à condensation, évacuation des condensats.	Si chaudière à condensation, évacuation des condensats.	Décendrage et si chaudière à condensation, évacuation des condensats.

Le coût des chaudières gaz et mazout est semblable, quel que soit le système choisi. La différence de coût est en tout cas minime par rapport au coût global de l’installation. Les technologies à condensation sont plus chères que les chaudières traditionnelles, mais leur surcoût est rentabilisé par les économies d’énergie réalisées.
Les installations au bois sont significativement plus chères que leurs homologues gaz et fuel. Cette différence est essentiellement due au prix de la chaudière, d’une part, et au coût de l’installation de stockage et de transport (du stockage vers la chaudière). Dans certains cas, il faut même construire un nouveau bâtiment pour pouvoir réaliser ce stockage de combustible. En conclusion, l’investissement pour une installation au bois dépend fortement du contexte, mais de manière générale, on peut dire que l’on est dans un ordre de grandeur supérieur par rapport au gaz et au mazout.

Le volume de stockage

Le pouvoir calorifique des combustibles par unité de volume est fort différent. Pour obtenir le même contenu énergétique, le volume de combustible correspondant sera aussi différent. Par conséquent, cela aura une influence sur le volume de stockage et sur la fréquence d’approvisionnement. On peut retenir les ordres de grandeur suivants pour obtenir un contenu énergétique :

Un mètre cube de mazout équivaut approximativement à 3 *map de pellets, à 6 stères de bois et 12 map de plaquettes.

*map : Mètre cube Apparent de Plaquettes.

En conclusion, la viabilité d’un projet basé sur le bois-énergie dépend aussi du potentiel du site pour réaliser une installation de stockage : si la place est disponible ou si une pièce peut être réaménagée en zone de stockage. On voit que l’approche avec des plaquettes demande le plus de place.

Le coût du combustible

Les coûts de fourniture en combustible sont variables sur base saisonnière (augmentation de la demande en hiver) et en fonction de phénomènes globaux (géopolitiques notamment, qui influent sur le cours du pétrole). Sur le long terme, l’Observatoire des prix de l’APERE (http://www.apere.org/fr/observatoire-prix) permet d’identifier deux tendances :

Le fuel et le gaz ont des évolutions parallèles, mais décalées dans le temps. Le prix du mazout est plus volatil et son évolution précède celle du gaz : lorsque le mazout est plus cher, le prix du gaz a tendance à monter, et vice-versa. Ces dernières années, l’écart ne dépasse pas 1.5c€ par kWh (tarif particulier).
Le prix du bois est moins élevé que celui du fuel et de gaz, mais très sensible à sa forme : le prix des pellets est proche de celui des énergies fossiles, tandis que les plaquettes sont sensiblement moins chères (de l’ordre de 3 c€/kWh), soit presque moitié moins.

L’approvisionnement et le suivi des consommations

Le fuel ainsi que le bois sont disponibles sur tout le territoire, ce qui n’est actuellement pas le cas pour le gaz naturel.

Réseau de distribution du gaz naturel en Belgique (source : Tractebel).

Le gaz permet de ne pas se soucier de l’approvisionnement. De plus, par sa facturation mensuelle, en fonction d’un compteur volumétrique, le suivi régulier des consommations et la détection d’une dérive éventuelle sont nettement plus faciles avec le gaz.
Avec le fuel, il est pratiquement impossible de réaliser une comptabilité énergétique régulière si on ne prévoit pas un ou des compteurs fuel sur les brûleurs. Le suivi, par exemple mensuel, demande cependant le relevé des compteurs. Sans cela, seul un suivi annuel est possible, et encore faut-il une mesure précise des stocks en cuve au moment des livraisons.
Avec le bois, les grandes chaudières peuvent être équipées d’un système de comptage de la consommation. En outre, les silos textiles peuvent être équipés d’un système de pesage.

Consommation

Pour en savoir plus sur la comptabilité énergétique : cliquez ici !

Le contrôle

Réglementairement, les chaudières sont soumises à une obligation de contrôle. Les dispositions légales sont décrites dans l’Arrêté Royal du 29 janvier 2009 ainsi que sa modification du 18 juin 2009.
La fréquence minimale de ces entretiens dépend du type de combustible. On est sur une base annuelle pour les combustibles solides (bois) et liquides (fuel), pour une base trisannuelle pour les chaudières au gaz. Celles-ci sont en effet moins sujettes à l’encrassement.

Autres utilisations

Le gaz naturel peut avantageusement être utilisé pour d’autres usages comme les cuisines collectives, en remplacement de l’électricité ou du propane.

Cuisines collectives

Pour en savoir plus sur le choix du vecteur énergétique en cuisine collective : cliquez ici !

Synthèse des avantages et inconvénients

Critère	Pour le gaz	Pour le fuel	Pour le bois
Rendement	Élevé avec condensation	Élevé avec condensation
Approvisionnement	Réseau	Partout	Partout
Investissement			Plus élevé
Volume de stockage	Connexion au réseau		+ si pellets à +++ si plaquettes
Prix du combustible			Moins cher
Émission de CO₂	Inférieur de 25 % par rapport au mazout		Combustion neutre à certaines conditions
Émission de NOx	–	+	+
Émission de SO2	–	+	+
Émission de particules fines	–	+	++
Suivi des consommations	Facile	Par dispositif adhoc	Par dispositif adhoc

Le choix final dépend, pour chaque projet, du poids que le décideur donne à l’un ou l’autre des critères cités ici.

Exemple chiffré

Exemple :

Pour une question de facilité, on considère un bâtiment de type domestique. On suppose qu’il consomme actuellement 200 [GJ/an] ou 55 555 [kWh/an].

Les responsables de ce bâtiment désirent installer une nouvelle chaufferie. Se pose donc la question : « quel type de vecteur énergétique » ? Il est difficile d’évaluer les prix futurs de l’énergie. Suivant l’hypothèse que l’on choisit, les résultats sont significativement différents. Le lecteur est donc invité à réaliser l’exercice par lui-même sur base des prix qui lui sont applicables. À titre d’exemple, on utilisera ici une moyenne sur les cinq dernières années espérant conserver ainsi la tendance relative entre les différents vecteurs énergétiques.

Type de chaudière	Consommation future estimée	Gain par rapport au moins avantageux
Chaudière gaz à condensation (rendement saisonnier de 101 %).	55 555 [kWh/an] / 1,01 = 55 005 [kWh/an]	9 [%]
Chaudière gaz haut rendement (rendement saisonnier de 92 %).	55 555 [kWh/an] / 0,92 = 60 386 [kWh/an]	0 [%]
Chaudière fuel à condensation (rendement saisonnier de 97 %).	55 555 [kWh/an] / 0,97 = 57 273 [kWh/an]	5 [%]
Chaudière fuel haut rendement (rendement saisonnier de 92 %).	55 555 [kWh/an] / 0,92 = 60 386 [kWh/an]	0 [%]
Chaudière au bois haut rendement (rendement saisonnier de 92 %).	55 555 [kWh/an]/0,92 = 60 386 [kWh/an]	0 [%]

Type de chaudière	Facture future estimée (prix indicatif particulier 2018 (HTVA))	Gain par rapport au moins avantageux
Chaudière gaz à condensation.	55 005 [kWh/an] x 7 [cents €/kWh] = 3 850 [€/an]	9 [%]
Chaudière gaz haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 7 [cents €/kWh] = 4 227 [€/an]	0 [%]
Chaudière fuel à condensation.	57 273 [kWh/an] x 7 [cents €/kWh] = 4 009 [€/an]	9 [%]
Chaudière fuel haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 7 [cents €/kWh] = 4 227 [€/an]	0 [%]
Chaudière au bois haut rendement : pellets.	60 386 [kWh/an] x 5 [cents €/kWh] = 3 019 [€/an]	29 [%]
Chaudière au bois haut rendement : plaquettes.	60 386 [kWh/an] x 3 [cents €/kWh] = 1 812 [€/an]	57 [%]

Type de chaudière	Émission de CO₂ future estimée : basé uniquement sur la combustion	Gain par rapport au moins avantageux
Chaudière gaz à condensation.	55 005 [kWh/an] x 0,202 [kg CO₂/kWh] = 11 [tonnes CO2/an]	31 [%]
Chaudière gaz haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 0,202 [kg CO2/kWh] = 12.2 [tonnes CO2/an]	23,2 [%]
Chaudière fuel à condensation.	57 273 [kWh/an] x 0,263 [kg CO2/kWh] = 15 [tonnes CO2/an]	5,5 [%]
Chaudière fuel haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 0,263 [kg CO2/kWh] = 15.9 [tonnes CO2/an]	0 [%]
Chaudière au bois haut rendement : pellets.	60 386 [kWh/an] x 0 [kg CO2/kWh] = 0 [tonnes CO2/an]	100 [%]
Chaudière au bois haut rendement : plaquettes.	60 386 [kWh/an] x 0 [kg CO2/kWh] = 0 [tonnes CO2/an]	100 [%]

Type de chaudière	Émission de CO₂ future estimée : basé sur le cycle complet du combustible	Gain par rapport au moins avantageux
Chaudière gaz à condensation.	55 005 [kWh/an] x 0,235 [kg CO2/kWh] = 12.9 [tonnes CO2/an]	34,5 [%]
Chaudière gaz haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 0,235 [kg CO2/kWh] = 14.2 [tonnes CO2/an]	27,9 [%]
Chaudière fuel à condensation.	57 273 [kWh/an] x 0,327 [kg CO2/kWh] = 18.7 [tonnes CO2/an]	5,1 [%]
Chaudière fuel haut rendement.	60 386 [kWh/an] x 0,327 [kg CO2/kWh] = 19.7 [tonnes CO2/an]	0 [%]
Chaudière au bois haut rendement : pellets.	60 386 [kWh/an] x 0.047 [kg CO2/kWh] = 2.8 [tonnes CO2/an]	85,7 [%]
Chaudière au bois haut rendement : plaquettes.	60 386 [kWh/an] x 0.022 [kg CO2/kWh] = 1.3 [tonnes CO2/an]	93,4 [%]

Cahier des charges

Vecteur énergétique.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité du chauffage électrique

Évaluer l'efficacité du chauffage électrique

Des résistances électriques d’appoints, parfois intégrés dans une bouche de pulsion d’air ou dans une unité terminale, peuvent générer des consommations très élevées.

Évaluer le confort

Surchauffe ?

Si l’installation de chauffage actuelle entraîne des surchauffes dans les locaux, on peut penser que ce soit du à l’usage d’accumulateurs statiques. Ils se chargent durant la nuit et se déchargent statiquement pendant toute la journée. Pour assurer une température suffisante en fin de journée, on a alors tendance à charger trop fort les appareils la nuit.

L’impact énergétique n’est cependant pas négligeable. Dans un local dont la température de consigne est de 20°C :

un degré de trop = 7 .. 8 % de surconsommation !

Tout au contraire, les accumulateurs dynamiques présentent une isolation plus forte de leur paroi et une décharge organisée par un ventilateur, uniquement lorsque le thermostat et la programmation le commandent. Il faut donc évaluer l’économie réalisable et la comparer au coût de remplacement des appareils.

Si les appareils en place sont déjà des accumulateurs dynamiques, c’est le paramétrage du régulateur de charge qui doit être revu.

Améliorer

Pour la modification des paramètres de réglage de la charge.

Fluctuation de température ?

Cette fois, c’est probablement parce que le thermostat est du type « tout ou rien ». On le remplacera avantageusement par un régulateur électronique équipé d’un différentiel très faible et travaillant par régulation proportionnelle (= il commence à diminuer l’intensité du chauffage à partir du moment où la température d’ambiance se rapproche de la consigne). Il faut également vérifier la position du thermostat qui n’est peut-être pas fidèle des besoins réels du local.

Concevoir

Pour plus d’informations sur les thermostats électroniques et leur emplacement.

Manque de chaleur ?

Deux possibilités :

Les paramètres de fonctionnement du régulateur de charge doivent être revus,
À défaut, il s’agirait d’un manque de puissance installée.

Avant de le remplacer par un appareil plus puissant (donc consommant plus), on étudiera les possibilités de réduction des déperditions. Un remplacement de vitrages par exemple. Le confort en sera amélioré.

Concevoir

Pour plus d’informations sur les paramètres de fonctionnement des régulateurs de charge.

Évaluer l’efficacité énergétique

Il faut distinguer l’efficacité à la production (en centrale) et l’efficacité à l’utilisation (dans le bâtiment).

Une mauvaise efficacité à la production

Si l’on regarde les choses globalement, suite à son bilan écologique défavorable, l’électricité ne devrait pas être utilisée pour le chauffage des locaux. Au Danemark, le chauffage électrique est interdit depuis 1985 ! Dans le meilleur des cas, une centrale électrique TGV (Turbine-Gaz-Vapeur) produit de l’électricité avec un rendement de 55 %. Alors que les rendements de production des chaudières au gaz sont de 92 %, voir nettement plus s’il s’agit d’une chaudière à condensation.

Passer par une centrale électrique pour faire de la chaleur, c’est vraiment utiliser un très mauvais vecteur intermédiaire. En comparaison, passer par de l’eau chaude est proportionnellement beaucoup plus efficace. On pourrait donc réserver la production d’électricité à des missions plus nobles (télécommunication, bureautique, éclairage, moteurs, …).

Une excellente efficacité à l’utilisation … directe

Cependant, l’efficacité énergétique de l’appareil électrique à l’utilisation est très proche des 100 %. Du moins s’il s’agit d’un appareil de chauffage direct.

Une efficacité très relative à l’utilisation par accumulation

Si la chaleur est stockée la nuit dans des accumulateurs électriques, le rendement à l’utilisation s’écroule : si les besoins sont faibles ou nuls en journée (présence de soleil, apports des occupants, …), une partie de la chaleur stockée la nuit sera malgré tout utilisée en journée.

Même dans un accumulateur dynamique, s’il n’y a pas de demande en journée, la décharge du noyau sera de 50 % environ en fin de journée, pratiquement en pure perte (surchauffe en présence de soleil, par exemple). C’est la haute température du noyau (plusieurs centaines de degrés) et la faiblesse de l’isolation qui en sont responsables.

Voici les résultats d’une analyse comparative faite dans le secteur domestique (immeuble d’appartements) dans le cadre du projet « connaissance des émissions de CO₂ » – septembre 2001. L’étude consistait à comparer différents systèmes de chauffage sur un même bâtiment (niveau K55), par simulation informatique.

	x	Rendement global de l’installation (toutes pertes comprises)	Polluant CO2 [kg/an]	Polluant NOx [kg/an]	Énergie primaire f=2,7 (*)[kWh/an]	Énergie primaire f=1,8 (*)[kWh/an]
Mazout	chaudière HR	78 %	1 474	0,7	5 628	5 578
Gaz naturel	chaudière HR	77 %	1 122	0,9	5 724	5 675
	chaudière modulante	83 %	1 035	0,3	5 276	5 235
	chauffage urbain	58 %	1 457	1,5	7 428	7 364
Électricité	direct	93 %	1 611	2,1	13 198	8 798
Électricité	mixte (accu+direct)	86 %	1 690	2,2	14 272	9 515
Pompe à chaleur	eau/eau	216 %	731	0,9	5 686	3 791

(*) f = 2,7 est basé sur le rendement moyen des centrales électriques,
(*) f = 1,8 est basé sur le rendement des meilleures centrales (TGV Turbine-Gaz-Vapeur).

Comment évaluer la performance de son appareil ?

Idéalement, l’accumulateur ne doit délivrer de la chaleur que lorsqu’il y a une demande dans le local. Il devrait, de plus, être froid en fin de journée.

Pour vérifier l’efficacité énergétique d’un accumulateur, il faut analyser s’il dispose :

d’une forte isolation des parois,
d’une régulation de charge en fonction de la température extérieure,
d’une décharge dynamique (ventilateur qui extrait la chaleur lorsque le thermostat est en demande,
d’un programmateur horaire, journalier et hebdomadaire,

et qu’il est réglé pour ne charger que l’énergie juste nécessaire le lendemain.

À l’opposé, on trouvera l’accumulateur statique

dont le niveau de charge est manuel (bouton à 3 positions), tenant peu compte des évolutions climatiques,
dont la chaleur s’écoulera tout au long de la journée, sans contrôle.

Le chauffage par le sol fait partie des accumulateurs statiques. Il lui est impossible d’éviter le chauffage du local, même si le soleil brille et qu’une réunion s’y produit. Avec la chaleur, bonjour l’ambiance !

Pour agir :

Améliorer	Pour modifier les paramètres de réglage de la charge.
Améliorer	Pour évaluer la rentabilité du remplacement du chauffage électrique par un chauffage au gaz ou au fuel.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régime de dimensionnement

Un équipement de chauffage (chaudière, radiateur ou batterie de chauffage) est « dimensionné en régime 90/70 »

Que signifie cette expression ?

Prenons l’exemple d’un radiateur :

Pour assurer le confort (température de consigne de 20°C) dans un local, pour une température extérieure extrême de – 10°C (température dite « de base », fonction de la région), le calcul des déperditions indique qu’il faut un radiateur de 2 000 W.

Si on choisit un radiateur de 2 000 W dimensionné en régime 90/70, cela signifie que l’eau entre dans le radiateur à 90°C, qu’elle cède 2 000 W de chaleur au local à 20°C, et sort avec une température de 70°C.

Si on choisit un radiateur de 2 000 W dimensionné en régime 70/50, cela signifie que, si on alimente le radiateur avec de l’eau à 70°C, celle-ci cédera 2 000 W de chaleur au local à 20°C, et ressortira avec une température de 50°C.

Évidement, la différence de température entre le local et la température moyenne du radiateur est plus faible :(60°C – 20°C) au lieu de (80°C – 20°C). Pour fournir la même puissance, la surface du radiateur deviendra plus importante.

Or la puissance émise par un radiateur varie en fonction de la différence de température entre le local et la température moyenne du radiateur, le tout exposant 1,3.

La surface du radiateur dimensionné en régime 70/50 sera de :

1 / ( (60 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C]) ) Exp ^1,3= 1,69 ou 169 [%]

Notons que la norme NBN EN 442-1 (1996) propose que la puissance nominale des radiateurs et convecteurs reprise par le fabricant pour caractériser leur matériel, soit calculée pour une différence de température de 50°C entre l’eau du radiateur et l’air ambiant, soit un régime 80/60.

La surface du radiateur dimensionné en régime 80/60 sera de :

1 / ( (70 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C]) ) Exp ^1,3= 1,26 ou 126 [%]

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la régulation du chauffage électrique

Il est possible de modifier et d’optimiser
les paramètres de régulation d’un accumulateur électrique.

La régulation de température ambiante

Chaque local chauffé est pourvu d’un thermostat d’ambiance qui enclenche et déclenche la restitution de chaleur et ce en fonction de la température ambiante.

Un faible différentiel

Un thermostat d’ambiance est caractérisé par son différentiel statique (différence en K ou en °C) entre le point d’enclenchement et le point de déclenchement.
Afin de tendre vers un confort optimal, le choix se portera de préférence sur un thermostat d’ambiance dont le différentiel statique ne dépassera pas :

0,3 K pour un thermostat mural,
0,8 K pour un thermostat incorporé à l’appareil.

Cela entraîne une variation de température dans le local au point le plus défavorable (différentiel dynamique) de 2 K maximum.

Un thermostat à restitution progressive

On discerne deux types de thermostats :

les thermostats électromécaniques, à commande « tout ou rien »,
les thermostats électroniques, à commande « tout ou rien » ou à commande de restitution progressive, proportionnelle à la différence entre la consigne affichée et la température ambiante mesurée.

Cette dernière solution (qui correspond à une régulation proportionnelle) est à privilégier, toujours pour diminuer la fluctuation de la température intérieure.

Emplacement du thermostat

Dans le cas d’un thermostat d’ambiance incorporé à l’appareil, l’emplacement du thermostat est automatiquement lié à l’emplacement de l’appareil de production de chaleur.

Il y a lieu de noter que dans le cas où la production de chaleur pour un même local se répartit entre plusieurs appareils, les thermostats incorporés seront mis au maximum, et la température ambiante sera gérée par un seul thermostat d’ambiance mural qui commande tous les appareils simultanément ou par le thermostat d’ambiance d’un des appareils dès lors que la commande des autres appareils en est rendue tributaire (maître/esclave).

Dans le cas d’un thermostat d’ambiance mural, il trouvera son emplacement en suivant les règles ci-après :

sur un mur intérieur,
à une hauteur située entre 1 m 40 et 1 m 50 au-dessus du sol,
éloigné de toute source de chaleur et/ou de froid,
jamais dans un coin du local afin d’éviter de se retrouver dans une couche d’air statique,
hors de la portée des rayons solaires.

A éviter :

La sonde ne peut être soumise à l’ensoleillement.
La sonde ne peut être influencée par une source de chaleur interne (éclairage, …)

La sonde ne peut pas être placée sur un mur extérieur.
La sonde ne peut être placée contre une cheminée.

La sonde ne peut être placée dans un endroit clos, peu influencé par l’air ambiant (dans une niche, derrière une tenture, …)

Raccordement du thermostat

Il y a lieu de suivre pour le raccordement les indications données par le constructeur, tout en observant les recommandations suivantes :

Un thermostat mural, dont le câblage est amené au travers d’un tube encastré, peut voir son fonctionnement perturbé par l’effet cheminée qui pourrait se créer dans ce tube. Il est donc recommandé d’obturer l’extrémité du tube (silicone, mastique ou autre).
La puissance de coupure d’un thermostat d’ambiance est souvent limitée, afin d’éviter l’auto-échauffement et la perte de précision. Il faut dès lors vérifier les caractéristiques du thermostat vis-à-vis de la puissance à commander. Le cas échéant, la puissance sera commandée au travers d’un relais de puissance qui, lui, est commandé par le thermostat.
L’alimentation du thermostat doit être conforme aux prescriptions du constructeur. Certains thermostats nécessitent un raccordement phase et neutre ou deux phases, afin de garantir leur précision.

Choix de la consigne

Afin d’assurer une consommation d’énergie minimale tout en conservant un confort optimal, la consigne du thermostat d’ambiance sera abaissée de 5 K lors d’une non-occupation prolongée du local (pendant plusieurs heures par jour).

Si la non-occupation du local se prolonge pendant plusieurs jours, la consigne du thermostat sera placée sur une valeur entre 10 et 12°C afin d’assurer une protection antigel et d’éviter les phénomènes de condensation.
Cette fonction d’abaissement de température peut être réalisée

en manuel : les abaissements de température sont réalisés par l’utilisateur en modifiant la consigne au thermostat.
en automatique :
- au moyen d’horloges (incorporées dans le thermostat ou centralisées dans le coffret de distribution), à programme journalier ou hebdomadaire,
- au moyen d’éléments de programmation spécifiques,
- ou au travers de systèmes intelligents émanant de la domotique.

Dans tous les cas, un mode d’emploi complet doit être exigé de l’installateur.

Régulation de la résistance d’appoint

Dans le cas de l’accumulation dynamique, le thermostat d’ambiance commande le ventilateur incorporé dans l’accumulateur.

Si l’accumulateur est équipé d’une résistance d’appoint, celle-ci ne pourra fonctionner qu’avec le ventilateur et pour autant que la charge résiduelle dans le noyau accumulateur soit inférieure à 20 à 30 % (protection incorporée dans l’accumulateur en série avec la résistance d’appoint).

Pour rappel : l’enclenchement de la résistance d’appoint est tributaire d’un interrupteur incorporé au thermostat et est visualisé au moyen d’un témoin.

En application trihoraire, les résistances d’appoint sont interdites.

La régulation de charge

Régulation manuelle ou automatique ?

On ne saurait trop recommander une régulation automatique de la charge en fonction de la température extérieure. Et pourtant, on rencontre couramment des accumulateurs avec réglage manuel à 3 positions. Par simplification, ils sont souvent réglés sur la position la plus élevée, afin de prévenir toute période froide éventuelle du lendemain. En pratique, ils entraînent une décharge statique plus élevée que nécessaire et donc une perte de rendement.

Un dispositif automatique de régulation de charge est obligatoire dans les cas suivants :

en tarif exclusif nuit lorsque la puissance totale installée en accumulation est supérieure ou égale à 12 kW,
dans tous les cas d’application d’accumulation en tarif trihoraire ou hors-pointes, indépendamment de la puissance installée,
dans le cas de l’accumulation par le sol.

Le dispositif automatique de régulation de charge tiendra nécessairement compte :

de la température extérieure,
du niveau de charge résiduelle dans le noyau accumulateur,
du régime horaire et du report de charge vers la fin de la période principale de charge (nuit).

Lorsque la puissance totale est inférieure à 12 kW, le thermostat de charge incorporé à l’accumulateur sera opérationnel en fonction manuelle. Il sera toutefois donné préférence à un dispositif automatique simplifié qui tient compte de la température extérieure et du niveau de charge résiduelle dans le noyau accumulateur.

Eléments constitutifs d’une régulation automatique de charge

En général, une régulation automatique de charge se compose des éléments suivants :

une sonde de mesure de la température extérieure,
un régulateur central,
un interface d’acquisition d’informations de la situation tarifaire,
des éléments de commande d’enclenchement de la puissance en fonction de la charge résiduelle du noyau et du niveau autorisé par le régulateur central (thermostat de charge).

Il est à noter que les thermostats de charge sont incorporés aux accumulateurs. S’il s’agit de chauffage par le sol, ils sont localisés dans le coffret de distribution mais disposent d’une sonde de mesure de charge résiduelle incorporée dans la masse accumulatrice.

Emplacement de la sonde extérieure

S’il n’y a qu’une sonde pour le bâtiment, on la posera sur une façade nord-ouest ou nord-est.
Elle sera placée à une hauteur de 2 m à 2 m 0 au-dessus du niveau du sol ou accessible à partir d’une fenêtre.

A éviter :

La sonde ne peut être soumise à l’ensoleillement direct.
La sonde ne peut être placée contre une cheminée..

La sonde ne peut être placée au dessus d’une fenêtre.
La sonde ne peut être placée au dessus d’une sortie de ventilation.

Remarques.

Les caractéristiques de la sonde extérieure doivent être adaptées à celles du régulateur central.
Le percement du mur extérieur pour le passage du câblage de la sonde sera rendu étanche.

Le régulateur central

Le régulateur central peut être composé d’un ou de plusieurs modules et est généralement incorporé dans le coffret de distribution. Il y a lieu de se conformer aux prescriptions du constructeur en ce qui concerne le câblage et l’emplacement.

Les courbes caractéristiques de fonctionnement sont déterminées comme suit avec les définitions suivantes :

θext	Température extérieure.
θ1	Température de la zone climatique pour laquelle l’installation est dimensionnée.
θc	Température de confort de la pièce principale.
E1	Pour 100 % de charge requise (- 20°C à + 5°C).
E2	Pour 0 % de charge requise (+ 12°C à + 20°C).
E3	Durée après laquelle la charge optimale devrait être réalisée (4 … 9 h).
SEH	Temps d’auto-maintien (= E3 – 1 h).
tF	Durée de la période principale de charge.

		tF	E3	SEH
régime excl. nuit	8 h de charge	8 h	7 h	6 h
	8 h + 1 h de charge	8 h	7 h	6 h
	9 h de charge	9 h	8 h	7 h
régime trihoraire	7 h + 9 h de charge	7 h	6 h	5 h

Remarque.
Si pendant la période délimitée par SEH une interruption de la charge se produit, le régulateur se maintient à la consigne atteinte au début de l’interruption, arrête son cycle de temps, et redémarre dès retour du courant de charge en reprenant au niveau atteint au début de l’interruption.

TU	Durée après laquelle le régulateur passe de la caractéristique nocturne à la caractéristique diurne : TU = E3 + 2 h en exclusif nuit TU = E3 + 1 h en hors-pointes
E22 ou E10	Niveau de départ de la caractéristique diurne (0 – 100 %). Depuis 1995, ce paramètre s’appelle E10.
UMD	Durée du cycle interne du régulateur (normalement 22 h en exclusif nuit et 21 h en hors-pointes).
E4	Temps après lequel la consigne tend vers 0 % de charge. Depuis 1995, E4 indique le niveau de charge au moment UMD (0 – 100 %), par exemple E4 = 20 %.
E1 S	Choix de la caractéristique diurne : E1 S = 0 : la charge diurne est autorisée. E1 S = 1 : la charge diurne est interrompue si la η_ext > E1 (par exemple : + 5°C en hors-pointes).

A. Courbe caractéristique en fonctionnement exclusif de nuit (9 h de charge)
Réglages types.

E1	= η1
E2	= C – 2°C
E3	= tF – 1 h = 8 h
SEH	= E3 – 1 h = 7 h (sur certains régulateurs, limité à 6 h)
E4	= 26 h (ou 20 %)
E1 S	= 0
TU	= E3 + 2 h = 10 h
UMD	= 22 h
E22	= E10 = 85 %

Niveau de charge souhaité du noyau.

Remarque.
Dans le cas où le temps de charge est limité à 8 h, il y a lieu d’adapter certains réglages : E3 = 7 h, SEH = 6 h, TU = 9 h; les autres réglages restant identiques.

B. Courbe caractéristique en fonctionnement trihoraire (7 h + 9 h de charge)

Réglages types :

E1	= C – (ηC – η1) / 2
E2	= C – 2°C
E3	= tF – 1 h = 6 h
SEH	= E3 – 1 h = 5 h
E4	= 30 h (ou 40 %)
E1 S	= 1
TU	= E3 + 1 h = 7 h
UMD	= 21 h
E22	= E10 = 100 %

Situation 1 : η_ext > 5°C (les charges de jour sont interdites).

Niveau de charge souhaité du noyau.

Situation 2 : η_ext < 5°C

Niveau de charge souhaité du noyau.

Information concernant les périodes tarifaires

Le distributeur d’énergie met les contacts nécessaires, libres de potentiel, à disposition :

un contact signale la période principale de charge,
l’autre sert à l’indication des périodes de pointes.

Il y a lieu de se conformer aux prescriptions du constructeur.

Thermostat de charge

Thermostat de charge thermomécanique

Principe de fonctionnement du thermostat de charge thermomécanique.

Le thermostat de charge est incorporé dans chaque accumulateur et veille à ce que le noyau se charge jusqu’à une certaine température. La contenance calorifique du noyau est proportionnelle à la température de celui-ci.

La majorité des thermostats de charge actuellement mis en œuvre sont du type thermomécanique (cf. la représentation ci-dessus). Ils sont actionnés par un signal résultant de la somme des températures du noyau et d’une sonde pilote (charge simulée).

L’élément actif d’un thermostat de charge est un soufflet (5) sensible à la somme des pressions provenant des deux sondes de température et qui enclenche ou déclenche l’alimentation électrique (7) des résistances du noyau (8). La sonde qui représente la charge du noyau (1) est incorporée dans l’isolation du noyau. La sonde pilote (2) est entourée d’une résistance pilote chauffante (3) qui est alimentée par le signal du régulateur de charge.

Le bouton de réglage manuel (6) permet de régler manuellement la charge entre 0 et 100 % dans le cas où l’accumulateur n’est pas piloté par un régulateur de charge. Si l’accumulateur est piloté par un régulateur de charge, le bouton de réglage (6) doit être positionné sur 100 %. Toute modification de cette indexation aura une influence négative sur le niveau de charge demandé par le régulateur.

En présence d’un signal de commande, le thermostat de charge déclenchera à un niveau déterminé de température du noyau. Pour un signal maximal sur la résistance pilote correspond une charge autorisée dans le noyau de 0 %; pour un signal minimal sur la résistance pilote correspond une charge autorisée dans le noyau de 100 %. Tout signal intermédiaire autorise un niveau de charge intermédiaire et proportionnel.

L’accumulateur contient, outre le thermostat de charge, également un thermostat de sécurité (9), afin de limiter la température du noyau à une valeur maximale en cas de défaillance du thermostat de charge.

Le signal pilote provenant du régulateur de charge est habituellement géré dans un mode 80 % ED (signal à modulation par Durée d’Enclenchement (ED)).
Exemple ED = 20 %

Un signal de 2,0 sec (20 % ED) autorise une charge de noyau de 75 %.

Le signal appliqué est basé sur une tension 230 V – 50 Hz. Le signal au sein d’une période de 10 sec est actif pendant maximum 8 s, soit 80 % de la période.
Un signal d’une durée d’enclenchement de 8 sec (80 % ED) simule au niveau de la sonde pilote une charge de 100 % et autorise dès lors une charge de 0 % dans le noyau.
Un signal d’une durée d’enclenchement de 0 sec (0 % ED) simule au niveau de la sonde pilote une charge de 0 % et autorise une charge du noyau de 100 %.

Thermostat de charge électronique

Le principe de fonctionnement est similaire lorsque le thermostat de charge est électronique.
Dans ce cas, la sonde de mesure de la charge du noyau peut être en contact direct avec le noyau (par ex. sonde Pt 100). La sonde pilote disparaît et le signal pilote est pris en compte directement par le comparateur électronique. Ce dispositif électronique permet d’inclure une vérification automatique du bon fonctionnement du régulateur de charge en incluant un signal pilote minimal de 2 %, 0 % ED est signe de défaillance de la régulation de charge. Le comparateur du thermostat de charge pourra dans ce cas avoir un comportement positif c-à-d. absence de signal (0 % ED) provoquant 100 % de charge ou un comportement négatif c-à-d. absence de signal (0 % ED) provoquant le blocage de charge.
Cette dernière solution, la plus récente sur le marché va dans le sens de l’URE et attire immédiatement l’attention de l’utilisateur sur une défaillance du système de régulation.

Régulation de charge pour le chauffage par le sol

Le principe de la régulation pour le chauffage par accumulation par le sol est comparable à la régulation pour les accumulateurs.

Au lieu d’un thermostat de charge incorporé à l’accumulateur, la régulation se compose d’une sonde de chaleur résiduelle incorporée dans la dalle accumulatrice et d’un thermostat ou régulateur de zone connecté directement au régulateur de charge central.

On disposera d’autant d’unités sonde + thermostat correspondant que de zones de température à régler.
Au niveau du régulateur de zone, il est possible d’ajuster la température de la dalle correspondant à 100 % de charge. En général, la température maximum de la dalle sera réglée de 55 à 60°C.

Le régulateur central sera soit un module spécifique pour régulation sol dont le signal de sortie sera en courant continu, soit un régulateur classique pour accumulation combiné à un convertisseur transformant le signal ED en signal DC proportionnel. Afin d’éviter tout dysfonctionnement, on placera dans la zone principale un thermostat de sécurité qui coupera la charge de toutes les zones si la température correspondant à la charge maximale est dépassée.

Les circuits de puissance sont enclenchés/déclenchés par des contacteurs ou relais adéquats qui sont pilotés par les régulateurs de zone.

Ampli de groupe

L’ampli de groupe amplifie le signal ED afin de pouvoir piloter un nombre d’accumulateurs supérieur à celui normalement admis par le régulateur central (voir les spécifications du constructeur).

Il permet aussi d’adapter le signal ED dans une fourchette de – 30 à + 10 %. Cette faculté permet dans le cadre de grands ensembles ou d’immeubles à appartements de corriger le niveau de charge autorisé par le régulateur central pour un groupe d’accumulateurs. On pourra ainsi en installant un ampli de groupe par appartement, corriger le niveau de charge appartement par appartement, afin d’ajuster la régulation à la demande individuelle. Ceci permet de gérer le confort individuel dans chacun des appartements avec un seul régulateur central.

(Source : d’après « Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique » – Communauté de l’Electricité – CEG).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Rendement d’une chaudière

Lorsque l’on caractérise les performances d’une chaudière, il faut distinguer le rendement de la chaudière lorsque le brûleur est en fonctionnnement, c’est le rendement nominal ou utile et le rendement global sur toute la saison de chauffe, c’est le rendement saisonnier. Ce dernier prend en compte non seulement les performances pendant les périodes de marche, mais aussi pendant les périodes d’arrêt du brûleur.

Rendement nominal ou rendement utile

Le rendement utile η_utile d’une chaudière est son rendement instantané lorsque le brûleur fonctionne. C’est le rapport entre la puissance contenue dans le combustible et la puissance thermique transmise à l’eau de chauffage

η_utile= P_u/ P_a

où,

P_a= puissance contenue dans le combustible = débit de combustible x son pouvoir calorifique PCI (ou PCS)
P_u= puissance utile de la chaudière ou puissance fournie à l’eau de chauffage

Il s’agit d’un rendement instantané qui peut varier en fonction des conditions d’exploitation de la chaudière (température de l’eau, puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière). Le fabricant de chaudières doit pouvoir fournir sa valeur à charge nominale et dans des conditions de combustion idéales (rendement nominal) dans leur documentation technique.
La différence entre la puissance utile fournie à l’eau (P_u) et la puissance contenue dans le combustible est constituée de pertes :

Vers la cheminée. Les fumées de combustion sont évacuées encore chaudes. Cette chaleur est perdue.
Vers la chaufferie. La chaudière est comme un gros radiateur qui émet de la chaleur vers l’ambiance de la chaufferie.

Pertes d’une chaudière lorsque son brûleur est en fonctionnement.

Le rendement utile d’une chaudière peut donc s’exprimer sous la forme:

η_utile= (P_a– Pertes fumées – Pertes ambiance) / P_a

En pratique, on utilise souvent la forme :

η_utile= η_comb– %q_r

où,

- ηcomb = rendement de combustion [%]
- %qr = pourcentage de réduction due aux pertes vers l’ambiance durant le fonctionnement du brûleur

Pertes par les fumées et rendement de combustion

Les pertes par les fumées proviennent

De la chaleur sensible contenue dans les fumées qui sont nettement plus chaudes que l’air aspiré dans la chaufferie.
De la chaleur latente, si la vapeur d’eau contenue dans les fumées n’est pas entièrement condensée. Cette perte est prise en compte dans le rendement chiffré si on compare l’énergie fournie au Pouvoir Calorifique Supérieur.
Des imbrûlés issus d’un mauvais mélange entre l’air et le combustible, provoquant la production de CO au lieu de CO₂ (la chaleur dégagée est alors inférieure à celle fournie par une combustion complète).

Le rendement de combustion se définit comme :

η_comb= (P_a– Pertes fumées) / P_a

où,

Pa = puissance contenue dans le combustible = débit de combustible x PCI (ou PCS)

Le rendement de combustion est le plus souvent calculé par rapport au pouvoir calorifique inférieur (PCI) du combustible. Il en résulte des rendements souvent supérieurs à 100 % pour les chaudières à condensation.
Le rendement de combustion est l’image de la qualité de la combustion et de l’échange entre thermique entre les fumées et le fluide caloporteur.
En pratique, on exprime souvent le rendement de combustion par la formule de Siegert :

η_comb= 100 – f x (T_fumées– T_amb) / %CO₂

où :

Tfumées = la température des fumées à la sortie de la chaudière [°C]
Tamb = température ambiante de la chaufferie [°C]
%CO2 = la teneur en CO2 des fumées [%]
f = facteur dépendant principalement du type de combustible (mazout : f = .. 0,57 ..; gaz naturel : f = .. 0,47 ..)

On relève les deux éléments clés de cette formule

La température des fumées. Plus celle-ci est élevée, plus il y a de perte de chaleur vers la cheminée, et moins bon est l’échange entre l’eau et les fumées.
Le pourcentage de CO2 contenu dans les fumées qui symbolise la transformation complète du combustible.

Evolution du contenu des fumées avec l’excès d’air [%] de combustion.

Pertes par l’ambiance

Les pertes vers l’ambiance proviennent de l’échange thermique par rayonnement et convection entre la chaudière et son environnement. Ces pertes proviennent d’une part de la masse d’eau chaude présente dans la chaudière et d’autre part des parties non irriguées de la chaudière qui s’échauffent directement sous le rayonnement de la flamme. On parle dans ce dernier cas de pertes par parois sèches.
Les pertes par l’ambiance sont fonction notamment de la température moyenne de l’eau dans la chaudière, de la configuration de cette dernière et de son degré d’isolation (attention aux surfaces non isolées telles que les portes ou le socle). Elles sont donc en partie dépendantes de la vétusté de la chaudière et de sa régulation.

Chaudière au charbon convertie au fuel.
Chaudière gaz atmosphérique.
Chaudière fuel ou gaz à brûleur pulsé.

Source : le Recknagel.

Rendement saisonnier

Le rendement saisonnier η_sais est le rapport entre l’énergie totale transmise à l’eau de chauffage durant toute la saison de chauffe Q_u et l’énergie contenue dans le combustible consommé durant cette période Q_a:

η_sais= Q_u/ Q_a

C’est ce rendement qui permet de chiffrer les performances globales de la chaudière. La consommation en combustible est directement à celui-ci.

Pertes à l’arrêt

La puissance des chaudières étant dimensionnée pour des températures extérieures extrêmes, celles-ci fonctionneront la plupart du temps à charge partielle. Dans ce cas, le brûleur, à l’exception des brûleurs modulants, alternera les périodes de fonctionnement et les périodes d’arrêt, de manière à obtenir la puissance moyenne nécessaire.
Le rendement nominal ne représentant que les performances de la chaudière durant le fonctionnement du brûleur, il importe d’introduire la notion de rendement saisonnier qui prendra également en compte les pertes de la chaudière durant les périodes d’arrêt de ce dernier.
Lorsque le brûleur est à l’arrêt, la chaudière conserve une certaine température. Dès lors, elle échangera de la chaleur :

Par rayonnement et convection, avec l’ambiance de la chaufferie (on peut la considérer comme un gros radiateur). Remarquons que cette perte est inférieure aux pertes vers l’ambiance décrites ci-dessus. En effet lorsque le brûleur est en fonctionnement, certaines parties de la chaudière non en contact avec l’eau, s’échauffent par le rayonnement de la flamme (porte, le bas de la chaudière s’il n’est pas irrigué, …), ce qui augmente les pertes totales vers l’ambiance..
Par convection interne vers la cheminée. On parle de pertes par balayage. En effet, si l’amenée d’air du brûleur reste ouverte à l’arrêt (brûleur à air pulsé gaz ou fuel sans clapet d’air automatique ou brûleur gaz atmosphérique), l’intérieur chaud de la chaudière est en permanence parcouru par un courant d’air qui évacue sa chaleur vers la cheminée par tirage naturel.

Pertes à l’arrêt d’une chaudière.

Ces deux types de perte constituent les pertes à l’arrêt ou d’entretien de la chaudière. Les pertes d’entretien d’une chaudière s’expriment au travers d’un pourcentage de la puissance nominale de la chaudière : le coefficient d’entretien ou de pertes à l’arrêt q_E:

Pertes à l’arrêt [kW] = q_Ex Puissance nominale chaudière [kW]

Le coefficient qE d’une chaudière est repris dans sa documentation technique en fonction de sa température de fonctionnement.
qE varie en fonction de cette température, approximativement, suivant la formule :

qE2 = qE1 x ( (T_chau 2– T_amb) / (T_chau 1– T_amb) ) ^1,25

où,

qE2, qE1 = les coefficients de perte à l’arrêt pour une température d’eau de chaudière respectivement de Tchau 2 et Tchau 1 et une température de chaufferie de Tamb.

Expression du rendement saisonnier

On peut exprimer le rendement saisonnier d’une chaudière par la formule de Dittrich :

η_sais= η_utile/ (1 + q_Ex (n_T/n_B– 1))

où,

ηutile = rendement utile (quand le brûleur fonctionne)
nT = nombre total d’heures de la saison de chauffe [h] (environ 5 800 heures en moyenne Belgique et environ 6 500 heures dans l »entre Sambre et Meuse » et en haute Belgique)
nB = nombre d’heures de fonctionnement du brûleur durant l’année [h]
nB/nT = temps de fonctionnement du brûleur / temps d’utilisation de la chaudière, est aussi appelé facteur de charge de la chaudière

Facteurs d’influence du rendement saisonnier

Le rendement saisonnier augmente :

quand le réglage de la combustion est optimal (augmentation du rendement de combustion),
quand la température de l’eau diminue (augmentation de l’échange entre les fumées et l’eau et diminution des pertes à l’arrêt),
quand la puissance du brûleur est la plus proche possible des besoins (augmentation du facteur de charge et diminution des temps d’arrêt de la chaudière), c’est-à-dire, en ne surdimensionnant pas le brûleur, en utilisant un brûleur 2 allures ou modulant).

Par exemple, un brûleur modulant (gaz ou fuel) qui pourrait faire varier sa puissance entre 0 et 100 % (matériel n’existant pas sur le marché), fonctionnerait en permanence, supprimant ainsi les temps d’attente de la chaudière. Le facteur de charge de la chaudière serait égal à 1 et le rendement saisonnier serait égal au rendement utile, c’est-à-dire quasi égal au rendement de combustion (aux pertes vers l’ambiance près).

Exemple.

Une ancienne chaudière de 500 kW équipée d’un brûleur d’une puissance de 450 kW a un rendement de combustion mesuré de 88,7 %.

Ses pertes vers l’ambiance sont estimées à 1 %.

Son brûleur n’est pas équipé d’un clapet d’air se refermant à l’arrêt. Ses

pertes à l’arrêt sont estimées à 2 % (1,5 % pour les pertes par balayage et 0,5 % pour les pertes vers la chaufferie).

La consommation du bâtiment est de 39 000 litres de fuel par an. Le temps de fonctionnement du brûleur est donc de :

39 000 [litres/an] x 10 [kWh/litre] / 450 [kW] = 867 [h/an]

pour une saison de chauffe de 5 800 h/an.Le rendement saisonnier de cette chaudière est donc estimé à :

η_sais= (88,7 [%] – 1 [%]) / (1 + 0,02 x
(5 800 [h/an] / 867 [h/an] – 1)) = 78,7 [%]

Si on rénovait l’installation en l’équipant d’une chaudière moderne redimensionnée de 250 kW. Les pertes à l’arrêt de la nouvelle chaudière sont de 0,2 %. Le rendement utile annoncé par le constructeur est de 93 %.

Comme la puissance de la chaudière a été divisée par 1,8, le temps de fonctionnement sera augmenté dans la même proportion :

n_B= 867 [h/an] x 1,8 = 1 560 [h/an]

Le rendement saisonnier de cette chaudière sera donc estimé à :

η_sais= (93 [%]) / (1 + 0,002 x (5 800 [h/an] /
1 560 [h/an] – 1)) = 92,5 [%]

Grâce à cette rénovation, la consommation énergétique sera abaissée à :

39 000 [litres/an] / 92,5 [%] x 78,7 [%] = 33 181 [litres/an]

Calculs	Pour estimer le rendement saisonnier de votre propre installation (sur base du climat moyen d’Uccle), cliquez ici !
Calculs	Pour estimer le rendement saisonnier de votre propre installation (sur base du climat moyen de St Hubert), cliquez ici !

Pertes au démarrage et à l’arrêt du brûleur

Attention, la mesure du rendement de combustion ne prend en compte la qualité de combustion que lorsque le brûleur est en régime. Elle néglige les pertes qui apparaissent lors de l’allumage et de l’arrêt du brûleur.
Dans la pratique et, même avec un brûleur le plus finement réglé, il est impossible d’éviter, à certains moments, la formation de CO, d’imbrûlés et d’émissions polluantes comme les NO_x. Ces derniers sont évidemment toxiques et leur formation diminue légèrement le rendement de combustion moyen et accélère l’encrassement de la chaudière.
Ils apparaissent inévitablement au démarrage et à l’arrêt du brûleur. Au démarrage, par exemple, on injecte du combustible qui doit s’enflammer. Les premières gouttes ne pourront le faire correctement car elles ne se trouveront pas dans les conditions idéales de mélange et de température. Un phénomène semblable se déroule à l’arrêt pour les dernières gouttes injectées.
Il est difficile de chiffrer les pertes et les émissions polluantes complémentaires que cela engendre. Il faut cependant avoir en tête celles-ci seront d’autant plus importantes que le nombre de cycles de marche/arrêt des brûleurs est élevé.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Vases d’expansion

Calculs

Pour en savoir plus sur le dimensionnement d’un vase d’expansion.

Rôle du vase d’expansion

Le vase d’expansion sert dans un premier temps à compenser les variations de volume que subit la masse d’eau de l’installation suite aux fluctuations de température.

Exemple.

Une ancienne installation est équipée de radiateurs à panneaux et d’une chaudière en fonte de 400 kW. Sa contenance en eau est estimée à 4 000 [l].

Le volume d’expansion de l’eau en passant de 10°C (eau de ville) à 90°C est de 142 [l].

Le deuxième rôle du vase d’expansion est de maintenir la pression dans l’installation quand celle-ci est complètement refroidie. Dans ce cas, la pression du vase doit empêcher une dépression dans l’installation et ainsi la pénétration d’air source de corrosion.

Vase d’expansion fermé à pression variable

Un vase d’expansion fermé est constitué, dans une enveloppe fermée, d’un volume d’air et d’un volume d’eau séparés par une membrane.

Avant remplissage de l’installation par de l’eau, le vase d’expansion est « gonflé » à une certaine pression d’air (pression calculée lors du dimensionnement).

Lorsque l’on remplit l’installation d’eau, cette dernière envahit une partie du vase jusqu’à ce qu’une pression minimale dans l’installation (pression mesurée par le manomètre de l’installation et également calculée lors du dimensionnement). Le volume d’eau ainsi contenu dans le vase servira de volume de réserve à l’installation.

Lorsque l’installation est mise en route, l’eau chauffée se dilate et le volume d’eau dans le vase augmente, comprimant l’air. La pression dans l’installation augmente donc.

C’est pourquoi on parle de vase d’expansion « à pression variable ».

Vase d’expansion avec membrane et à vessie

Vase d’expansion à membrane ou à vessie.

Il existe des vases d’expansion à membrane ou à vessie. La deuxième solution est plus durable car elle présente moins de risque d’inétanchéité notamment car elle ne présente pas de joint avec la paroi du vase.

Vase d’expansion fermé à pression constante

Un vase d’expansion fermé à pression constante est également constitué.

Vase d’expansion à pression variable et à pression constante.

Vase d’expansion ouvert

Il existe encore dans certaines anciennes installations, des vases d’expansion « ouvert ».

Il s’agit de réservoirs disposés au point le plus haut de l’installation. Ils sont ouverts à l’air libre et constituent une réserve d’eau pour l’installation. Ce système a comme inconvénient une absorption permanente d’oxygène par l’eau de chauffage. Celle-ci est d’autant plus importante qu’une circulation importante est entretenue dans le vase.

À ce titre, il est évident que ce type de vase d’expansion doit être remplacé par un système fermé.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée à l’installation de chauffage

En période de chauffe, une installation de chauffage correcte doit dispenser sa chaleur en fonction des besoins réels. Par exemple, si des apports de chaleur gratuits se manifestent, la pleine puissance du chauffage n’est plus nécessaire. Il faut donc veiller à ce qu’elle soit réduite en conséquence.

Un excédent de puissance par rapport aux besoins conduit inévitablement à une surchauffe source d’inconfort mais aussi de surconsommation. Il est difficile de chiffrer cette dernière. Elle n’est en tous cas nullement négligeable. Pour s’en convaincre, on peut retenir l’ordre de grandeur suivant :

dans un local dont la température de consigne est de 20°C,

un degré de trop = 7 .. 8 % de surconsommation !

Il est donc important de combattre toute surchauffe et d’éliminer la régulation par ouverture des fenêtres courante dans les institutions tertiaires.

En période de chauffe, on peut rechercher les causes de surchauffe imputables directement ou indirectement à l’installation de chauffage au niveau :

Évaluer	La distribution.
Évaluer	Les corps de chauffe.
Évaluer	La régulation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Principes de régulation : P – PI – PID

La régulation par « tout ou rien » ou « On-Off »

Chaque fois qu’il y a « régulation », il y a adaptation de la fourniture de chaleur aux besoins réels du bâtiment. L’existence d’une sonde, d’un capteur d’ambiance permet d’avoir le feedback de la situation et de fournir l’intensité voulue. Il y a comparaison entre la consigne attendue et la valeur atteinte et de cet écart naît une action correctrice.

Prenons l’exemple d’une régulation de la température ambiante par un groupe frigorifique. Supposons une consigne placée à 24°C.

Si la température ambiante dépasse la valeur de consigne (24,05°C), le régulateur le détecte et ferme l’interrupteur.

Le compresseur est enclenché à 100 % et la température du local redescend.

Si une température de 23,95°C suffisait pour arrêter le groupe frigorifique, un risque de « pompage » apparaîtrait : le compresseur passerait de « marche » à « arrêt », puis à « marche », … avec une telle fréquence que le matériel en souffrirait. On prévoit dès lors le placement d’un différentiel, dont la valeur est réglable par le technicien.

Par exemple : le compresseur s’enclenche à 24°C et s’arrête à 23°C.

Ceci se repère sur le schéma de régulation par les flèches montante (enclenchement) et descendante (déclenchement).

Plus le différentiel est élevé plus la machine travaillera dans de bonnes conditions (longues plages de travail propices à un bon rendement du compresseur), mais plus la température oscillera dans le local … Ceci diminue le confort et généralement augmente la consommation (ici, la vraie température moyenne de consigne est de 23,5°).

Et ce phénomène est amplifié par l’inertie du local : le local a un temps de repos tel que le différentiel réel est peut être de 1,6°C (22,7 à 24,3°C, par exemple).

Ce différentiel dépend du type d’application. Ainsi, la régulation d’une résistance chauffante électrique peut se concevoir avec un différentiel beaucoup plus court : une résistance accepte sans dommage une alimentation très « hachée », avec un enclenchement à 20,9° et un déclenchement à 21,1°, par exemple, pour une consigne à 21°.

La régulation Proportionnelle (P)

Imaginons un meilleur système : une vanne 3 voies mélangeuse qui modulerait la température d’alimentation d’un radiateur pour que celui-ci reçoive la température d’eau juste nécessaire, telle que l’émission de chaleur du radiateur soit justement égale aux déperditions de la pièce. C’est dans ce cas que la température d’ambiance serait stable.

Soit une consigne fixée à 20°C. Supposons au départ une température ambiante inférieure à la consigne, il faut chauffer.

Supposons que la vanne soit toute ouverte pour 17°C (écart de 3° par rapport à la consigne). De l’eau très chaude arrive, la température ambiante monte et arrive à 18,5°. L’écart est alors de 1,5°C et la vanne n’est plus ouverte qu’à 50 %.

Hélas, arrivée à 19°C, plus rien ne bouge : la température du local est stabilisée et l’ouverture de la vanne aussi : elle est ouverte au tiers de sa valeur maximale.

Pourquoi ?

Avec une ouverture au tiers, elle fournit de l’eau à une température telle que l’émission du radiateur compense exactement les pertes du local. La température reste à 19°C, l’écart reste de 1°C par rapport à la consigne, et cet écart entraîne 33 % d’ouverture ! Tout est stable et le restera.

Il est d’ailleurs impossible que l’on atteigne les 20°C souhaités ! Si c’était le cas, l’écart serait nul, la vanne serait fermée, le local se refroidirait puisque les déperditions continuent, . donc l’écart ne resterait pas nul !

C’est le problème d’une régulation proportionnelle à l’écart par rapport à la consigne : puisqu’il faut du chauffage, il faut que la vanne soit ouverte, il faut donc qu’un écart subsiste. La température se stabilisera sur 19°C, au lieu des 20°C demandés.

Ne pourrait-on « tricher » sur la consigne ?

Pourquoi ne pas indiquer 19° sur le régulateur au lieu de 20°C ? Hélas non : imaginons qu’il fasse – 10°C à l’extérieur, le chauffage aura besoin de toute la puissance de chauffe, la vanne devra être ouverte à 100 %. la température ambiante va donc se stabiliser sur 17°C . Il faudrait donc adapter l’indication du régulateur en fonction de la température extérieure, ce qui est impossible.

On comprend pourquoi les constructeurs de vannes thermostatiques n’indiquent pas la température de consigne mais bien des chiffres 1-2-3-4-5 : le fonctionnement d’une vanne thermostatique répond à une régulation proportionnelle.

S’il fait froid, si la température de consigne n’est pas atteinte, la poche de gel de la vanne va se contracter et de l’eau alimentera le radiateur. Puisque le local perd de la chaleur, la vanne devra rester ouverte en permanence.

De combien devra-t-elle être ouverte ? Le constructeur ne pourrait le dire puisqu’elle dépend de l’importance des déperditions et donc de la température extérieure. Il a seulement pu intelligemment améliorer quelque peu la régulation proportionnelle en plaçant la consigne au milieu de la page d’ouverture : la valeur de la consigne est réglée pour une ouverture est de 50 %. L’écart à la consigne est ainsi diminué en moyenne.

Nouvelle idée : ne pourrait-on pas diminuer la plage de température qui génère l’ouverture de la vanne ?

En reprenant la situation de la page précédente, si la vanne était 100 % ouverte en dessous de 19°C, elle se stabiliserait à 33 % de sa valeur pour une température ambiante de 19, 66°C. C’est effectivement une possibilité : on dit que l’on réduit la bande proportionnelle de 3 à 1°C.

Mais cette solution a ses limites : avec une bande proportionnelle trop courte, le système va se mettre à osciller, passant de trop ouvert à trop fermé, parfois sans pouvoir se stabiliser. On dit que le système « pompe », incapable de se stabiliser.

Calculs

Pour vous convaincre de tout ceci, utilisez le petit logiciel établi sur Excel et testez diverses valeurs pour vous familiariser avec cette régulation proportionnelle présente dans tout le monde de la technique.

Même une chasse de WC est un régulateur proportionnel : le débit d’eau est admis lorsque le flotteur descend, lorsqu’un écart existe par rapport à la consigne de niveau d’eau.

Chance : sauf une fuite permanente, les pertes du système sont nulles la plupart du temps car le flotteur se stabilise sur le niveau demandé !

La régulation Proportionnelle – Intégrale (PI)

En agissant avec une force proportionnelle à l’écart entre l’ambiance et la consigne, un écart subsiste en permanence. On décide dès lors que la force d’intervention aura deux composantes. La première, c’est la force proportionnelle à l’écart, comme dans la première solution ci-dessus. Mais une deuxième force la complète : une force proportionnelle à l’intégration de l’écart dans le temps, c’est-à-dire proportionnelle à la somme de tous les écarts mesurés en permanence.

Si la température se stabilise à 19°C, de par la composante proportionnelle, un écart de 1°C subsiste. Tous les « pas de temps », le régulateur va mesurer cet écart et l’additionner à la valeur d’une case « mémoire ». L’ouverture de la vanne sera donnée par la somme des 2 composantes. Tant que la consigne ne sera pas atteinte, la composante Intégrale augmentera, la vanne s’ouvrira un peu plus, jusqu’à atteindre cette fois la consigne.

Une fois celle-ci atteinte, l’écart est nul et la composante intégrale n’est plus modifiée (puisqu’elle additionne une valeur « 0 »).Si la consigne est dépassée, l’écart sera négatif et la composante intégrale diminuera.

Dans le fond, cette composante intégrale ne pourrait-elle travailler seule ? Non, elle est trop lente pour réagir efficacement à des variations de la demande thermique. Il faudrait diminuer son pas de temps (diminuer le « temps d’intégration ») mais alors à nouveau le système devient instable.

C’est bien le mariage des 2 actions (P et I) qui est le plus adéquat pour répondre à la demande : la composante P fait le gros du travail, puis la composante I affine dans le temps. C’est le mode de régulation souvent rencontré dans les systèmes thermiques à eau.

À nouveau le logiciel peut vous permettre de tester la régulation I et PI avec diverses valeurs des paramètres de réglage.

La régulation Proportionnelle – Intégrale – Dérivée (PID)

Dans les installations de conditionnement d’air, le fluide à réguler peut être de l’air. Or, n’ayant que peu de capacité thermique, l’air verra sa température varier très rapidement en fonction de la position de la vanne de réglage. Il faut donc ajouter une 3ème composante à la grandeur de réglage : une force dont la valeur est d’autant plus grande que l’écart varie rapidement, c’est-à-dire d’autant plus grande que la « dérivée » de l’écart par rapport au temps est élevée.

La valeur de la « grandeur réglée », la température de l’eau de radiateur (ou ici l’ouverture de la vanne) sera le résultat d’une addition de 3 grandeurs : une composante proportionnelle à l’écart existant (P), une composante proportionnelle à l’intégrale de l’écart dans le temps (I) et une composante proportionnelle à la dérivée de l’écart (D).

Reste à affiner les bandes proportionnelles, temps d’intégration et temps de dérivation pour adapter l’importance respective de ces 3 composantes . C’est le travail du « metteur au point » de l’installation de régulation qui affine les valeurs de base réglées d’usine.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chauffage électrique direct

Modèle chauffe-serviette, esthétique mais dont la puissance est limitée puisque la surface d’émission et la température le sont…

Les convecteurs et ventilo-convecteurs

Les convecteurs sont des appareils de chauffage direct dont l’émission de chaleur se fait essentiellement par air chaud, soit par convection naturelle, soit par convection forcée par ventilateur (on parle alors de ventilo-convecteur).

Convecteurs

Un convecteur se présente sous forme d’un boîtier métallique comportant des ouvertures d’entrée et de sortie d’air placées respectivement en bas et en haut de l’appareil.

L’air en contact avec l’élément chauffant placé en bas de l’appareil s’échauffe, se dilate et monte sous l’action d’un phénomène de tirage (effet de cheminée). Cet air chaud pénètre ensuite dans le local via les sorties d’air en haut de l’appareil.

L’élément chauffant dont la puissance est généralement comprise entre 400 W et 3 000 W peut se présenter soit comme résistance nue (sous forme d’épingles ou d’un spirale), soit comme résistance blindée, souvent pourvue d’ailettes.

Généralement les convecteurs sont équipés d’un thermostat incorporé de type électromécanique ou de type électronique pour les appareils haut de gamme.

Les convecteurs de sol, par contre, utilisent des thermostats muraux. Les « convecteurs de sol » (500 W à 1 500 W) s’incorporent dans la chape du local à chauffer et s’installent souvent au droit des portes-fenêtres ou dans des locaux où l’installation d’appareils muraux est impossible par manque de place.

Ventilo-convecteurs

Dans les ventilo-convecteurs, le flux d’air chaud (vertical ou horizontal) est généré par un ventilateur axial ou centrifuge.

Par le débit d’air relativement important, la taille des appareils est réduite et on obtient rapidement une température homogène dans le local (par exemple une salle de bains).

Ils sont souvent équipés d’un commutateur de puissance, d’un thermostat incorporé et parfois d’une horloge de programmation ou d’une minuterie.

La puissance des appareils domestiques muraux ou portables varie généralement de 1 à 3 kW pour le domestique.

Aérotherme industriel électrique.

Les aérothermes utilisés en tertiaire ou en industrie sont des ventilo-convecteurs de grande puissance (3 à 50 kW) qui fonctionnent suivent le même principe.

Les appareils à rayonnement

Les appareils à rayonnement émettent au moins 50 % de leur puissance de chauffe sous forme de rayonnement. Une classification des appareils à rayonnement peut être faite en fonction de la température de l’élément chauffant.

Panneaux radiants

Il s’agit d’appareils dont la face avant fait fonction de surface rayonnante. Cette surface est soit accessible (max. 110°C), soit située derrière une grille de protection (dans ce cas, la surface rayonnante est portée à plus ou moins 200°C).

La résistance chauffante peut se présenter sous différentes formes :

résistance placée à l’arrière de la surface rayonnante,
circuit résistif métallique sur film isolant placé à l’arrière de la surface rayonnante,
circuit résistif métallique apposé directement sur tôle émaillée double face.

Les panneaux radiants muraux (jusqu’à 3 000 W) sont souvent équipés d’un thermostat incorporé et d’un commutateur de puissance.

Les panneaux radiants de type plafonnier peuvent être suspendus ou même incorporés dans des faux plafonds (tout comme des armatures d’éclairage) et sont commandés par thermostat mural.

Radiateurs infrarouges

Ces appareils sont composés d’un élément chauffant apparent (résistance portée à 500 …1 000°C, placée dans un tube en quartz ou en acier) et d’un réflecteur en métal poli qui sert à diriger le rayonnement infrarouge vers la zone à chauffer.

Ils sont utilisés pour le chauffage intermittent de petits locaux tels que les salles de bains (1 000 à 2 000 W) ou le chauffage de grands espaces (3 000 à 6 000 W) tels que entrepôts, ateliers ou églises.

Les surfaces radiantes

Il s’agit de systèmes travaillant à des températures de rayonnement très basses (25 à 40°C). Puisque la densité de chaleur émise se situe entre 50 et 200 W/m², des superficies importantes sont nécessaires.

Chauffage direct par le sol

Domaine d’application : comme chauffage principal de maisons ou chauffage de base pour des pièces telles que salles de bains, etc.

Le chauffage direct par le sol se différencie du chauffage à accumulation par le sol uniquement par une couche de béton plus fine et une répartition plus rapide de la chaleur produite.

La puissance installée par unité de surface lors d’un chauffage sol direct, est limitée à environ 130 W/m². Ainsi, la température de surface du sol ne dépasse jamais 29°C.

La température au niveau des câbles chauffants est consignée par un régulateur de température mécanique ou électronique. Ce dispositif peut être complété par un thermostat d’ambiance. La température limite de la dalle mesurée à hauteur des câbles chauffants doit, selon les besoins et l’installation, être réglée entre 40 et 50°C.

La sonde du régulateur de température est posée dans un tube de protection en cuivre ou métal traité, et doit se trouver au même niveau que les nappes chauffantes à distance égale entre les conducteurs chauffants.

L’enclenchement se fait en fonction de la composition du sol, environ 30 minutes avant l’occupation de la pièce. Le déclenchement se fait environ 30 minutes avant de quitter le local (de manière à tenir compte de la lenteur du système).

Plafond chauffant

Le système se compose d’un élément chauffant, essentiellement sous forme de film souple, placé entre un isolant thermique (destiné à éviter les pertes de chaleur vers le haut) et un parement (de préférence pas trop isolant).

Recouvrement du plafond.
Elément chauffant.
Elément constitutif du plafond.
Isolation thermique.
Voliges.

Les films chauffants peuvent se classer selon deux technologies :

Les films métallisés constitués d’un ruban métallique résistif disposé entre deux pellicules assurant l’isolation électrique.
Les films graphités constitués d’une couche ou d’un tissu imprégné de carbone et placés entre deux pellicules assurant l’isolation électrique. Des électrodes en cuivre sont fixées de part et d’autre de la zone conductrice. Ces films sont disponibles en rouleaux de différentes largeurs et densités de puissance.

La puissance maximale se situe généralement à 100 W/m² pour une température maximale de surface de 30 à 35°C.

La régulation de température se fait de préférence à l’aide d’un thermostat mural mesurant la température résultante du local.

Autres systèmes

D’application plutôt marginale on peut citer le chauffage par les murs et parois, dans lesquels on incorpore des résistances ou des films chauffants. Le système utilise notamment des tôles émaillées (comme pour les panneaux radiants à faible puissance) dont la face avant forme le revêtement décoratif de la paroi.

Des vitres chauffantes sont parfois utilisées en cas de grandes surfaces vitrées : vérandas, terrasses de restaurants,… mais aussi pour servir de parois pour un stand d’accueil dans un hall. Il s’agit d’un double vitrage avec deux films métallisés côté intérieur (lame d’air) des vitres.
Le film métallique de la vitre intérieure (côté local à chauffer) sert d’élément chauffant (maximum 250 W/m², température de surface intérieure de 40°C); l’autre film sert de couche réfléchissante et renvoie le rayonnement de chaleur vers le local à chauffer.

Source : d’après Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique – Communauté de l’Electricité – CEG.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique des corps de chauffe

Évaluer l'efficacité énergétique des corps de chauffe

Pertes directes vers l’extérieur

Lorsqu’un émetteur est disposé le long d’une paroi extérieure (radiateur ou convecteur placé en allège, plancher chauffant au dessus d’un local non chauffé ou du sol), les pertes de chaleur augmentent au travers de cette paroi.

Pour un radiateur

La température au dos d’un radiateur est nettement plus élevée que le long des autres parois. Si ce radiateur est disposé le long d’une paroi extérieure, cela augmente donc les pertes de chaleur.

Exemple.

On pourrait montrer que la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur a doublé localement par la présence du radiateur.

Sans radiateur, une allège composée d’un mur plein de 24 cm (ancienne construction) perd sur la saison de chauffe :

2,6 [W/m²K] x 1 [m²] x (15 [°C] – 6 [°C]) x 5 800 [h/an] / 0,7 = 193,8 [kWh/an]

où :

2,6 [W/m²K] = le coefficient de transmission thermique (U ou k) du mur de brique non isolé
15 [°C] = température moyenne intérieure durant la saison de chauffe
6 [°C] = température moyenne extérieure durant la saison de chauffe (région de Mons)
5 800 [h/an] = durée de la saison de chauffe (du 15 mai au 15 septembre)
0,7 = le rendement global de l’installation de chauffage existante

Avec la présence du radiateur, chaque m² d’allège au dos de celui-ci perdra le double d’énergie, soit :

387,6 [kWh/an] ou 39 [litres fuel ou m³ gaz / an]

Radiateur en alcôve.

Les pertes au dos des radiateurs sont renforcées si :

le radiateur est logé en alcôve et muni d’une grille de protection,
le radiateur est placé devant un vitrage (simple qui plus est).

Radiateur devant une allège vitrée.

Des études menées par le GREC (Groupe de recherche sur les émetteurs de Chaleur) en France ont montré que les pertes au dos des radiateurs placés sur une paroi extérieure varient en fonction du degré d’isolation de celle-ci, de 1,2 à 10 % de la chaleur émise.

Le même radiateur devant une allège en bois, après remplacement des châssis.

Pour un convecteur

Dans le cas d’un convecteur, les pertes en allège sont généralement moindres, du fait de l’absence de rayonnement vers la paroi (l’émission de chaleur se fait à 92 .. 96 % par convection).

Le GREC site des pourcentages de perte allant de 1 à 3 % de la chaleur émise.

Pour un plancher chauffant

Un chauffage par le sol émet sa chaleur tant par sa surface supérieure que sa surface inférieure.

Cette dernière doit donc être la plus isolée possible pour limiter les pertes vers le sol, vers les vides ventilés ou les caves.

On peut estimer que la perte de chaleur vers une cave, d’un chauffage par le sol est de l’ordre de .. 15 % .. avec une épaisseur d’isolant de 5 cm, de .. 9 % .. avec une épaisseur d’isolant de 10 cm.

Calculs	Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au-dessus d’une cave, en fonction du degré d’isolation.
Améliorer	Isoler les allèges derrière les radiateurs.

Pertes par stratification

Lorsque tout ou une partie de la chaleur est transmise par convection, c’est-à-dire par de l’air chaud, apparaît une stratification des température source de pertes.

En effet, l’air chaud montant, il stagnera en partie haute du local et pour obtenir une température de confort voulue dans la zone d’occupation, la température moyenne de l’air de l’ensemble du local sera plus élevé

Exemple.

Les radiateurs émettent 70 % de leur chaleur par convection, les convecteurs, 92 .. 96 % et les planchers chauffants, 20 .. 30 %.

On observe un gradient vertical de :

pour les radiateurs : 0°C/m (bâtiments très bien isolés) à 0,8°C/m (bâtiments anciens),
pour les convecteurs : 0,5°C/m (bâtiments très bien isolés) à 1,2°C/m (bâtiments anciens),
pour les planchers chauffants : 0°C/m (pour tout type de bâtiment).

Ce gradient n’a guère d’influence sur la consommation des locaux de taille courante (hauteur sous plafond de 2,5 .. 3 m). Il n’en va pas de même pour les locaux de plus grande hauteur.

Exemple de stratification des températures avec un chauffage par radiateur et un chauffage par convecteur (source : « Les émetteurs de chaleur » du Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur de l’ADEME).

Dans ce cas, la stratification augmente la température moyenne de la pièce pour un même confort au niveau des occupants et augmente fortement la température sous le plafond et donc les pertes si celui-ci est en contact avec l’extérieur.

Améliorer

Diminuer la température de l’eau.

Pertes par augmentation de la température ambiante

Le confort thermique des occupants dépend non seulement de la température de l’air ambiant mais aussi de la température de surface des parois qui les entourent (le corps humain perd en partie sa chaleur par rayonnement vers les parois).

On peut estimer que la température réelle de confort est la moyenne entre la température des parois et la température de l’air.

Plus les parois ont une température de surface élevée, moins la température de l’air devra être élevée pour un même confort. Cela est favorable à la diminution des consommations.

En ce sens, les radiateurs et surtout les planchers chauffants sont énergétiquement avantageux, car présentant des surfaces chaudes importantes, ils permettent une température de consigne intérieure moindre, surtout dans des bâtiments mal isolés.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulateurs climatiques et réglage des courbes de chauffe

Beaucoup d’installations de chauffage sont régulées en fonction d’une ou de plusieurs sondes extérieures. Ce type de régulation établit une correspondance entre la température de l’eau de l’installation et la température extérieure. Cette correspondance est appelée courbe de chauffe.

Par exemple, quand la température extérieure est de 3°C, la température de l’eau de chauffage est réglée à 70°C.

Une courbe de chauffe, dépend du type de bâtiment, de l’installation et du confort recherché.

Théoriquement, elle ne doit varier que si un de ces 3 paramètres est modifié. Par exemple, si une isolation complémentaire est apportée au bâtiment. Peu de gestionnaires savent comment on effectue le réglage de la courbe de chauffe. Voici donc comment optimaliser le réglage en fonction des différentes situations que l’on peut rencontrer : nouvelle installation, rénovation des bâtiments, plaintes des occupants, …

Elle doit ainsi permettre de tirer un profit maximum de la régulation que ce soit du point de vue de la consommation d’énergie ou du point de vue du confort.

Pourquoi une courbe de chauffe ?

Des installations de chauffage surpuissantes

Dans la pratique, toutes les installations de chauffage sont, durant la majeure partie de la saison de chauffe, surpuissantes par rapport aux besoins réels.

Exemple.

La puissance des installations de chauffage est proportionnelle à la différence de température maximale entre l’intérieur et extérieur. Pour la région de Namur, la puissance calculée est proportionnelle à 20° – (- 9°) = 29°.

Or la température extérieure moyenne durant la saison de chauffe est de 5°C.

Donc, en moyenne, la puissance nécessaire est proportionnelle à 20° – 5° = 15°. Il en résulte un facteur moyen de surdimensionnement de 29° / 15° = 2

Et c’est sans compter sur les majorations pour sécurité et imprécisions de calcul.

Comment adapter la puissance des corps de chauffe aux besoins réels ?

La puissance calorifique émise par un corps de chauffe donné dépend de la température de l’eau l’alimentant, de son débit d’irrigation et de la température ambiante.

Adapter le débit en fonction des besoins : une solution limitée !

La première adaptation que l’on pourrait imaginer est la réduction du débit d’eau en fonction des besoins. C’est le rôle qui est généralement dévolu aux vannes thermostatiques. Cette solution est rarement satisfaisante.

En effet, la puissance d’un radiateur varie peu en fonction de son débit.

Puissance émise par un radiateur en fonction de son débit d’eau. Par exemple si on veut diminuer de 50 % la puissance (T. ext = + 5°C au lieu de – 10°C), le débit dans le radiateur doit être abaissé à ± 20 % de son débit nominal.

La course utile des vannes thermostatiques étant extrêmement petite (environ 0,5 mm), exiger d’importantes réductions de débit (plus de 80 %) les oblige à fonctionner dans des conditions extrêmes (moins de 0,1 mm d’ouverture). Cela leur est impossible.

Par ailleurs, on remarque que pour les faibles débits, une petite variation de position de la vanne provoque une importante variation de puissance du radiateur. La température ambiante fluctuera en conséquence. Dans ces conditions, la vanne thermostatique s’ouvrira et se fermera perpétuellement, essayant de corriger ses erreurs. Jamais elle ne trouvera son point d’équilibre.

Les vannes thermostatiques ne peuvent donc être utilisées que comme organe de réglage final et non comme réglage principal.

La solution : régler la température de l’eau

Dans nos régions, la puissance des corps de chauffe est généralement dimensionnée pour un régime d’eau de 90/70, c’est-à-dire une température d’entrée de l’eau dans les radiateurs de 90° et une température de sortie de 70°.

Puissance émise par un radiateur en fonction de son débit et de la température de l’eau.

On remarque que la puissance peut être réduite de moitié si on abaisse la température de l’eau à 60°C (on a alors Teau – Tamb = 40°C), tout en maintenant le débit nominal (100 %).

La courbe de chauffe : besoins variables, température variable

La courbe de chauffe, via un régulateur dit « climatique », établit une correspondance entre les besoins en chaleur du bâtiment et la température de l’eau qui alimente les corps de chauffe.

Le plus souvent, la grandeur qui sera prise comme représentative des besoins sera la température extérieure, éventuellement compensée en fonction de l’ensoleillement et/ou de la vitesse du vent si l’orientation du bâtiment l’exige.

Lorsque la température extérieure est de 5°, la température de l’eau alimentant les radiateurs est de 50°C si ceux-ci ont été sélectionnés pour 80°C par – 10°C de température extérieure de base.

Représentation de la courbe de chauffe sur les régulateurs

La plupart des régulateurs définissent la courbe de chauffe grâce à trois grandeurs dont deux sont réglables :

la pente,
le point pivot de base,
le déplacement parallèle.

Les paramètres d’une courbe de chauffe.

La pente

La pente de la courbe est représentée sur la plupart des régulateurs, par un nombre décimal (souvent de 0 à 4,5).

Exemple.

Une pente = 2,3 signifie que pour une variation de 1°C de la température extérieure, la température de l’eau varie de 1°C x 2,3 = 2,3°C.

Certains régulateurs multiplient la valeur de la pente par 10 (réglage de 0 à 45).

Dans la pratique, le mode de réglage varie suivant le type de régulateur.

On peut rencontrer :

une visualisation immédiate de la courbe de chauffe,
un potentiomètre,
un boîtier de dialogue.

Régulateur analogique avec visualisation directe de la courbe de chauffe.

Potentiomètre de réglage de la pente.

Boîtier de dialogue pour régler la courbe de chauffe sur un régulateur électronique.

Le point pivot de base

Le point pivot est le point fixe autour duquel tourne la courbe de chauffe lorsque l’on fait varier la pente. Un point pivot de base est généralement prédéfini sur les régulateurs ((20°, 20°), (35°, 15°),…). La valeur de celui-ci est reprise dans la notice technique de l’appareil.

Le déplacement parallèle

Le point pivot prédéfini dans le régulateur ne correspond pas forcément aux besoins réels du bâtiment.

Il est possible de choisir un nouveau point pivot grâce à une translation verticale par rapport au point pivot de base. Celle-ci induira un déplacement parallèle de la courbe de chauffe par rapport à la courbe de base.

Dans la pratique, le déplacement parallèle de la courbe de chauffe peut s’effectuer grâce à :

un potentiomètre gradué en température d’eau. Chaque graduation correspond à un certain nombre de degrés de déplacement parallèle en plus ou en moins,

Potentiomètre gradué en température d’eau.

un potentiomètre gradué de 0 à 10. Dans ce cas, la documentation technique de l’appareil donne la correspondance entre les graduations et l’amplitude de déplacement,

Exemple.

1 graduation = 5°C de déplacement (ou 5°C de température d’eau en plus ou en moins).

une visualisation de la courbe de chauffe cela permet un choix immédiat,
un boîtier de dialogue.

Calculs

Tracer la courbe de chauffe programmée sur le régulateur.

Fonctions complémentaires des régulateurs climatiques

Le ralenti nocturne

Lorsque le bâtiment est occupé de façon intermittente, un ralenti nocturne des installations de chauffage s’impose. Dans une régulation à température d’eau variable, cela se traduit souvent par un changement de courbe de chauffe programmé pour les périodes d’inoccupation, bien que cela ne soit pas la manière la plus performante de pratiquer l’intermittence.

Les régulateurs proposent généralement un déplacement parallèle de la courbe de chauffe pour la nuit via :

un potentiomètre gradué en température d’eau,
un potentiomètre gradué en température ambiante,
un potentiomètre gradué de 0 à 10,
un boîtier de dialogue.

Potentiomètres gradués en température ambiante ou en température d’eau.

Pour des corps de chauffe dimensionnés en 90/70, on considère généralement qu’une variation de 4 – 5°C de température d’eau entraîne une variation de température ambiante de 1°C.

En fonction du type de régulateur, le déplacement parallèle de nuit proposé correspond :

soit à une translation par rapport à la courbe réelle de jour que l’on a définie;
soit à une translation par rapport à la courbe de base du régulateur qui correspond au point pivot préréglé du régulateur.

Abaissement de la température de l’eau par rapport à la courbe de base ou par rapport à la courbe réelle de jour.

Il est donc important de vérifier dans la documentation de l’appareil de régulation le mode de ralenti que celui-ci applique.

Limites de température basse et haute

Certains régulateurs proposent une limite basse et une limite haute de température de l’eau.

La limite basse permet par exemple de :

limiter les retours à trop basse température vers la chaudière si celle-ci ne les supporte pas,
garantir une température de fonctionnement suffisamment élevée pour les convecteurs (voisine de 50°C).

La limite haute de température est notamment utile lors de l’utilisation de planchers chauffants.

Courbe de chauffe avec limite basse de température à 50°C.

La compensation

Sur beaucoup de régulateurs, le réglage de la température de l’eau en fonction de la température extérieure peut être corrigé de façon automatique par exemple, en fonction d’une mesure de température intérieure, en fonction d’une sonde d’ensoleillement, …

La solution la plus courante est le placement d’un thermostat d’ambiance dans un local témoin. En fonction de l’écart entre la température réelle la consigne, le régulateur va corriger le réglage de sa courbe de chauffe.

Cette possibilité ne signifie cependant nullement que la courbe de chauffe ne doit pas être réglée au préalable. En effet, l’ampleur de la correction possible est limitée pour éviter l’influence du comportement des occupants du local témoin sur la courbe de chauffe (ouverture des fenêtres, « occultation » de la sonde, …).

Le réglage de la courbe de chauffe dans la pratique

Quatre situations peuvent se présenter à l’utilisateur :

Premier réglage de la courbe de chauffe (par exemple à l’installation).
Ajustement de la courbe de chauffe en mi-saison.
Ajustement de la courbe de chauffe en plein hiver.
Ajustement de la courbe suite à l’amélioration de l’enveloppe du bâtiment.

Dans chacun des cas, il s’agira de définir la pente de la courbe et le déplacement parallèle de celle-ci pour satisfaire aux besoins.

Notons ici, que beaucoup de régulateurs peuvent être « compensés » par une mesure de température ambiante. Dans ce cas, la température d’eau établie par la courbe de chauffe est affinée en fonction d’un thermostat d’ambiance situé dans un local témoin.

Cela ne dispense cependant pas de choisir une courbe de chauffe relativement correcte au départ, car l’ampleur des ajustements reste réduite.

Précautions préalables

Pour apprécier le réel impact d’une modification des paramètres de la courbe de chauffe lorsque l’installation est équipée de vannes thermostatiques, il est important de maintenir celles-ci en position ouverte durant la durée du réglage.
Toute modification des paramètres de la régulation doit être consignée par écrit :

réglages existants,
date de la modification,
nouveaux réglages,
réactions des occupants.

Définitions

Température extérieure de base

La température extérieure de base est la température extérieure minimum qui est prise en considération pour le dimensionnement des installations de chauffage. Celle-ci est définie dans la norme NBN B62-003.

Température maximale de l’eau

En théorie la température maximale de l’eau est la température de l’eau pour laquelle on a dimensionné toute l’installation de chauffage et qui doit garantir le confort en plein hiver. Souvent on dimensionne l’installation pour un régime d’eau 90/70. La température maximale de l’eau est alors de 90°C.

Cependant, dans la pratique, les corps de chauffe sont presque toujours surdimensionnés. Si les radiateurs ne sont pas équipés de vannes thermostatiques, une température d’eau de 90° conduit alors inévitablement à des surchauffes, même en plein hiver.

Suite aux plaintes des occupants, le responsable des installations aura sûrement déjà diminué la température de l’eau au niveau de la chaudière. En premier réglage, on choisira donc comme température maximum de l’eau la température à laquelle le responsable règle par expérience la température des chaudières lors des moments les plus froids de l’hiver, pour éviter les plaintes.

Température extérieure de non-chauffage

La température extérieure de non-chauffage est la température extérieure au-delà de laquelle il n’est plus nécessaire de chauffer.

Intuitivement, on pourrait imaginer que cette température est de 20°C. En fait, l’arrêt des installations de chauffage intervient pour des températures extérieures inférieures à 20°C. Dans nos régions, on considérera souvent une température moyenne extérieure de 15°C comme une température raisonnable de non-chauffage. Le complément de chaleur alors nécessaire au confort est fourni par les apports internes (occupants, éclairage, …) et les apports externes (soleil).

Température minimale de l’eau

Lorsque la température extérieure a atteint la limite définissant l’arrêt des installations, la température de l’eau aura atteint un minimum. Ici aussi, on pourrait imaginer que ce point correspond pour une température intérieure de consigne de 20°C à une température extérieure de 20°C (besoins nuls) et à une température d’eau d’entrée et de sortie des corps de chauffe de 20°C (émission calorifique nulle).

Dans la pratique, la température de l’eau de chauffage ne peut descendre jusqu’à 20°C. Il est généralement convenu qu’une température minimum de 35°C est nécessaire pour compenser la sensation de fraîcheur due à l’important taux d’humidité ambiante régnant dans nos régions en mi-saison.

35°C de température d’eau pour 15°C de température extérieure est donc souvent recommandé comme point de non-chauffage.

Situation 1 – Premier réglage

La méthode décrite ci-après, s’applique au réglage de la courbe de chauffe à l’installation des appareils ou encore lorsque l’on veut supprimer complètement les anciens réglages qui paraissent erronés et repartir à zéro.

Premier réglage.

1. Définir les besoins

En hiver :

T° extérieure de base = ……… (a)
T° maximale de l’eau = ……… (b)

En saison chaude :

T° extérieure de non-chauffage = ……… (c)
T° minimale de l’eau = ……… (d)

Remarquons que certains régulateurs permettent un réglage immédiat de la courbe par définition des températures de plein hiver et de non-chauffage (visualisation directe de la courbe de chauffe, boîtier de dialogue).

2. Calcul de la pente

Pente = [(b) – (d)] / [(c) – (a)] = ……… (e)

3. Connaître le point pivot de base du régulateur (défini dans la notice technique)

T° extérieure de non-chauffage = ……… (f)
T° minimum de l’eau = ……… (g)

4. Calculer le déplacement parallèle

Température de l’eau pour une pente égale à (e), le point pivot de base du régulateur [(f), (g)] et une température de non-chauffage égale à (c) = (g) + [(f) – (c)] x (e) = ……… (h)

Déplacement parallèle = (d) – (h) = ……… (i)

Calculs	Exemple de premier réglage.
Calculs	Déterminer votre propre réglage.

Situation 2 – Ajustement en mi-saison

Lorsqu’un inconfort se fait ressentir (trop chaud ou trop froid) en mi-saison, il y a lieu de corriger le déplacement parallèle.

De même, si on veut optimaliser le rendement énergétique de l’installation de chauffage, on abaissera progressivement la courbe de chauffe jusqu’à ce que les premières plaintes des occupants apparaissent.

Dans cette situation, une correction de la pente s’impose pour ne pas perturber le fonctionnement d’hiver.

Les ajustements se feront pas par pas (une graduation à la fois), un jour ou deux devant s’écouler entre deux modifications successives pour donner au bâtiment le temps de s’adapter à la modification.

Ajustement en mi-saison.

1. Connaître les réglages actuels

Pente = ……… (a)
Déplacement parallèle (en degrés) = ……… (b)

2. Définir le nouveau déplacement parallèle

Le nouveau déplacement parallèle = l’ancien +/- une graduation (c)

3. Connaître le point pivot de base du régulateur (défini dans la notice technique)

T° extérieure de non-chauffage = ……… (d)
T° minimale de l’eau = ……… (e)

4. Connaître la température extérieure de base

T° extérieure de base = ……… (f)

5. Calculer la nouvelle pente

Pente = [(b) – (c)] / [(d) – (f)] + (a) = ……… (g)

Calculs	Exemple de réglage en mi-saison.
Calculs	Déterminer votre propre réglage.

Situation 3 – Ajustement en hiver

Lorsqu’un inconfort (trop chaud ou trop froid) se fait ressentir durant l’hiver, il y a lieu de corriger la pente de la courbe.

Ici aussi, par souci d’optimalisation du fonctionnement des installations, la courbe de chauffe sera abaissée jusqu’au minimum n’engendrant pas de plainte.

Les corrections doivent s’effectuer pas par pas (une graduation à la fois). Un jour ou deux doivent s’écouler entre deux actions successives.

Dans le cas d’une modification de la pente, deux méthodes peuvent être appliquées :

Si la modification de pente est légère (0,1 .. 0,6), les conditions de mi-saison ne seront que peu modifiées. On n’envisagera donc pas de changement de déplacement parallèle.
Par contre, si la modification de pente devient importante (plus de 0,6), un changement de déplacement parallèle s’impose pour ne pas engendrer un inconfort en mi-saison.

Démarche 1 (faible modification)

Nouvelle pente = ancienne pente +/- une graduation.

Démarche 2 (importante modification)

Ajustement en hiver.

Nouvelle pente = ancienne pente +/- une graduation.
La mi-saison venue, si des plaintes apparaissent, on appliquera la méthode de la 2ème situation.

Calculs	Exemple de réglage en hiver.
Calculs	Déterminer votre propre réglage.

Situation 4 – Isolation de l’enveloppe

Lorsqu’une rénovation énergétique du bâtiment a été réalisée (placement de double vitrage, isolation des combles, …) la puissance calorifique nécessaire au confort diminue. Il convient donc d’ajuster la courbe de chauffe.

Mise en garde : lorsque la rénovation ne touche pas l’ensemble des locaux alimentés par le circuit à réguler, une modification de la courbe de chauffe risque d’entraîner une insuffisance de chaleur dans les locaux non rénovés. Dans ce cas une des solutions serait de maintenir l’ancienne courbe de chauffe et d’équiper les locaux rénovés d’éléments de réglage locaux (vannes thermostatiques) ou lors d’une rénovation plus importante des installations de chauffage, de séparer hydrauliquement les locaux ayant des besoins différents et de munir chaque circuit d’une régulation propre.

Ajustement après modification de l’enveloppe.

1. Connaître les paramètres de l’actuelle courbe de chauffe

Pente actuelle = ……… (a)
Déplacement parallèle actuel = ……… (b)

2. Connaître le point pivot de base du régulateur (défini dans la notice technique)

T° extérieure de non-chauffage = ……… (c)
T° minimale de l’eau = ……… (d)

3. Déterminer la température moyenne de l’eau en plein hiver avant rénovation

T° extérieure de base = ……… (e)
T° de l’eau de départ en plein hiver = (b) + (d) + (a) x [(c) – (e)] = ……… (f)

Température moyenne de l’eau dans un corps de chauffe dimensionné en régime 90/70.

T° moyenne de l’eau = ……… (g)

4. Connaître le facteur d’émission des corps de chauffe

Définition :

Le facteur d’émission « f » compare l’émission réelle (E) d’un corps de chauffe à son émission normalisée. Celle-ci est calculée pour une différence entre la température moyenne de l’eau du corps de chauffe et la température intérieure de 60°C et est appelée émission normalisée (E60).

Ainsi f (= E / E60) vaut 1 lorsqu’en fonctionnement cette différence de température vaut 60°C

Exemple :

T° intérieure = 20°C
T° du corps de chauffe : T° aller = 90°C, T° retour = 70°C, T° moyenne = 80°C
Différence de T° = 80° – 20° = 60°, f = 1

T moy eau – T amb	0°C	1°C	2°C	3°C	4°C	5°C	6°C	7°C	8°C	9°C
20°C	0,24	0,26	0,27	0,28	0,30	0,32	0,34	0,35	0,37	0,39
30°C	0,41	0,42	0,44	0,46	0,48	0,50	0,51	0,53	0,55	0,57
40°C	0,59	0,61	0,63	0,65	,067	0,69	0,71	0,73	0,75	0,77
50°C	0,79	0,81	0,83	0,85	0,87	0,89	,91	0,94	0,96	0,98
60°C	1,00	1,02	1,04	1,07	1,09	1,11	1,13	1,15	1,18	1,20
70°C	1,22	1,24	1,27	1,29	1,31	1,34	1,36	1,38	1,41	1,43
80°C	1,45	1,48	1,50	1,52	1,55	1,57	1,60	1,62	1,65	1,67
90°C	1,69	1,72	1,74	1,77	1,79	1,82	1,84	1,87	1,89	1,92

Tableau 1 : Facteur d’émission des corps de chauffe courants en fonction de la différence (T° moyenne de l’eau – T° ambiante).

Exemple : si Tmoyenne = 73°C, Tambiante = 20°C, Tmoyenne – Tambiante = 53°C (= 50°C + 3°C), f = 0,85

Différence de température corps de chauffe – ambiance intérieure = (g) – 20° = ……… (h)
Facteur d’émission du corps de chauffe avant rénovation = ……… (i)

5. Déterminer le pourcentage de réduction des déperditions d’un local suite aux rénovations

Réduction des déperditions = ……… (j)

Exemple.

Bureau	Rénovation	Réduction des déperditions
classique	double vitrage	30 à 40 %
sous toiture	isolation	55 à 65 %
sous combles	isolation	30 à 40 %

Ces valeurs peuvent être déterminées plus exactement grâce à la norme NBN B 62-003 (calcul des déperditions). On peut également ajuster la courbe de chauffe par tâtonnements comme dans les situations 2 et 3.

6. Déterminer la température moyenne de l’eau dans le corps de chauffe

Nouveau facteur d’émission = (i) x [1 – (j)] = ……… (k)
Différence de température ambiance – corps de chauffe = ……… (l) (suivant le tableau 1, à partir du facteur d’émission)

7. Déterminer la température de départ de l’eau pour la température de base

T° moyenne de l’eau du corps de chauffe = (l) + 20° = ……… (m)
Température de départ de l’eau en plein hiver = ……… (n)

Température moyenne de l’eau dans un corps de chauffe dimensionné en régime 90/70.

8. Ajuster la courbe de chauffe

À partir de (n), on appliquera la démarche décrite dans la 1ère situation.

Calculs	Exemple de réglage après rénovation de l’enveloppe.
Calculs	Déterminer votre propre réglage.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée aux corps de chauffe

Corps de chauffe très peu inertes

Les ventilo-convecteurs très peu inertes chauffent l’ambiance uniquement par convection.

Chaque demande de chauffage (généralement commandée par un thermostat d’ambiance) entraîne une montée en température très rapide de l’air ambiant. Inversement, la chute de la température sera rapide dès la commande d’arrêt du thermostat.

Cette situation conduit à des fluctuations de température (alternance de périodes fort chaudes et fort froides) qui sont d’autant plus importantes que :

la puissance de l’émetteur est surdimensionnée par rapport aux besoins réels (puissance à vérifier donc),
le différentiel du thermostat (différence de température commandant l’enclenchement et le déclenchement de l’appareil) est grand.

Evolution dans le temps de la température intérieure en fonction du différentiel de température du thermostat et du degré de surdimensionnement des émetteurs.

Une première amélioration peut ainsi consister en la diminution de la vitesse du ventilateur, ce qui aura pour effet de diminuer la puissance émise.

Corps de chauffe très inertes

Les émetteurs très inertes, c’est-à-dire comportant une masse chaude très importante (dalle pour le chauffage par le sol, grand volume d’eau et fonte pour certains radiateurs) ne peuvent diminuer suffisamment rapidement leur puissance d’émission lorsque des apports gratuits importants apparaissent (ensoleillement, occupants).

Exemple : le chauffage par le sol.

La chaleur y est véhiculée par de l’eau à une température de 40 à 50°C. Par la circulation de cette eau, c’est l’entièreté de la masse du sol (dalle de béton, carrelage) qui est portée à température et qui rayonne sa chaleur vers l’ambiance, avec une température moyenne de surface de l’ordre de 24° C.

Lorsque le soleil apparaît dans le local, il est impossible de refroidir immédiatement cette masse. La température dans le local va donc augmenter. Heureusement, l’émission de chaleur se réduit lorsque la température de l’air ambiant se rapproche de la température de surface du sol. Cependant la masse du sol étant déjà chaude, sa capacité d’absorber une partie du rayonnement solaire incident est fortement amoindrie. L’impact direct du soleil sur la température ambiante en sera donc plus important.

C’est pourquoi, le chauffage par le sol est déconseillé dans des locaux soumis à des apports de chaleur gratuits importants.

Le surdimensionnement des corps de chauffe

Lorsque l’installation de chauffage est régulée de façon centrale (par exemple en fonction de la température extérieure ou en fonction d’un thermostat d’ambiance situé dans un local témoin), un confort identique sera atteint dans tous les locaux si les émetteurs possèdent un degré de surdimensionnement semblable par rapport aux besoins.

Exemple.

les radiateurs d’un bâtiment ont été dimensionnés suivant la méthode erronée des cubages. Lorsque le confort est atteint dans les locaux en bout d’aile ayant deux ou trois murs extérieurs, les locaux centraux ayant une paroi extérieure seront surchauffés.

De même, un changement de répartition des locaux, par déplacement des cloisons, peut entraîner une surpuissance de chauffage dans certains et un manque de puissance dans d’autres.

Évaluer

Cette problématique peut aussi être à la base d’un manque de chaleur dans les locaux comportant plus de parois extérieures.

Pour estimer le surdimensionnement ou le sous-dimensionnement d’un émetteur, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la distribution [chauffage central]

Isoler les tuyauteries et les vannes

La présence de conduites non isolées véhiculant de l’eau chaude au travers de locaux non chauffés (cave, chaufferie, vide ventilé, …) est inadmissible, sachant que le coût de l’isolation sera toujours remboursé en moins d’un an par les économies d’énergie.

Exemple.

Perte de 20 m de tuyauterie non isolée DN 50 (2″), à 80°C, dans une chaufferie à 20°C :

Puissance perdue = 130 [W/m] x 20 [m] = 2,6 [kW]

Énergie perdue (si la circulation fonctionne toute l’année = 2,6 [kW] x 8 760 [h/an] / 0,8 = 28 470 [kWh/an] ou 2 847 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Le coût de cette perte est de l’ordre de 53 [€/an] (à 0,375 [€/litre fuel]) par mètre de tuyau non isolé.

Ce surcoût est à comparer au coût de l’isolation des conduites : 8 .. 9 €/m. Cette isolation permettrait de réduire la perte de 80 .. 90 %.

Ceci conduit à un temps de retour de la pose d’isolant de quelques mois.

L’épaisseur d’isolant économiquement la plus intéressante dépend de la température du fluide véhiculé, du temps de fonctionnement de l’installation et du diamètre de la tuyauterie.

Calculs

Pour calculer les pertes de vos tuyauteries de chauffage et comparer l’intérêt énergétique et financier de différentes solutions d’isolation.

Isoler les vannes est également très rentable. Cette action est cependant rarement entreprise et suscite souvent la méfiance des responsables techniques. L’argument avancé est que la présence d’isolant masque provisoirement l’apparition de fuites et les dégâts encourus risqueraient alors d’être plus importants.

Ce raisonnement est cependant à relativiser :

Toute vanne ne présentant pas de faiblesse visible, doit être isolée au moyen de coquilles ou de matelas facilement démontable. Une surveillance régulière est alors aisément réalisée.

Il ne faut évidemment pas isoler une vanne qui présente déjà des défauts d’étanchéité, mais de toute façon ces vannes devraient d’office être remplacées car toute fuite et rajout d’eau est source de corrosion interne pour l’installation.

Isolation des vannes de chauffage dans un hôpital.

Concevoir

Isolation des réseaux de distribution.

Équilibrer la distribution

Un manque de débit dans certains locaux est souvent le résultat d’un déséquilibre de l’installation : certains circuits ou corps de chauffe présentant moins de pertes de charge (les plus proches de la chaufferie) court-circuitent une partie du débit destiné à d’autres zones.

Équilibrer une installation consiste alors à freiner l’eau dans les circuits favorisés, afin qu’elle ne privilégie aucun chemin : la difficulté de passage est alors la même dans chacune des boucles de distribution.

Les mauvaises solutions

Il est utopique, surconsommateur, voire dangereux de croire que l’on peut régler les problèmes d’équilibrage en agissant sur la régulation ou sur les circulateurs. Rien ne peut remplacer l’équilibrage correct de l’installation.

Actions sur la régulation

La première réaction des responsables de bâtiment face à un déséquilibre et un inconfort dans une zone du bâtiment est de modifier la régulation en augmentant les courbes de chauffe ou carrément en supprimant les ralentis nocturnes. Ces solutions sont évidemment à proscrire car extrêmement consommatrice :

Augmenter la température moyenne du bâtiment de 1°C, c’est 7 % de surconsommation !
Supprimer le ralenti nocturne, c’est de 10 à 30 % de surconsommation !

Augmenter le débit du circulateur commun

Augmenter le débit du circulateur commun se traduira par une augmentation du débit dans tous les circuits dans le même pourcentage. Autrement, les circuits défavorisés se rapprocheront de leur débit correct, mais les circuits favorisés passeront en surdébit, avec une surconsommation du circulateur et peut-être des problèmes acoustiques.

Augmenter le débit du circulateur du circuit défavorisé ou placer une pompe relais

C’est la solution la plus dangereuse qui risque de priver un circuit jusqu’alors sans problème.

Placer des vannes thermostatiques

Le placement de vannes thermostatiques peut constituer une solution partielle à un déséquilibrage de l’installation en limitant le débit des émetteurs trop favorisés.

En effet, lorsque la température augmente dans les locaux favorisés, les vannes thermostatiques réduisent le débit dans les corps de chauffe, ce qui rétablit un débit correct dans le reste de l’installation.

Toutefois, au démarrage de l’installation, toutes les vannes étant ouvertes, le handicap de la zone défavorisée reste entier : elle devra attendre que les premiers locaux ait atteint une température de surchauffe pour recevoir un débit suffisant. Ce qui est quelque peu aberrant. En outre, à ce moment, la période de relance définie par la régulation centrale sera peut-être passée et les locaux enfin alimentés correctement n’atteindront leur température de consigne que bien plus tard dans la journée (voire jamais).

De plus cette solution peut être accompagnée de problèmes acoustiques.

En conclusion, voilà bien une solution partielle qui réduira le gaspillage, mais n’aurait-il pas mieux valu consacrer l’investissement à une véritable opération d’équilibrage, par exemple en plaçant et en réglant des vannes thermostatiques avec organe de préréglage du débit.

Placer et régler des vannes d’équilibrages

C’est le seul moyen de réaliser un véritable équilibrage.

Au retour des circuits

Pour ajuster la répartition du débit entre les différents circuits, il faut placer des vannes d’équilibrage, au pied de chaque colonne et au retour de chaque branche sur laquelle les radiateurs sont raccordés. Il est à noter que l’équilibrage au pied des colonnes, avant de s’attaquer aux émetteurs, apporte déjà de grandes améliorations du confort.

Placement de vannes d’équilibrage au pied des colonnes et au départ des circuits.

Sur les émetteurs

Il faut aussi répartir le débit entre les radiateurs d’une même branche du circuit. Pour cela, ceux-ci doivent être équipés de tés de réglage.

Té de réglage du débit d’un radiateur.

Il existe également des corps de vanne thermostatique avec « té de réglage » incorporé : une bague de réglage permet de freiner de façon permanente le débit du radiateur, indépendamment de l’action de l’élément thermostatique.

Corps de vanne thermostatique avec préréglage du débit.

Cette solution est souvent plus pratique car :

Elle permet de combiner dans une seule vanne les fonctions d’équilibrage et de contrôle de la température.

Le réglage est souvent plus simple que pour les tés de réglage avec lesquels on ne sait trop bien combien de tours de correction il faut appliquer.

En cas d’enlèvement du radiateur (travaux de peinture, …), le réglage du té sera perdu car il sert de vanne d’isolement, ce qui ne sera pas le cas du préréglage de débit de la vanne thermostatique.

Exemple.

Pour que la vanne thermostatique fonctionne correctement, le fabricant recommande une chute de pression dans la vanne de 0,1 bar (10 kPa ou 1 mCE).

Pour un radiateur de 1 kW (dimensionné en régime 90/70, soit un Δt de 20°C et un débit nécessaire de 1 [kW] / 1,16 [kW/m³.°C] / 20 [°C] = 43 [l/h]) et une perte de charge de la vanne de 0,1 bar, l’abaque ci-dessus indique que la vanne doit être préréglée sur une position comprise entre 3 et 4.

Le débit correct de chaque radiateur est ainsi réglé et les vannes thermostatiques travaillent dans des conditions adéquates.

Faire équilibrer l’installation par des professionnels

Idéalement pour réaliser un équilibrage précis, il faut que les vannes, au minimum sur les colonnes et les branches du circuit, soit munies de prises de pression différentielle permettant de mesurer le débit.

Vanne d’équilibrage à placer sur un circuit de distribution. En mesurant et en réglant la perte de charge de la vanne, on ajuste le débit irriguant le circuit à sa juste valeur.

Des tés de réglage avec prise de débit possible seront très utiles. Dans une installation neuve, le surcoût de l’installation d’organes d’équilibrage avec mesure directe du débit par rapport à des systèmes sans possibilité de mesure, ne dépasse pas les frais inhérents à une ou deux interventions supplémentaires sur chantier requises pour les ajustements d’organes de faible coût.

Le placement de vannes automatiques (ou régulateurs de pression différentielle) qui permettent le maintien d’une différence de pression constante au pied de chaque colonne facilite également l’équilibrage car le réglage correct de la vanne n’est plus influencé par le réglage des circuits voisins, ce qui est le cas avec les vannes à réglage fixe. Le surcoût de ces vannes est ainsi compensé par la facilité de réglage.

Equilibrage au moyen de régulateurs de pression différentielle. Une vanne est placée sur la conduite de départ et la conduite de retour. La vanne automatique mesure la différence de pression entre le départ et le retour de chaque colonne et règle son ouverture pour maintenir cette dernière constante. Ce type de vanne remplace également efficacement les soupapes de pression différentielle couramment utilisées dans les circuits comprenant des vannes thermostatiques.

Il faut cependant être conscient que le placement de toutes ces vannes demande un investissement important et que l’appel à des spécialistes confirmés sera presque toujours nécessaire et indispensable étant donné la complexité de l’opération. Il faut aussi connaître les débits nominaux calculés lors de la conception.

Heureusement, cela ne veut pas dire qu’il faut toujours en arriver là. Il est aussi possible d’améliorer une situation soi-même, en travaillant par tâtonnement.

Équilibrage par tâtonnement

Souvent, les seuls éléments de réglage dont on dispose sur une installation sont ces tés de réglage (sans eux, on peut oublier toute action). On peut tenter d’améliorer la situation en refermant ceux-ci dans les locaux favorisés et en ouvrant ceux des locaux à problème.

Réglage d’un té : dévisser le capuchon et au moyen d’un tournevis, modifier la position du réglage. Attention, il faut bien repérer la position de départ et compter le nombre de tours effectués pour éventuellement revenir à la position de départ en cas d’insatisfaction.

Si on dispose en plus d’organes de réglage sur les différentes branches, il existe une méthode accessible mais aussi fastidieuse que l’on peut tenter de mettre en œuvre. Elle ne nécessite pas de mesure de débit au niveau des vannes d’équilibrage.

Étape 1

Établir le schéma hydraulique de l’installation.
Mettre toutes les vannes thermostatiques hors service et les bloquer au débit maximal grâce à leur limitation de course.
Toutes les vannes de réglage des radiateurs seront ouvertes complètement.
Les circulateurs à vitesse variable doivent être bloqués sur leur vitesse nominale.

Étape 2

Déterminer la différence de température ΔT entre l’eau de départ et l’eau de retour nécessaire en fonction des conditions extérieures. Cette différence de température doit être identique pour chaque circuit et chaque radiateur.

Exemple.

Si l’installation a été calculée pour une différence de température de 20°C entre le départ et le retour (par exemple, dimensionnement en régime 90/70 ou 70/50), on considère qu’à – 10°C extérieur la différence de température entre aller et retour (ΔT) est en régime de 20°C (point 1). Si la température extérieure est de 18°C on considère que ΔT est nulle (point 2).

On trace la droite entre les points 1 et 2 qui donne le ΔT à obtenir pour n’importe quelle température extérieure.

Étape 3

Réglage de l’ouverture de la vanne de réglage en fonction de la différence de température DT entre le départ et le retour d’un circuit.

Régler toutes les vannes de réglage des colonnes à la moitié de leur course (point (1)).

Mesurer le ΔT au pied de chaque colonne (si les circuits ne possèdent pas de mesure de température, un thermomètre de contact sur le tuyau est suffisant).

Si ΔT est supérieur au ΔT calculé, on ouvre la vanne à 75 % (point (2)) et si ΔT est inférieur au ΔT calculé, on ferme la vanne à 25 % (point (3)).

Il est nécessaire de permettre à l’installation de retrouver un régime stable (plusieurs heures) avant de procéder à une nouvelle mesure de température. En fonction du nouveau ΔT on ouvrira ou fermera encore les vannes en prenant comme référence le milieu de chaque intervalle créé sur le graphe ci-dessus.

Étape 4

Le réglage des colonnes donne déjà de bons résultats. Si des problèmes apparaissent encore localement, la même technique sera appliquée aux différents circuits d’une colonne et par après sur chaque radiateur du circuit (en mesurant la température entre l’entrée et la sortie du radiateur).

Mesure de température de départ et de retour d’un radiateur au moyen d’un thermomètre de contact.

La méthode présentée ici prendra plusieurs jours et sera d’autant plus difficile que chaque réglage perturbera les circuits déjà réglés. C’est pour cela que la méthode par mesure des débits est la plus facile.

En outre elle ne pourra pas être mise en œuvre en mi-saison du fait de trop faibles ΔT, difficilement mesurables. L’idéal est d’entreprendre ceci par grand froid (température extérieure < 0°C’ et pas de soleil).

Exemple. Une expérience pilote menée en France sur 8 immeubles à appartements a montré qu’un équilibrage, réalisé par la société de maintenance, suivant la méthode « de la température de retour » a permis de rétablir le confort tout en diminuant en moyenne la consommation de 9%, grâce à un abaissement des courbes de chauffe de 3 à 6°C.

Site	Nombre de logements	Variation de la consommation	Type d’équilibrage
1	230	-15%	Pieds de colonne
2	25	-12%	Pieds de colonne
3	240	-23%	Total
4	360	-5%	Pieds de colonne
5	100	-13%	Pieds de colonne
6	70	-4%	Pieds de colonne
7	230	-7%	Pieds de colonne
8	90	-22%	Total

Source : « Chaud, Froid, Plomberie », janvier 2004.

Cas particulier du déséquilibre récent

Une insuffisance de chaleur peut apparaître dans des anciennes parties de circuit suite à une extension du réseau (repiquage). Il est alors nécessaire d’équiper l’extension d’une vanne de réglage de manière à freiner le débit dans celle-ci et rétablir ainsi un débit correct dans l’ancien circuit.

Une insuffisance de chaleur peut apparaître suite au placement de vannes thermostatiques dans une partie du circuit. L’impact de ces vannes qui augmentent les pertes de charge doit être compensé en freinant le débit dans les zones sans vanne thermostatique. L’augmentation globale de la résistance de l’ensemble du réseau impose alors, parfois l’augmentation de la hauteur manométrique du circulateur.

Réduire le débit des circulateurs

Arrêter les circulateurs en été

La toute première action est d’arrêter les circulateurs lorsque les chaudières sont mises à l’arrêt en été. Cette action peut se faire manuellement. Les régulations modernes intègrent cette fonction, en prévoyant une remise en route régulière pour éviter que le circulateur ne reste bloqué à la relance de la saison de chauffe (fonction de « dégommage »). Ceci ne demande pas d’investissement.

On peut aller plus loin, en se disant que lorsque la température extérieure atteint une certaine valeur (par exemple, 15°C), le chauffage devient inutile dans le bâtiment.

Exemple.

A Uccle, la température extérieure est supérieure ou égale à 15°C, en moyenne durant 2 040 heures par an dont 400 heures se situent durant la saison de chauffe, entre le 15 septembre et le 15 mai.

Si la température de non-chauffage est de 14°C (bâtiment mieux isolé, avec plus d’apports internes), cette température est dépassée pendant 500 heures durant la saison de chauffe.

Exemple.

Si la puissance installée des circulateurs des différents circuits est de 5 kW, il est possible d’économiser, en coupant les circulateurs lorsque la température extérieure atteint 15°C :

5 [kW] x 2 040 [h/an] = 10 200 [kWh/an] ou 1 138 [€/an] (à 11,16 cents €/kWh (les températures > 15°C apparaissent surtout en journée)), si l’installation fonctionne normalement toute l’année,

5 [kW] x 400 [h/an] = 2 000 [kWh/an] ou 223 [€/an] (à 11,16 cents €/kWh), si l’installation est coupée en dehors de la saison de chauffe.

La commande de l’arrêt des pompes par une horloge et/ou un thermostat extérieur nécessite un investissement de l’ordre de 125 .. 250 €. Il se justifie pour une puissance des circulateurs supérieure à 500 W.

Notons que lorsqu’un circulateur est remplacé, il faut vérifier que l’installateur a raccordé sa commande au régulateur de chauffage.

Réduire la vitesse des circulateurs surdimensionnés

Bien des circulateurs sont surdimensionnés. Il en résulte

une surconsommation électrique,
parfois des problèmes hydrauliques et de l’inconfort

Évaluer	Pour en savoir plus sur l’évaluation du surdimensionnement des circulateurs.
Évaluer	Pour en savoir plus sur les problèmes d’inconfort liés à l’hydraulique.

Si les pompes possèdent différentes vitesses commutables (pompes à 2 ou 3 vitesses avec sélecteur ou couvercle de bornier pouvant être monté en diverses positions), une réduction de vitesse peut être opérée manuellement soit de façon permanente, soit en fonction de la saison. Cette amélioration ne coûte rien et peut être faite à l’essai. Si des plaintes apparaissent la situation d’origine peut facilement être rétablie.

Circulateur à 3 vitesses réglables manuellement.

Exemple.

Voici les caractéristiques d’un circulateur à trois vitesses dont les points de fonctionnement sont :

Sélection de la vitesse	1	2	3
Vitesse [tr/min]	1 840	2 300	2700
Débit [m³/h]	6,5	8	10
Hauteur manométrique [m CE]	3	4	5,6
Puissance électrique max [W]	360*	400	480
Puissance électrique estimée [W]	324*	360	432

* Remarques :

La réduction des puissances affichées par le constructeur n’évolue pas aussi fortement que la loi théorique de similitude le prédit (fonction du cube du rapport des vitesses). Ceci s’explique par la dégradation du rendement électrique du moteur.

Il est difficile de connaître la puissance réellement absorbée par un circulateur en fonctionnement. Une bonne approximation est 90 % de la puissance électrique mentionnée sur la plaque signalétique du circulateur.

On peut estimer l’économie réalisable en améliorant la gestion de ce circulateur. On fait l’hypothèse qu’au départ, il fonctionne 8 760 h/an à la vitesse 3.

–	Heures de fonctionnement à vit 3	Heures de fonctionnement à vit 2	Heures de fonctionnement à vit 1	Consommation électrique [kWh/an]
Situation initiale	8 760	–	–	3 784
Arrêt l’été (123 jours/an)	5 808	–	–	2 509
Arrêt si T_ext > 15°C (400 h/an)	5 408	–	–	2 336
Réduction de vitesse permanente à la vitesse 2	–	5 408	–	1 947
Réduction à la vitesse 1 si T_ext> 5°C (3 900 h/an)	–	1 508	3 900	1 807

–	Facture électrique [€/an] à 6,5 cents €/kWh	[€/an]	Économie par rapport à l’action précédente [€/an]
Situation initiale	245	–	–
Arrêt l’été (85 jours/an)	163	82	82
Arrêt si T_ext> 15°C (400 h/an)	151	94	12
Réduction de vitesse permanente à la vitesse 2	126	119	25
Réduction à la vitesse 1 si T_ext> 5°C (3 900 h/an)	117	128	9

Comme on le voit dans l’exemple ci-dessus, on peut aussi imaginer que la circulation passe automatiquement à vitesse réduite ou soit coupée à certains moments de l’année où les besoins énergétiques sont moindres.

Par exemple, lors du ralenti nocturne, si la mise au ralenti se fait par abaissement de la température d’eau (méthode par ailleurs dépassée), toutes les vannes thermostatiques de l’installation vont s’ouvrir, créant un surdébit (également générateur de bruit) d’autant plus aberrant qu’il n’y a pas de besoin. Il en de même lorsque le ralenti se fait par coupure complète de l’installation (fermeture des vannes mélangeuses). La commande de mise au ralenti pourrait dès lors aussi agir sur le circulateur.

La commutation automatique des vitesses des pompes existantes exige des éléments complémentaires au niveau de la régulation et du câblage du moteur et de la commande (les fabricants de pompe peuvent fournir des boîtiers permettant d’accéder aux différents bobinages des moteurs, de manière à réaliser les commandes au niveau du tableau électrique). L’investissement est donc important : de l’ordre de 500 .. 750 €.

Dès lors, on peut aussi envisager une diminution manuelle de la vitesse de tous les circulateurs, en mi-saison par exemple.

Remplacer les circulateurs surdimensionnés

La réduction de vitesse n’est pas possible sur tous les circulateurs. Dès lors, il peut être intéressant de procéder directement au remplacement d’un circulateur existant surdimensionné.

Exemple.

Considérons un bâtiment nécessitant une puissance de chauffage de 200 kW. Pour fournir cette puissance en travaillant avec des installations dimensionnées en régime 90°/70°, le circulateur doit fournir un débit de :

Débit demandé par le circulateur = 200 [kW] / 1,16 [kW/m³/h.°C] / (90 [°C] – 70 [°C]) = 8,6 [m³/h] ou 0,0024 [m³/s]

Pour ce débit, le bureau d’études, à l’origine de l’installation a surestimé les pertes de charge de l’installation (90 [kPa] au lieu de 60 [kPa]). Le débit réellement fourni par le circulateur choisi est n’est pas de 8,6 [m³/h] mais de 12 [m³/h] (ou 0,0033 [m³/s]) pour une perte de charge de 85 [kPa].

Points de fonctionnement de l’installation réel et calculé par le bureau d’études. Le circulateur choisi rencontre moins de résistance que prévu. Son débit augmente donc.

La puissance électrique absorbée par circulateur existant est de (pour un rendement global du circulateur de 34 % (moteur compris)) :

Puissance électrique du circulateur existant = 0,0033 [m³/s] x 85 000 [Pa] / 0,34 = 825 [W]

En choisissant un nouveau circulateur dimensionné correctement, on peut diminuer la puissance absorbée à :

Puissance électrique du nouveau circulateur = 0,0024 [m³/s] x 60 000 [Pa] / 0,34 = 420 [W]

(en imaginant que l’on choisisse un circulateur dont la courbe caractéristique passe exactement par le point de fonctionnement souhaité).

Si on considère que le circulateur tourne 5 800 [h/an], l’économie réalisée s’élève à :

Économie = (825 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] x 6,5 [cents €/kWh] = 153 [€/an]

Pour un nouveau circulateur standard dont le coût est de l’ordre de 300 .. 400 [€].

Remplacer un circulateur surdimensionné avant la fin de sa vie est donc rentable.

Au minimum, il faut penser au redimensionnement des circulateurs lors d’un remplacement par nécessité. Il faut à tout prix éviter que, lors d’un remplacement forcé, la sélection du nouvel équipement se limite à choisir un circulateur présentant les mêmes dimensions afin de pouvoir s’insérer sans difficulté dans l’emplacement libéré par l’appareil défectueux.

Calculs

Pour redimensionner un circulateur à partir des températures départ et retour du circuit et calculer l’intérêt de son remplacement.

Placer des circulateurs à vitesse variable

Remplacer un circulateur par un circulateur redimensionné suivant le calcul proposé ci-dessus, demande d’ouvrir toutes les vannes thermostatiques. Il reste également une certaine incertitude quant aux hypothèses de dimensionnement qui avaient été prises à l’époque de la conception de l’ancienne installation (température extérieure minimale, régime de température choisis, …).

C’est ici que le placement d’un circulateur avec variateur de vitesse va trouver toute sa justification : en le plaçant, il sera possible de diminuer progressivement la vitesse (sans modifier la température de l’eau), jusqu’à atteindre celle qui assurera une distribution uniforme, sans pénaliser le dernier radiateur du réseau (juste avant que les premières plaintes n’apparaissent). Sur base des expériences réalisées en Suisse, dans 9 cas sur 10, la vitesse chutera de plus de moitié !

Attention cependant il ne faut jamais remplacer un circulateur manifestement surdimensionné par un circulateur à vitesse variable de la même puissance. En effet, régler la vitesse du nouveau circulateur à une valeur trop faible entraîne une chute de rendement importante. De plus, non on ferait un investissement inutilement élevé.

Même un nouveau circulateur à vitesse variable doit donc faire l’objet d’un dimensionnement.

Circulateur à vitesse variable.

L’économie réalisée par rapport à l’ancien circulateur sera supérieure au cas du remplacement par un circulateur à vitesse fixe (3 vitesses) car le circulateur à vitesse variable permettra un ajustement plus précis du débit. Le gain supplémentaire sera d’autant plus important que les caractéristiques de l’installation existante sont peu connues.

Le circulateur à vitesse variable permet en outre des économies supplémentaires dans les installations équipées de vannes thermostatiques (installations avec radiateurs dont les locaux ont des besoins non homogènes) ou équipées de vannes 2 voies de régulation (installations avec ventilos-convecteurs).

En effet, lorsque sous l’effet d’apports de chaleur gratuits, les vannes thermostatiques se ferment, la pression dans le réseau augmente. Pour éviter cela et l’influence de ce réglage sur l’ensemble des vannes (les vannes sifflent), on place traditionnellement en tête de circuit une soupape différentielle qui « court-circuite » une partie du débit.

Soupape de pression différentielle by-passant une partie du débit lorsque des vannes thermostatiques se ferment dans l’installation.

Cette soupape différentielle peut avantageusement être remplacée par un circulateur à vitesse variable qui maintiendrait une pression constante ou dégressive dans le réseau lorsque les vannes thermostatiques se ferment.

Techniques

Pour en savoir plus sur le réglage du débit des circulateurs à vitesse variable.

Exemple.

considérons un bâtiment nécessitant une puissance de chauffage de 200 kW (débit nécessaire : 8,6 m³/h pour une hauteur manométrique de 6 mCE ou 60 000 Pa), répartie en deux façades nord et sud. Un seul circuit dessert l’ensemble de l’immeuble et des vannes thermostatiques sont installées sur les radiateurs de la façade sud pour tenir compte de l’ensoleillement.

Si on choisit un circulateur traditionnel à 3 vitesses, la vitesse réelle ne correspondra jamais exactement au point de fonctionnement souhaité.

Courbes caractéristiques du circulateur à 3 vitesses choisi : en bleu, le point de fonctionnement calculé et en rouge, le point de fonctionnement réel en fonction de la vitesse de circulateur choisie.

Pour satisfaire les besoins, le circulateur sera réglé en vitesse 3 et absorbera une puissance électrique de l’ordre de 540 W. Son débit réel sera de 9,6 m³/h au lieu des 8,6 souhaités.

Par contre, si on choisit un circulateur à vitesse variable, la vitesse peut être réglée pour obtenir le point de fonctionnement souhaité.

Courbes caractéristiques du circulateur à vitesses variable (remarque : on y constate la vitesse réglable en fonctionnement de nuit « min »)

La puissance absorbée par le circulateur est de l’ordre de 420 W.

Sur la saison de chauffe, le premier gain réalisé est de :

(540 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] = 696 [kWh/an] ou environ 45 [€/an] (à 6,5 [cents €/kWh] (heures pleines et heures creuses))

Sans compter l’imprécision inévitable sur l’estimation des caractéristiques du circulateur à 3 vitesses (« on va prendre un peu plus gros, on ne sait jamais ») qui veut que celui-ci consommera encore plus.

Que rapporte en plus la régulation de la vitesse du circulateur en fonction de la fermeture des vannes thermostatiques ?

(420 [W] – 220 [W]) x 1 000 [h/an] x 11,16 [cents €/kWh] = 22 [€/an] (au tarif moyen en heures pleines)

L’économie supplémentaire réalisée grâce au circulateur à vitesse variable s’élève donc à minimum :

45 [€/an] + 22 [€/an] = 67 [€/an]

pour un surcoût d’environ 300 €.

Si on globalise l’économie réalisable par le remplacement du circulateur surdimensionné de l’

exemple précédent par un circulateur à vitesse variable, on obtient :

Réduction de la puissance à charge nominale : de 825 à 420 [W], soit une économie de 153 [€/an].
Régulation du débit en fonction des besoins : économie de 22 [€/an].
Économie totale : 175 [€/an].

Pour un coût du circulateur à vitesse variable d’environ 800 €. Le temps de retour de cette opération est donc de 4,6 ans.

Prix des circulateurs de la marque « x » (à titre indicatif).

Études de cas

Le remplacement des circulateurs par des circulateurs à vitesse variable peut également être dicté par des problèmes d’inconfort lié au surdimensionnement des circulateurs.

Ce fut le cas au Centre de Hemptinne.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la pompe à chaleur

PAC avec compresseur à pistons, à gauche, et avec compresseur à vis, à droite.

Intérieur ou extérieur ?

Les pompes à chaleur Air/Air ont la particularité de pouvoir être installées

Soit de façon compacte à l’intérieur du bâtiment, avec une conduite d’amenée et de rejet d’air extérieur vers l’évaporateur.

Soit d’être scindées entre un condenseur intérieur et un évaporateur extérieur (système Split), directement en contact avec la source froide. Le fluide frigorigène reliant évaporateur et condenseur devra alors traverser la paroi du bâtiment dans des conduites calorifugées. La performance est améliorée puisque l’évaporateur est généralement mieux alimenté. Elles sont d’une grande souplesse d’installation mais imposent une quantité de fluide frigorigène plus importante.

On peut également installer l’ensemble de la PAC à l’extérieur et la relier au réseau de distribution par des conduites aller et retour isolées. Ces installations imposent des mesures constructives coûteuses de transfert des sources chaudes ou froides.

Les systèmes extérieurs peuvent occasionner une gêne à cause de leur bruit. Ces installations ne seront tolérables que si elles se font sans gène pour le voisinage (installation sur des toits en ville,.). Elles devront être protégées de la corrosion et avoir un dégagement suffisant autour d’elle pour permettre un bon fonctionnement de l’évaporateur.

Utilisation directe ou indirecte ?

L’utilisation directe de la source froide (eau de surface, nappe phréatique, rejets gazeux,…) a le grand avantage d’améliorer l’échange avec la source de chaleur et donc d’offrir un meilleur coefficient de performance. Cependant il faudra éviter la pollution (fuites de fluide frigorigène), ainsi que l’encrassement, l’érosion et la corrosion dans l’évaporateur en prenant les mesures suivantes :

désensablage du puits effectué par un spécialiste,
pose d’un filtre dans la conduite de raccordement à la PAC,
surveillance des vitesses de courant maximales et minimales pour éviter l’érosion, les dépôts, le gel et les dégâts dus aux vibrations dans les conduites de l’évaporateur,
pour lutter contre l’air agressif (par exemple rejets thermiques industriels), il faut utiliser un évaporateur résistant à la corrosion et dont le nettoyage est aisé. Dans certains cas, un dispositif de filtrage de l’air vicié devra être ajouté.

À défaut, il est vivement conseillé de prévoir une utilisation indirecte avec circuit intermédiaire. De plus il faut penser que la température du circuit intermédiaire peut tomber à 0°C. Le bon choix d’un produit antigel est donc d’une importance capitale.

Remarque : la qualité des sources thermiques naturelles peut se détériorer avec le temps. Une seule et unique analyse de l’eau ne peut évidemment pas servir de garantie absolue à long terme.

Choix de l’émetteur de chaleur

La température de distribution de la chaleur (température dite de la « source chaude ») est aussi importante que la température de la « source froide », puisque la consommation est proportionnelle à l’écart entre ces 2 températures.

Les pompes à chaleur ne peuvent correctement fonctionner qu’à une température de chauffage maximum de 50°C. Il faut donc sélectionner un système de chauffage à basse température, qu’il soit à air ou à eau.

Distribution par eau

Les systèmes à eau devraient être dimensionnés de telle manière que la température de départ nécessaire lors de températures extérieures de – 8°C se situe entre 35 et 45°C. Ceci est possible avec un chauffage par le sol, et également, pour des bâtiments très bien isolés, avec des radiateurs à grande surface rayonnante.

Pour des systèmes de distribution anciens (radiateurs conventionnels) qui exigent des températures de départ de plus de 50°C, il faut évaluer de cas en cas si le recours à la pompe à chaleur bivalente est utile et raisonnable. Normalement, un chauffage par pompe à chaleur sera possible pendant la plus grande partie de la période de chauffe. Pour les jours nécessitant une température de départ de plus de 50°C, un deuxième générateur de chaleur fonctionnant avec un autre agent énergétique sera nécessaire (fonctionnement bivalent). Une solution fréquente dans le logement est d’installer un chauffage par le sol au rez-de-chaussée et de le compléter par des chauffages d’appoints à l’étage, pour limiter le coût d’investissement.

Par simulation informatique, une étude de la KUL a comparé les performances théoriques de différentes installations domestiques de pompes à chaleur (bâtiment respectant le niveau d’isolation K55, besoin de chaleur théorique évalué à 15 459 kWh par saison de chauffe) :

PAC Air/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et chauffage électrique à l’étage [1];
PAC Sol/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [2];
PAC Air/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [3];
PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et un chauffage électrique dans la salle de bain uniquement [4];
PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et radiateurs basse température à l’étage [5].

Alternative	1	2	3	4	5
Énergie fournie totale Q [kWh]	18 965	19 474	20 678	17 744	20 028
Énergie consommée totale E [kWh]	9 825	5 482	5 967	5 242	5 400
Rendement global annuel (Q/E)	1.93	3.55	3.47	3.38	3.70
CO₂ produit [kg/an]	3 363	1 801	2 071	1 791	1 706
CO2 produit [kg/kWh fourni]	0.18	0.09	0.10	0.10	0.09

On constate que l’installation avec le meilleur rendement annuel est celle qui combine la PAC Sol/Eau avec le chauffage par le sol et les radiateurs basse température. Autrement dit, c’est le système qui diminue autant que faire se peut la différence de température entre la source froide et la source chaude.

La quantité de CO2 produite montre l’impact négatif des chauffages d’appoints électriques qui provoquent un doublement des émissions.

Distribution par air

Les systèmes de distribution à air ont l’avantage de toujours être dans une fourchette de température idéale pour les PAC (15 – 30°C). De plus, le chauffage direct de l’ambiance évite l’usage d’un intermédiaire caloporteur et d’un échangeur de chaleur supplémentaire comme un radiateur. Cet intermédiaire en moins ne permet néanmoins pas d’améliorer le rendement de l’installation puisque les échangeurs de chaleur « fluide caloporteur/air » sont moins performant que ceux « fluide caloporteur/eau ». L’inconvénient est l’emprise spatiale importante des gaines de distribution. Ce problème peut être contourné par les installations avec préparation d’air directement dans le local (installations multi-split ou DRV ainsi que sur boucle d’eau). Les systèmes de distribution par air ne permettent pas non plus l’accumulation de chaleur durant les heures creuses ou la préparation d’ECS.

Monovalent, bivalent ou avec résistance d’appoint électrique ?

Monovalent

Vu les frais d’investissement plus élevés provoqués par les installations bivalentes, on préférera en général les PAC monovalentes. En effet, la nécessité d’investir dans une chaudière traditionnelle en plus de la PAC n’est pas compensée par la diminution du coût de la PAC, diminution proportionnelle à la puissance moindre installée.

Bivalent

Cependant, lorsque la puissance à fournir est trop importante par rapport à une source froide limitée ou lorsque la température d’entrée dans le réseau de distribution doit être supérieure à 50°C, les systèmes bivalents sont inévitables pour assurer le confort de l’occupant. C’est souvent le choix qui est fait en rénovation, lorsque les réseaux d’émissions ne sont pas modernisés et ne peuvent fonctionner qu’à haute température.

Le fonctionnement bivalent alternatif a l’avantage de la simplicité de compréhension et de régulation.

Avec appoint électrique

Une installation avec appoint électrique est perçue comme un compromis. Elle nécessite un faible investissement mais contribue à la surcharge du réseau. Elle est aussi moins rationnelle au niveau écologique à cause de l’importante consommation de l’appoint électrique qui provoque un abaissement du COP annuel. Un enclenchement manuel est d’ailleurs conseillé pour éviter une durée de fonctionnement trop importante. Les appoints électriques permettent de préserver le confort lors des dégivrages ou des périodes de gel, lorsque la PAC (qui a été dimensionnée au plus juste pour limiter l’investissement) éprouve des difficultés.

Avec ou sans accumulateur tampon ?

puissance à peu près constante de la source de chaleur (max 5 K de variation de température);
volume d’eau de chauffage supérieur à 15 litres/kW;
grande capacité d’accumulation du système de distribution de chaleur (par exemple inertie de chauffage par le sol);
pas ou peu de vannes thermostatiques;
installation bien équilibrée.

Quel fluide frigorigène ?

Suite à la protection de l’environnement, certains fluides ont été supprimés du marché et d’autres sont encore en sursis, dont le R22, qui reste le plus couramment utilisé sur le marché.

Le choix du fluide frigorigène résulte de l’analyse spécifique effectuée par le projeteur, notamment en fonction de la température de départ du chauffage. La définition des limites d’utilisation du fluide est l’affaire du fabricant.

Il existe aujourd’hui beaucoup d’incertitudes sur le choix du nouveau fluide idéal, mais il semble que si l’équipement vendu est encore au R22, il ne soit pas d’une technologie récente.

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix du fluide frigorigène, cliquez ici !

Quelle régulation ?

Adaptation de la puissance

Paramètres de régulation

La régulation de la température de sortie du condenseur est essentiellement liée au mode de chargement de l’accumulateur (étagé ou par stratification).

Adaptation des paramètres en fonctionnement

De nombreuses recherches menées en Suisse durant les premières années de fonctionnement ont montré que beaucoup d’installation ne travaillent pas du tout comme le concepteur du projet le souhaite, cette remarque est également valable pour des installations conventionnelles. Un contrôle des résultats pendant les premières années d’utilisation est donc conseillé pour s’assurer d’un bon fonctionnement de l’installation.

Stabilité du réglage

Choix du compresseur

Le compresseur d’une pompe à chaleur présente les mêmes caractéristiques que le compresseur d’une machine frigorifique puisqu’il s’agit de la même machine.

Techniques	Pour plus d’informations sur les technologies de compresseur, cliquez ici !
Concevoir	Pour plus d’informations sur le choix du compresseur, cliquez ici !

Choix d’échangeurs

Évaporateur

Dans l’évaporateur, la chaleur délivrée par la source froide de chaleur est transférée au fluide frigorigène. Pour les sources de chaleur liquides, on installera des échangeurs de chaleur multitubulaires, coaxiaux ou à plaques, pour les échangeurs de chaleur à air, on préférera, dans la plupart des cas, des tubes à ailettes. D’une manière générale, l’échange de chaleur croît avec l’augmentation de la surface d’échange, la diminution de la vitesse de passage des fluides, l’augmentation de la différence de température entre les fluides et l’augmentation du débit de la source de chaleur par rapport au fluide récepteur.

Il existe en gros deux modes d’évaporation : à détente sèche ou par immersion. La différence entre les deux systèmes provient essentiellement de la circulation du fluide frigorigène. Dans le cas de l’évaporation par immersion, le fluide caloporteur passe à l’intérieur de tubes noyés dans le fluide frigorigène; dans le cas de la détente sèche, c’est l’inverse. La plupart des évaporateurs fonctionnent selon le principe de la détente sèche. L’échangeur de chaleur multitubulaire peut aussi, dans certains cas, fonctionner par immersion.

Perte de pression dans l’évaporateur et le condenseur

Il arrive souvent que des PAC dont la puissance est identique accusent des pertes de pression différentes sur l’échangeur de chaleur et présentent des COPA différents. Il peut s’agir de produits provenant de plusieurs fabricants, mais aussi, selon le degré de puissance, une série de PAC appartenant au même fabricant peut présenter de sensibles différences.

Pour illustrer ceci, examinons ce qu’une augmentation de 40 kPa de la perte de pression dans l’évaporateur et le condenseur provoque sur le COP d’installations de chauffage par PAC. Supposons au départ des installations telles que celles décrites ci-dessous :

	Petite installation	Grande installation
Mode de fonctionnement	Monovalent, chargé par stratification, T° _{sortie du condenseur} constante de 47°C
Puissance chauffage	10 kW	100 kW
Besoin annuel de chaleur	25 000 kWh	250 000 kWh
Heures de fonctionnement	2 500 h/an	2 500 h/an
Consommation annuelle de courant	8 333 kWh	83 333 kWh
Coefficient de performance annuel COPA	3	3
Débit dans l’évaporateur (Δt° = 5 K)	1,2 m³/h	12 m³/h
Débit dans le condenseur (Δt° = 10 K)	0,9 m³/h	9 m³/h
Perte de pression condenseur	25 kPa	25 kPa
Rendement de la pompe	0,10	0,25

Pour la petite installation, l’augmentation de la perte de pression donnerait :

P_{pompe évaporateur}= 40 kPa x 1,2 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,133 kW
P_{pompe condenseur}= 40 kPa x 0,9 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,100 kW
W = 2 500 h x (0,133 + 0,100) kW = 583 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (8 333 + 583) kWh = 2,8

Et pour la grande installation :

P_{pompe évaporateur}= 40 kPa x 12 m³/h / (3 600 x 0,25) = 0,533 kW
P_{pompe condenseur}= 40 kPa x 9 m³/h / (3 600 x 0,25) = 0,400 kW
W = 2 500 h x (0,533 + 0,400) kW = 2 333 kWh

COPA_grand= 250 000 kWh / (83 333 + 2 333) kWh = 2,92

Pertes de pression dans les sondes géothermiques

Dans le cas d’installations équipées de sondes géothermiques, les pertes de pression doivent être optimalisées avec soin pour différents diamètres de sondes, longueurs de sondes, nombre de sondes. Des différences de 100 kPa entre deux variantes ne sont pas rares.

Pour illustrer ceci, reprenons les installations présentées au point précédent et imaginons qu’elles soient équipées de sondes géothermiques accusant une augmentation des pertes de pression de 100 kPa.

Pour la petite installation, l’augmentation de la perte de pression donnerait :

P_{pompe évaporateur}= 100 kPa x 1,2 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,333 kW
W = 2 500 h x 0,333 kW = 833 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (8 333 + 833) kWh = 2,73

et pour la grande installation :

p_{pompe évaporateur}= 100 kPa x 12 m³/h / (3 600 x 0,25) = 1,333 kW
W = 2 500 h x 1,333 kW = 3 333 kW

COPA_grand= 250 000 kWh / (83 333 + 3 333) kWh = 2,88

Chargement étagé ou par stratification ?

Il existe deux méthodes de chargement de l’accumulateur de chaleur associé à la pompe à chaleur.

Consommation électrique supplémentaire de la pompe du condenseur pour augmenter le débit et diminuer la température de départ.
Variations de la température de départ du chauffage difficiles à évaluer.
Température finale de l’accumulateur imprécise.
N’utilise pas pleinement les capacités de l’accumulateur.
Manque de capacité au premier passage.

Petite installation (surtout à cause de l’avantage du prix).
Un seul groupe de chauffage.
Pour accumulateur technique seulement.

À l’opposé, le chargement par stratification, malgré son COP plus faible et son coût plus élevés, permet :

Une maîtrise exacte de la température de l’accumulateur.
Une température constante de départ garantie.
Une puissance de la pompe du condenseur plus faible.
Une utilisation maximale de la capacité de l’accumulateur.

Type de chargement de l’accumulateur

Encore une fois, reprenons les installations décrites plus haut et supposons qu’au lieu de fonctionner 2 500 h à 47°C, d’où ε = 3,4, on procède ainsi :

500 h à 45°C, d’où ε = 3,5

1 000 h à 42°C, d’où ε = 3,75

1 000 h à 39°C d’où ε = 4

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 1,8 m³/h) – (25 kPa x 0,9 m³/h) / (3 600 x 0,10) = 0,438 kW
W = 2500 h x 0,438 kW = 1 095 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (25 000 / 3,4) + 1 095 kWh = 2,96

et pour la grande installation :

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 12 m³/h) – (25 kPa x 9 m³/h) / (3 600 x 0,25) = 1 750 kW
W = 2 500 h x 1 750 kW = 4 375 kW

COPA_grand= 250 000 kWh / (250 000 / 3,4) + 4 375 kWh = 3,21

Choix de la technique de dégivrage

On utilise deux modes de dégivrage :

Le système « by-pass » de dégivrage par gaz chaud, par lequel une partie des gaz échauffés à la sortie du compresseur est dirigée vers l’évaporateur. Ce système exige une différence de pression minimale assurée par le compresseur.
L’ inversion de la direction du circuit par une vanne à quatre voies. L’évaporateur devient alors condenseur et le givre est rapidement éliminé au prix d’un plus grand besoin de chaleur momentané.

Le dégivrage des pompes Air/Air et Air/Eau

Les pertes provoquées par le dégivrage de l’évaporateur sont difficiles à évaluer avec précision car elles sont variables en fonction de la programmation des paramètres de dégivrage. L’énergie dépensée pour la fonte du givre (EFG) est généralement fournie par la pompe à chaleur qui, pour l’occasion, fonctionne en sens inverse. Elle vaut environ l’énergie utile de fonte du givre EFGu (énergie pour élever la température du givre à 0°C + chaleur latente de fusion du givre + énergie pour élever la température de l’eau de 0°C à 10°C pour éviter un regel immédiat) divisée par un rendement de 50 %. Cette énergie sera prélevée dans le bâtiment et devra en suite lui être restituée lorsque la pompe se remettra en mode chauffage. Pour des machines bien réglées avec des détections du givre optimales, la perte de COP peut valoir jusqu’à 10 % par temps froid.

Il n’est pas rare de voir des pompes à chaleur dont le système de détection du givre est mal réglé et la durée de dégivrage trop longue. Il s’en suit des consommations d’énergie excessives qui peuvent conduire à des COP inférieurs à 1.

Le graphique ci-contre, issu d’une fiche technique de constructeur, illustre l’influence du dégivrage sur la puissance calorifique et le COP d’une pompe à chaleur Air/Eau. On voit clairement la perte de COP survenant entre 3 et 10°C. L’air extérieur est chargé d’eau et le fluide frigorigène est à une température inférieure à zéro degré. La glace qui se forme « colle » à l’évaporateur.

Par contre, lorsqu’il fait très froid, l’air extérieur est plus sec et le givre apparaît alors davantage sous forme de cristaux qui n’adhèrent plus sur la paroi de l’évaporateur.

Choix de la technique de dégivrage

Perte de charge dans l’évaporateur : la mesure de cette grandeur peut provoquer des dérives lorsqu’il y a risque de bouchonnement par des impuretés (feuilles, animaux,.) ou par des variations de pression causées par les vents externes.
Température de surface des ailettes : la différence entre la température de surface des ailettes et la température de l’air indique bien si une couche de givre (= isolation thermique) s’est formée. Comme le développement de givre n’est pas uniforme sur la surface de l’évaporateur, il faut bien vérifier l’emplacement du capteur de température.
Pincement dans l’évaporateur : la couche de givre provoque un blocage du transfert de chaleur qui se traduit par une diminution de l’efficacité de l’échangeur. Par conséquent, il y a une augmentation de l’écart de température minimal entre la température d’évaporation du frigorigène et la température de l’air en sortie d’évaporateur, écart appelé « pincement ». Pour détecter ce pincement, il faudra en général une prise de température de l’air sortant ainsi que le calcul de la température de saturation correspondante à la pression de vaporisation.

De même pour le paramètre d’arrêt, définissant la durée de dégivrage, plusieurs mesures peuvent être considérées :

La température du réfrigérant à la sortie de l’évaporateur : pendant le dégivrage de la batterie par inversion de cycle, un film d’eau ruisselle sur l’échangeur en refroidissant le fluide frigorigène. Une fois le dégivrage achevé, une grande partie de l’évaporateur est libérée et le transfert de chaleur diminue, ce qui provoque une réaugmentation de la température de sortie du fluide frigorigène.
Température de la surface des ailettes : cette mesure indique directement si l’échangeur est libéré de la couche de givre. Il est cependant difficile de bien placer la sonde pour avoir une bonne représentativité globale de l’échangeur.
Optimisation globale par microprocesseur : en combinaison avec les critères étalonnés en usine, le calcul du bilan énergétique par cycle de chauffage permet d’optimiser les grandeurs limites imposées sur site et en cours de fonctionnement.

Ces critères, ainsi que le critère plus « archaïque » qu’est l’horloge, devront être étalonnés soigneusement et vérifiés.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée à la distribution

Déséquilibre hydraulique

La conséquence d’un déséquilibre hydraulique est d’abord un manque de chaleur dans un local ou une zone du bâtiment.

Évaluer

Pour diagnostiquer un déséquilibre hydraulique, cliquez ici !

C’est la façon dont la plupart des gestionnaires de bâtiment corrigent le problème qui sera source de surchauffe et de surconsommation dans les autres locaux.

En effet, pour compenser le manque de chaleur dans le ou les locaux défavorisés, la tendance est d’augmenter la consigne de température d’eau ou la consigne du thermostat d’ambiance.

Pour éviter ce problème, il faut égaler la résistance hydraulique de chaque circuit, en « freinant » l’eau dans les circuits les plus favorisés. On parle alors d’équilibrage de l’installation.

Améliorer

Équilibrer l’installation.

Non-isolation des tuyauteries

En principe, lorsque des conduites non isolées traversent un local chauffé, on peut considérer que leurs déperditions ne sont pas des pertes, puisqu’elles participent au chauffage des locaux. Cependant parfois, ces pertes deviennent tellement importantes qu’elles conduisent à des surchauffes et donc à une surconsommation.

Exemple.

École dont les classes sont parcourues par d’importantes conduites de chauffage. L’absence d’isolation sur les conduites combinée à l’absence de vanne thermostatique sur les radiateurs entraîne une la surchauffe importante dans chaque classe.

Le bilan thermique d’une classe montre l’ampleur des pertes des conduites par rapport aux autres apports de chaleur.

Le bilan de cette même classe lorsque l’on place des vannes thermostatiques sur le radiateur, que l’on isole les conduites et que l’on place des protections solaires.

Évaluer

Pour évaluer les pertes par les tuyauteries, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée à la régulation

Absence de régulation en fonction des apports gratuits

Absence de vannes thermostatiques

Il est fréquent de rencontrer un ou plusieurs locaux situés sur le circuit distribution commun au bâtiment et qui présente des surchauffes dès :

l’apparition du soleil,
que plusieurs personnes se réunissent,
…

En gros, dès que des apports de chaleur gratuits viennent en supplément de l’installation de chauffage.

Pour profiter de ceux-ci et limiter les surchauffes, il faut que l’émission de chaleur locale puisse se réduire automatiquement. Pour cela la solution la plus simple est le placement de vannes thermostatiques, puisque celles-ci ont pour mission de réduire le débit du radiateur et de maintenir une température constante dans le local.

Radiateur ensoleillé sans vanne thermostatique.

Améliorer

Placer des vannes thermostatiques

Cette solution est souvent directement rejetée dans certaines institutions, principalement pour des raisons de résistance mécanique. Et pourtant des solutions existent, qui s’adaptent à ces situations.

Attention, cependant la présence de vannes thermostatiques ne permet pas d' »innocenter » la régulation locale dans les problèmes de surchauffe. Encore faut-il que ces vannes soient correctement utilisées (pour les vannes à réglage accessible) par les occupants.

Pour cela, il faut que ceux-ci soient informés du rôle et du fonctionnement des vannes.

Gérer

Pour télécharger des affiches de sensibilisation des occupants à l’utilisation des vannes thermostatiques, cliquez ici !

Exemple.

Les occupants ayant une sensation de manque de chaleur ont tendance à placer la consigne de la vanne sur 5.

Vanne thermostatique complètement ouverte.

La vanne sera ainsi maintenue en permanence en position ouverte. En gros, elle est devenue inutile.

Le bon comportement est d’augmenter légèrement la consigne pour que celle-ci corresponde aux besoins. Si ceux-ci ne sont jamais satisfaits, il faudra chercher la cause ailleurs.

Vanne thermostatique réglée sur une position plus ou moins correcte.

Absence de circuits propres avec leur sonde extérieure

La présence d’autres équipements dans l’installation de chauffage seront des indices permettant d’écarter l’hypothèse d’une absence de régulation en fonction des apports gratuits. Ainsi le réseau de distribution de chauffage peut être dissocié en fonction de l’orientation et de l’occupation des locaux. Une façade soumise à l’ensoleillement peut être équipée de son propre circuit de chauffage commandé par sa propre sonde extérieure associé éventuellement à une sonde d’ensoleillement ou une sonde intérieure de compensation qui corrigera la température de l’eau en fonction de la véritable température mesurée dans un local témoin.

Distribution du chauffage répartie par façade avec sonde extérieure propre.

Sonde extérieure et sonde d’ensoleillement.

Améliorer

Placer des vannes thermostatiques, placer une sonde d’ensoleillement.

Mauvais réglage des courbes de chauffe

Dans la plupart des installations de chauffage du secteur tertiaire, la température de l’eau distribuée dans les différents circuits est régulée en fonction de la température extérieure, suivant une correspondance appelée courbe de chauffe.

Courbe de chauffe. Par exemple, quand la température extérieure est de 3°C, la température de l’eau de chauffage est réglée à 70°C.

Un mauvais réglage des différentes courbes, c’est-à-dire une température d’eau trop élevée, provoquera une surchauffe dans certaines zones du bâtiment.

A priori, si la cause de l’inconfort est une température d’eau trop élevée, la surchauffe se fera ressentir dans une bonne partie des locaux desservis par le circuit incriminé.

En principe, chaque bâtiment (ou zone de bâtiment) a une courbe de chauffe qui lui correspond (fonction de son degré d’isolation, de sa température de consigne et du surdimensionnement de ses corps de chauffe). C’est pourquoi, il est impossible à un chauffagiste ne vivant pas dans le bâtiment de régler la bonne courbe. C’est aussi pourquoi il est impossible de dire ici quelle doit être la bonne température de l’eau. Tout au plus, peut-on comparer la courbe réelle à une courbe standard avec laquelle la température de l’eau équivaut à environ :

80°C lorsque la température extérieure est de – 10°C (température minimum de dimensionnement),
20°C lorsque la température extérieure est de 20°C (il n’y a plus de besoin de chauffage et donc plus de puissance à fournir).

Améliorer

Régler une courbe de chauffe.

Attention cependant, le principe de la régulation centralisée est qu’elle fournit les mêmes conditions de fonctionnement à tous les locaux raccordés sur un même circuit. Elle ne donnera donc satisfaction à tout le monde que si tous ces locaux ont des besoins semblables : même orientation, mêmes apports internes, même degré de surdimensionnement des émetteurs. Si ce n’est pas le cas, la tendance sera d’augmenter la température de l’eau de manière à satisfaire les plus défavorisés. Il en résultera des surchauffes pour les autres et le plus souvent une régulation de leur température ambiante par ouverture des fenêtres. Parfois donc, la seule régulation de la température d’eau distribuée à partir d’une sonde extérieure n’est pas suffisante. Il faudra lui adjoindre une régulation locale complémentaire (vannes thermostatiques).

N’oublions pas, en outre, qu’une sonde extérieure peut être défectueuse !

Mauvais fonctionnement des sondes intérieures

Emplacement des thermostats d’ambiance

Les mesures prises par un thermostat d’ambiance doivent être représentatives de la zone qu’il doit réguler

Il ne doit pas être caché (derrière une armoire, une affiche, …). Si c’est le cas, cela conduira soit à des surchauffes et une surconsommation (thermostat situé dans une zone moins influencée par les sources de chaleur), soit à un manque de chaleur (thermostat situé dans une zone directement influencée par les sources de chaleur).
Il doit être situé dans un local représentatif des besoins des autres locaux situés sur le même circuit. S’il est dans un local bénéficiant de moins d’apports de chaleur (peu d’occupants, pas d’ordinateurs, pas d’ensoleillement, …), il fournira trop de chaleur aux autres locaux, y créant un inconfort. Cela doit être compensé par des vannes thermostatiques dans les autres locaux.

Sonde d’ambiance derrière un porte-manteau.

Incompatibilité entre thermostat d’ambiance et vannes thermostatiques

Le local abritant un thermostat d’ambiance ne peut jamais comporter de vanne thermostatique.

En effet, si la consigne du thermostat d’ambiance est plus élevée que la consigne des vannes, le thermostat ne sera jamais satisfait puisque les vannes thermostatiques se fermeront avant.

Dans le cas d’une installation dans laquelle le thermostat agit directement sur le brûleur, cette demande entraînera le fonctionnement permanent du brûleur jusqu’à ce que la température de la chaudière atteigne sa limite haute. En résumé, la chaudière fonctionnera en permanence à haute température, ce qui est énergétiquement moins efficace.

Si le thermostat agit sur une vanne mélangeuse, celle-ci restera en permanence en position ouverte, alimentant les circuits à température maximale.

Dans les deux cas, il peut en résulter une surconsommation et des surchauffes dans les autres locaux.

À l’inverse, si la consigne du thermostat est plus basse que la température de consigne des vannes thermostatiques, ces dernières resteront en permanence ouvertes en grand et deviennent donc inutiles.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation du chauffage à eau chaude

Introduction à la régulation

L’occupant d’un bâtiment ne perçoit généralement de la régulation d’un système de chauffage qu’un seul équipement : la vanne thermostatique. Elle est accusée de bien des maux et subit parfois des agressions physiques si elle ne peut délivrer la chaleur attendue !

Et pourtant, seule, elle ne peut agir correctement et doit donc être associée à une régulation plus complète

Voici quelques schémas qui permettent de comprendre l’utilité et le principe de cette dernière. Ceux-ci sont purement illustratifs et ne doivent pas être considérés comme des situations universelles, chaque bâtiment pouvant faire l’objet d’une étude particulière.

Les symboles graphiques

Le fonctionnement des installations de chauffage est représenté par des schémas de principe. Les différents symboles utilisés sont repris ci-contre.

Dimensionnement pour une situation extrême

Partons d’une situation de grand froid hivernal…

La chaudière est dimensionnée pour vaincre les températures les plus froides en hiver, soit généralement – 10°C.

Schéma dimensionnement pour une situation extrême.

Une eau à 90°C alimente le radiateur qui émet une chaleur maximale pour vaincre les déperditions (les pertes de chaleur du local vers l’extérieur).

Problème 1 : en mi-saison

En mi-saison, la température extérieure est plus douce; l’apport de chaleur doit être adapté.

Pour alimenter le radiateur avec de l’eau à température « mitigée » (70°), on réalise un mélange entre l’eau chaude qui arrive de la chaudière (90°) et l’eau tiède qui sort du radiateur (50°).

C’est le rôle de la vanne, appelée « vanne trois vannes mélangeuse », placée entre l’aller et le retour de l’installation. Son principe de fonctionnement est basé sur la rotation d’un secteur entre les 3 voies d’eau :

Problème 2 : la température varie en permanence

Problème : la température extérieure varie en permanence. Comment dès lors adapter la température de l’eau des radiateurs aux besoins ?

Un régulateur va relever la température existante dans le local, va comparer celle-ci à la température de consigne, et en fonction de l’écart existant, ouvrira ou fermera la vanne trois voies mélangeuse.

Problème 3 : et s’il y a plusieurs locaux à chauffer ?

> Solution 1 : tous les locaux ont des besoins identiques (par exemple, l’ensemble des locaux administratifs d’une l’école).

On choisira un local témoin, fidèle des besoins en température des autres locaux.

Ici, tous les locaux superposés seront régulés en fonction de la température demandée dans le local témoin au rez-de-chaussée.

> Solution 2 : les locaux peuvent se subdiviser en zones ayant des besoins similaires (par exemple, les locaux situés au sud et les locaux situés au nord).

On réalisera deux circuits indépendants, régulés de façon autonome, chacun disposant de son local témoin.

On constate qu’il a fallu créer une boucle « primaire », alimentée par la chaudière, nourricière des différents départs de circuits, dits « secondaires ». Chaque circuit greffé sur la boucle primaire est indépendant des autres dans son fonctionnement.

> Solution 3 : tout est raccordé sur un seul circuit, les locaux ont des besoins différents mais il est trop coûteux de créer des zones différentes.

Hydrauliquement, il n’est pas possible de créer des circuits distincts.

Par exemple dans une école : au premier étage, c’est le réfectoire, au deuxième, c’est une classe et au troisième c’est la bibliothèque !

Des horaires et des températures de consigne bien différents ! Impossible de créer un local « témoin ».

On va dès lors se fier sur la seule variable que l’on connaît et qui est commune à tous le bâtiment : la température extérieure. Plus il fait froid dehors, plus la température de l’eau dans les radiateurs doit être chaude. On parle de « régulation en température glissante » en fonction de la température extérieure.

La loi appliquée est appelée « la courbe de chauffe« .

Si la température extérieure est de 3°C, on demandera au circuit une alimentation par de l’eau à 70°C.

Le schéma devient :

La température d’alimentation est donc identique pour tous les radiateurs du circuit. Or les besoins de chaque pièce sont différents … Que faire ? en plaçant des vannes thermostatiques sur chaque radiateur, on va adapter le débit d’eau chaude cette fois, en fonction des besoins.

En effet, une vanne thermostatique est un régulateur à elle toute seule.

Si elle est réglée sur 3, cela veut dire que l’on demande 20°C dans la pièce (approximativement : 1 = 16°C, 2 = 18°C, 3 = 20°C, 4 = 22°C, 5 = 24°C , mais cette correspondance varie selon les marques).

S’il fait 19°C dans le local, la vanne sera ouverte, le pointeur intérieur laissant passer un maximum de débit.

S’il fait 21°C, la vanne sera fermée, le pointeur bloquant le débit d’alimentation du radiateur.

Exemple.

Dans une école, application à la classe du 2^ème étage :

7h30 : il fait 17° dans la classe, le radiateur est alimenté au débit maximum avec l’eau préparée à 55°.

8h15 : il fait 20°, les cours commencent.

9h00 : la chaleur dissipée par les 20 élèves représente 2 000 Watts soit l’équivalent d’un gros radiateur. La température atteint 21°, la vanne thermostatique se ferme.

Pendant ce temps au 3^èmeétage, la bibliothèque reste chauffée par le radiateur dont la vanne thermostatique reste ouverte. Simplement, vers midi, la température extérieure étant remontée à 10°, l’eau de chauffage est réglée à 43° via la courbe de chauffe du régulateur.

On constate deux niveaux de régulation :

le réglage de base réalisé par la vanne trois voies au départ du circuit : réglage de la température de l’eau,
le réglage plus fin, réalisé par la vanne thermostatique dans chaque local : réglage du débit d’eau.

> Solution 4 : le bâtiment dispose de circuits différents, mais comprenant chacun des locaux avec des besoins variables (par exemple, un circuit Nord et un circuit Sud, mais avec des occupations de locaux très variées).

A problème mixte, solution mixte : on associera les possibilités des solutions 2 et 3.

La chaudière prépare de l’eau chaude à haute température. Deux sondes extérieures, l’une au Nord, l’autre au Sud, permettront le réglage des températures au départ des deux circuits :

une température d’eau pour le circuit Nord,
une température d’eau pour le circuit Sud.

Mieux, la sonde au Sud sera complétée par une sonde d’ensoleillement qui « trompera » le régulateur : par exemple, s’il fait + 5° et qu’il y a plein soleil, la sonde dira au régulateur qu’il fait + 12° ! « Trompée », la vanne mélangeuse enverra de l’eau moins chaude au circuit Sud.

De plus, des vannes thermostatiques placées dans chaque local corrigeront la température, si nécessaire (si des occupants ou des ordinateurs fournissent de la chaleur, par exemple).

La vanne thermostatique ne constitue donc que le dernier maillon correcteur d’un ensemble d’équipements de régulation cherchant à apporter la chaleur au bon endroit, au bon moment, avec le bon niveau de température.

Types de régulateur : analogique et digital

Régulateur numérique et régulateur analogique.

Pour appliquer ces différents principes, il existe deux types de régulateurs sur le marché : des régulateurs analogiques (traditionnels) et des régulateurs numériques (encore appelée régulation digitale ou DDC, Direct Digital Control).

Toutes deux sont basées sur du matériel électronique. Mais la régulation analogique traite un signal électrique alors que la régulation numérique traite des signaux numériques, comme un ordinateur.

Vous avez dit « analogique » ?

Prenons un exemple : il existe un écart entre la demande d’une consigne (20°) et la mesure de la sonde de température (19°). Les deux valeurs sont introduites dans un comparateur électronique et l’écart en ressort sous forme d’un signal électrique. Il sera amplifié, limité par une valeur haute ou basse, puis envoyé vers le moteur de la vanne trois voies pour augmenter son degré d’ouverture. Un schéma de câblage bien précis correspondra à ce dispositif de régulation.

Vous avez dit « numérique » (ou « digitale ») ?

Le même problème, version numérique, entraînerait l’existence d’un bus de communication où toutes les sondes (input) seraient raccordées mais aussi la commande du moteur de la vanne trois voies (output). Toutes les 30 secondes les informations des inputs sont relevées et envoyées vers le régulateur. Le microprocesseur de celui-ci renferme un programme de calcul qui établit le mode de réponse en fonction d’une loi mathématique donnée et renvoie vers le bus un message d’ouverture adressé à la vanne trois voies. Dans cette vision « communicante » de la régulation, régulateur de chaudière et régulateur de vannes trois voies se parlent et synchronisent leurs actions.

Quelles différences ?

Le prix, diraient les mauvaises langues, fatigués de devoir toujours installer un matériel plus sophistiqué, plus performant bien sûr mais plus cher à l’achat et à l’exploitation, toute réparation devant se faire à l’extérieur. La situation est similaire à celle de l’informatique, toujours plus performante également : pourrait-on refuser cette évolution ?

Il est certain qu’avec une installation digitale, une modification de programmation est toujours possible sans modifier le câblage : ajouter une sonde de présence pour réguler l’installation en fonction de la présence effective des occupants, c’est simplement insérer sur le bus un nouvel input et modifier la programmation pour en tenir compte. Tout est possible puisqu’il s’agit de modifier la logique du programme. Il suffit de voir tous les paramètres accessibles sur un régulateur digital pour se rendre compte de ses possibilités (jusqu’à la limitation de la vitesse de remonte lors de la relance pour éviter les bruits de dilatation des tuyauteries, ou commutation automatique de l’heure d’été à l’heure d’hiver !) en régulation analogique, le circuit est figé une fois pour toutes par le câblage et le mode de programmation est unique pour le régulateur sélectionné.

Exemple.

en numérique, par exemple, des régulateurs complémentaires peuvent être installés pour améliorer la gestion d’une zone (disposant de son propre circuit). Par exemple, dans une école, un nouveau régulateur, communiquant avec les autres, peut se placer dans l’aile des primaires. La directrice pourra modifier la consigne de +/- 4°, sélectionner le type de fonctionnement (automatique, continu jour, continu arrêt), relancer le chauffage pour 2 ou 4 heures, le temps d’organiser la réunion de parents du soir.

Exemple : régulation analogique

On reconnaît :

Un régulateur de cascade de chaudière (6), agissant sur les chaudières et sur leur circulateurs propres, en synchronisme avec les régulateurs de départ des circuits secondaires. C’est d’ailleurs ceux-ci qui définissent la température de sortie de chaudière, en fonction de leurs besoins !
Un régulateur optimiseur pour les classes de la façade Nord (2).
Un thermostat d’ambiance pour la bibliothèque (12), disposant de sa propre programmation, puisqu’il dispose de son propre circuit.
Un régulateur optimiseur pour les classes de la façade Sud (11), qui dispose de sa sonde solaire en complément de la température extérieure communiquée par le régulateur au Nord. Un contact est utilisé pour la coupure de deux ventilateurs d’extraction situés dans la salle de sports située au Sud également.
Une vanne de zone deux voies (15D), commandée par un thermostat d’ambiance et par une horloge pour le réfectoire (usage limité).
Une vanne de zone deux voies (15E) pour les locaux administratifs, commandée par une simple horloge, étant entendu que la température de départ est régulée dès la sortie de chaudière. Des vannes thermostatiques sont présentes dans les locaux pour une régulation complémentaire. À noter qu’une soupape différentielle stabilise la pression des réseaux D et E et que le circulateur est coupé si les deux vannes de zone sont fermées.

Cette régulation paraît très adéquate aux besoins et très économique puisque deux vannes mélangeuses ont pu être évitées.

Deux améliorations possibles : un thermostat dans les locaux administratifs pour surveiller tout risque de gel (entre Noël et Nouvel An !), ainsi que le choix de circulateurs à vitesse variable sur les départs des circuits secondaires équipés de vannes thermostatiques.

Exemple : régulation numérique

Voici un deuxième exemple qui montre l’évolution de la régulation allant vers la mise en place d’un bus de communication où circulent les informations :

AI : Analogic Input, les entrées qui varient de façon continue (la sortie d’un capteur de température, par exemple).
AO : les sorties qui varient de façon continue (le signal pour attaquer le moteur d’une vanne trois voies, par exemple).
DI : Digital Input, les entrées qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (l’état on/off du thermique d’un circulateur, par exemple).
DO : Digital Output, les sorties qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (la commande marche/arrêt du premier étage de la chaudière, par exemple)

La régulation ne peut être comprise que par la description de la programmation du régulateur faite par le constructeur (reprise ci-dessous). Cette programmation peut être adaptée à la carte suivant les attentes du client.

Régulation Cascade chaudières

La production d’eau chaude est assurée par mise en cascade de 3 chaudières à deux allures. Cette mise en et hors service des allures de chauffe se réalise en séquence temporisable et en fonction des températures de départ/retour collecteur primaire et température extérieure et demande réelle des consommateurs secondaires(ECS, radiateurs, groupes de pulsion, … ).

Chaque chaudière est équipée d’origine de ses organes de sécurités et de commandes.

Un contrôleur de débit placé dans le départ de chaque chaudière empêchera son fonctionnement si l’irrigation n’est pas suffisante. Un pressostat manque d’eau vérifiera la présence suffisante d’eau dans l’installation et sera placé sur le collecteur primaire général. Ces points seront contrôlés par la régulation DDC , de même qu’un défaut de fonctionnement brûleur par chaudière. La pompe primaire est une pompe jumelée qui sera commandée par la régulation DDC qui en assurera également la permutation automatique.

Régulation Circuit ECS

La production d’eau chaude sanitaire est produite par charge de ballons d’eau chaude au moyen d’eau chaude venant du collecteur primaire et au travers d’un échangeur à plaques piloté par une vanne à 3 voies et d’un circulateur.

La température de l’eau chaude au secondaire de l’échangeur est mesurée par une sonde à plongeur avec doigt de gant en inox. En fonction de celle-ci, la régulation DDC agit sur le fonctionnement de la vanne à 3 voies motorisée primaire et du circulateur associé.

La demande d’eau chaude sanitaire est prioritaire sur le fonctionnement de la cascade des chaudières et est régie par un programme horaire au sein du régulateur DDC.

Régulation Circuits Radiateurs 1 à 6 :

Les radiateurs sont alimentés en eau chaude à partir de 6 circuits depuis le collecteur primaire. Chaque circuit est équipé dune vanne à 3 voies motorisée et d’un circulateur commandés par le régulateur DDC. Ce dernier reçoit les informations dune sonde extérieure et d’une sonde à plongeur placée sur le départ du circuit.

Les radiateurs sont équipés de vannes thermostatiques et ne comportent donc pas de régulation secondaire liée au régulateur DDC.

Les sondes de température extérieure seront au nombre de 4 afin de couvrir l’orientation des zones desservies. Cependant, chaque circuit sera réglé de manière indépendante (régime horaire, courbe de chauffe).

Régulation Circuit Aérothermes – salles de sports et réfectoire :

Les aérothermes des salles de sports et réfectoire (ARl/AR2/AR3) sont alimentés en eau chaude en direct à partir du collecteur primaire. Une pompe placée sur le départ du circuit permet d’acheminer l’eau chaude vers les aérothermes.

Une sonde de température ambiante par zone permet, via la régulation DDC, la mise en et hors service des ventilateurs des aérothermes et ce de manière individuelle.

La « GTC »

GTC ? … pour Gestion Technique Centralisée.

On parle aussi de « télégestion ».

La régulation de l’installation de chaque installation de chauffage repose sur les régulateurs locaux qui travaillent en autonomie et possèdent toute l’intelligence nécessaire à la conduite de l’installation. Par exemple, ce sont bien les régulateurs qui modifient la température de l’eau de chauffage en fonction de la température extérieure, qui commandent l’arrêt des circulateurs à partir d’une certaine température extérieure ou encore qui gèrent le ralenti nocturne par optimisation, ….

Les régulateurs doivent être des régulateurs « digitaux » (DDC). Tout au long de leur fonctionnement, ils stockent des informations provenant des différents équipements (températures ambiantes, températures extérieures, …). Si leur mémoire est insuffisante (régulateurs moins récents), elle sera transférée vers un ordinateur qui capitalisera ainsi les différentes données.

Notons que les régulateurs DDC peuvent aussi être interconnectés entre eux par bus, communiquer directement et s’échanger des données utiles à leur fonctionnement. Ils sont paramétrables indépendamment de la GTC, au moyen de leur boitier de dialogue propre (qui diffère d’une marque à l’autre). Leur réglage peut évidemment aussi être modifié via la gestion centrale, mais une panne de cette dernière ne doit pas perturber le bon fonctionnement des équipements.

Un superviseur exploite les données des différentes mémoires (via modem, bus de communication ou ligne téléphonique fixe) et communique de façon conviviale avec l’utilisateur. Celui-ci peut ainsi visualiser à distance les différents paramètres de fonctionnement de l’installation, les modifier, relevé des alarmes, … . Il est également possible d’établir des historiques de fonctionnement (courbe de température d’eau, de température ambiante, …), ce qui permet de repérer très rapidement un dysfonctionnement de l’installation (par exemple un mauvais fonctionnement d’un optimiseur, la détérioration d’une sonde, une mise en dérogation oubliée, …).

Exemple d’écrans de dialogue d’une GTC.

Menu d’accueil : vue en plan du site.

Fonctionnement des chaudières.

Fonctionnement des circuits secondaires.

Suivi des consommations.

En résumé, il existe deux types de systèmes de GTC :

Les systèmes dits « propriétaires » où tous les équipements (sondes, régulateurs, bus de communication) et protocole de communication doivent être de la même marque pour pouvoir communiquer entre eux. Chaque extension doit être de la marque choisie au départ et demande le plus souvent l’intervention de cette dernière pour reparamétrer le système.
Les systèmes plus ouverts qui se basent sur ce qui devient petit à petit des « standards » de communication. Ces systèmes permettent l’intégration d’un nombre plus important de points de contrôle autres que du chauffage ou de la climatisation (éclairage, contrôle d’accès, relevé de compteurs électriques, gestion de la pointe 1/4 horaire, …). Ils s’adaptent ainsi plus facilement à des bâtiments importants dont on veut faire une gestion globale. Ils permettent aussi de changer de marque de régulateur avec un minimum de reprogrammation, pour peu que le nouveau matériel respecte les mêmes standards.

Exemple de configuration d’une GTC utilisant des « standards » de communication.

Il est possible de raccorder ensemble :

Des équipements communicant suivant le standard LON ou le standard KONNEX (ex EIB, Batibus et EHS). Par exemple, la commande de l’éclairage, des stores, …
Des équipements gérés par un système propriétaire clairement liés à une marque de matériel. Par exemple, l’ensemble des équipements de chauffage.
Des régulateurs de chauffage compatibles ON ou KONNEX peuvent aussi être directement raccordés au réseau de communication.

Cela demande l’utilisation d’interface de communication et une programmation au niveau d’un système de supervision pour rendre l’ensemble compatible. Il y a encore peu de temps, cela semblait encore relativement ardu à mettre en œuvre, mais une standardisation semble petit à petit se développer via les standards « BACnet » ou « OPC ».

Schéma d’intégration de différents protocoles de communication au sein d’un système de gestion complet du bâtiment.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Calcul des déperditions et dimensionnement des installations de chauffage

Norme NBN EN 12831 (2003) et NBN B62 – 003

Norme NBN EN 12831 : 2003

La norme NBN EN 12831 : 2003 (Systèmes de chauffage dans les bâtiments – méthode de calcul des déperditions calorifiques de base) permet tant de calculer les déperditions calorifiques d’un bâtiment (dimensionnement des systèmes de chauffage) que d’un local (dimensionnement des corps de chauffe).

Méthode de calcul

La méthode de calcul est assez complexe.
En résumé, sur base de la détermination :

des données climatiques (températures externes données par la NBN B 62 – 003 en fonction de la situation géographique) ;
de la définition des espaces du bâtiment et de leur température interne (espaces chauffés, non chauffés hors gel, …) ;
et des données relatives au bâtiment comme les dimensions (surface d’échange de chaleur avec l’extérieur) et la composition des parois externes (valeur U en W/m².K) ;

le calcul détermine chacune des grandeurs suivantes :

Les déperditions de base perdue par transmission. Elles dépendent de la surface de toutes les parois du bâtiment entourant le volume chauffé, du coefficient de transmission thermique de celles-ci et des températures intérieures et extérieures correspondant à chaque local. On retrouve ce type de déperdition au travers :
- de l’enveloppe du bâtiment ;
- des espaces non chauffés ;
- des espaces adjacents ;
- du sol.

Les déperditions de base par ventilation. C’est la chaleur perdue par renouvellement d’air du bâtiment qui dépend du taux de ventilation et de l’inétanchéité du bâtiment. Pour simplifier, la norme propose de déterminer ceux-ci en connaissant le volume chauffé et en choisissant un taux de renouvellement d’air forfaitaire.

À ces déperditions de base (W), la méthode de calcul ajoute une surpuissance de relance lorsque le bâtiment est soumis à l’intermittence (coupure du chauffage de nuit).

Norme NBN B 62 – 003

Validité

La norme NBN B 62 – 003 est une norme qui date de 1986. Elle est totalement remplacée par la norme NBN EN 12831 : 2003.

De cette norme, on a principalement repris les températures extérieures de base qui sont propres au climat belge.

Température externe

Les installations de chauffage sont dimensionnées pour fournir un confort adéquat lorsque les conditions atmosphériques extrêmes. Ces dernières sont symbolisées dans la norme par la température extérieure de base. Il s’agit de « températures extérieures moyennes journalières qui, en moyenne, ne sont dépassées vers le bas que pendant un seul jour par an ». Elles sont données dans la norme en fonction de chaque commune de Belgique et doivent donc servir de référence pour le dimensionnement.

Températures extérieures minimales de base, en Wallonie.

Quelques données de base

Températures internes de base

Les températures internes de base sont fonction de l’activité menée dans les différents locaux repris ci-dessous.

Type de bâtiment ou d’espace	θ_int,i °C
Bureau individuel Bureau paysager Salle de réunion Auditorium Cafétéria/Restaurant Salle de classe Crèche Magasin Résidentiel Salle de bainÉglise Musée/Galerie	21 21 21 21 21 21 21 16 21 2415 16

Taux de renouvellement d’air

Le taux de renouvellement d’air est le nombre de renouvellements en volume/heure du bâtiment lorsqu’il est mis en surpression de 50 Pa. Cette valeur est déterminée, par exemple, lors d’un test de « blower door »).

Construction	Taux de renouvellement d’air pour le bâtiment entier, n50 h-1
	Degré d’étanchéité à l’air de l’enveloppe du bâtiment (qualité des joints de fenêtre)
	Élevé (joints des fenêtres et portes de haute qualité)	Moyen (fenêtres à double vitrage, joints normaux)	Bas (fenêtres à simple vitrage, pas de joints)
Maisons individuelles	< 4	4 – 10	> 10
Autres logements ou bâtiments	< 2	2 – 5	> 5

Surpuissance de relance

La surpuissance de relance dépend de plusieurs facteurs :

Le temps de relance.

La chute de température lors de l’intermittence de 12 heures. Plus le bâtiment est isolé et étanche, moins grande sera la chute de température et, par conséquent, moins grande sera la surpuissance de relance.

Temps de relance	f_rh W/m²
	Chute prévue de la température intérieure lors du ralenti
	2K			3K			4K
	Inertie du bâtiment			Inertie du bâtiment			Inertie du bâtiment
	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte
1 2 3 4	18 9 6 4	23 16 13 11	25 22 18 16	27 18 11 6	30 20 16 13	27 23 18 16	36 22 18 11	27 24 18 16	31 25 18 16

Le dimensionnement en pratique

Température dans les locaux non chauffés

En outre, lorsque le volume chauffé n’est par directement en contact avec l’extérieur, la norme propose de calculer une température équivalente dans le local adjacent à celui-ci. Ce calcul est quelque peu fastidieux. Il en va de même pour le calcul de la température du sol. Dès lors, on peut simplifier la démarche en utilisant les ordres de grandeur suivants :

Estimation des températures équivalentes dans les locaux non chauffés :
En rouge : surface de déperdition et température de consigne choisie dans le volume chauffé.
En bleu : température à considérer du côté « extérieur » de la surface déperditive.

Calculs

Pour estimer les déperditions de votre bâtiment et pour estimer la puissance de votre chaudière. Evitez d’utiliser ces outils comme des « boîtes noires », ces résultats sont intéressant à confronter au dimensionnement exact effectué par l’auteur de projet. Pour utiliser ce programme, il est nécessaire de connaître le coefficient de transmission thermique (k_j ou U_j) des différentes parois extérieures du bâtiment. En première approximation, une liste de parois types est reprise dans le programme de calcul.

Calculs

Pour les murs et les toitures, le coefficient de transmission thermique (kj ou Uj) peut être calculé précisément.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Remplacer par un chauffage gaz ou fuel ?

La démarche

Études de cas

Dans le home du CPAS de Gembloux « la Charmille », des accumulateurs statiques sont présents. La température intérieure a été mesurée autour des 25°C, jour et nuit.

La consommation de chauffage, après déduction de l’eau chaude sanitaire, se monte à 646 500 [kWh/an] pour un budget total de l’ordre de 55 000 [€/an] et une surface chauffée de 3 500 m².

L’économie financière résultant du remplacement par une installation au gaz a été estimée à 32 000 [€/an] (attention, le coût du chauffage électrique est « gonflé » suite au fait que 53 % de la consommation se réalise en chauffage direct).

La réduction des émissions de CO₂ serait de 28 % (alors que Kyoto en demande 7 seulement !)

Une installation de chauffage au gaz serait amortie dans un délai de 3 à 5 ans, suivant le coût des travaux.

La décision de remplacement vient d’être prise.

Les calculs réalisés pour préparer cette décision ont suivi la logique ci-dessous.

Déduire la consommation liée à la production d’eau chaude sanitaire

Si la facture comprend le chauffage électrique des ballons d’eau chaude, il faut retirer leur consommation de la consommation totale.

Une technique consiste à reprendre les consommations durant les mois d’été et d’extrapoler pour l’ensemble de l’année. On peut aussi estimer la quantité d’eau chaude sanitaire consommée à 60° :

X [m³/an] x 1,16 [kWh/m³.K] x (60 – 10) [K] = … [kWh/an]

Déduire les pertes par les ballons

Il est possible d’estimer les pertes d’énergie par les ballons de stockage.

Calculs

Pour évaluer les pertes des ballons de stockage.

Analyser la consommation de chauffage existante

consommation de chauffage = consommation totale – production d’eau chaude – pertes des ballons

Cette consommation est évaluée en kWh/an.

Remarque.

Nous avons supposé ici que la consommation était réalisée sur le tarif « exclusif nuit ». Si des résistances complémentaires sont enclenchées en relance de jour, il faut pouvoir en estimer l’importance, ce qui n’est pas aisé puisque les consommations peuvent être mélangées aux autres consommations électriques du bâtiment…

Dans le domaine domestique, une consommation moyenne de 4 000 kWh/an/ménage peut être prise en compte pour les consommations électroménagères. Mais pour le tertiaire ?

Sans doute, la meilleure méthode consiste-t-elle à multiplier le nombre de résistances d’appoint [kW] par le nombre d’heures [h] pour obtenir les [kWh] de chauffage complémentaires.

Normaliser la consommation en fonction d’une année type

Il ne faudrait pas que la décision d’investissement repose sur des chiffres de consommation d’une année particulièrement chaude ou froide. Il faut ramener la consommation à celle d’une année type moyenne.

La « règle de 3 » sera appliquée :

consom. moyenne = consom. année X x (Degrés-jours année moyenne / Degrés-jours année X)

Évaluer la demande thermique du bâtiment

La demande thermique est exprimée par :

demande = consommation moyenne x rendement de l’installation électrique

Pour le rendement d’un chauffage électrique, on peut prendre les valeurs moyennes de :

100 % pour du chauffage direct,
90 % pour du chauffage à accumulation dynamique,
80 % pour du chauffage à accumulation statique ou du chauffage électrique dans le sol.

À noter que l’on se situe du côté de la sécurité dans l’évaluation, car les rendements réels sont probablement 5 % à 10 % plus bas.

Remarque.

Si le fonctionnement actuel de l’installation génère de la surchauffe, la demande réelle du bâtiment peut être diminuée. On la diminuera de 7 % par degré de surchauffe moyenne journalière.

Attention, c’est une moyenne jour-nuit et non une surchauffe de pointe à 10h00 du matin.

Évaluer la consommation future du bâtiment

La consommation future est déduite de :

consommation = demande / rendement de l’installation au combustible

Une installation de chauffage au gaz ou au fuel moderne présente un rendement global annuel de 80 %, voire 85 % avec une chaudière gaz à condensation.

En divisant par 10 cette nouvelle consommation en kWh (c’est le pouvoir calorifique des combustibles), on obtient en première approximation le nombre de m³ de gaz ou de litres de mazout.

Études de cas

Il ya a quelques années le chauffage électrique du Centre d’Accueil de Bouge a été remplacé par une installation de chauffage par combustible.

Leur passer un coup de fil pour discuter de leur expérience ? (081 21 97 57).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la régulation du chauffage électrique

Remplacer le thermostat d’ambiance

Si la température intérieure a tendance à osciller (période de chaud et froid), c’est probablement parce que le thermostat est du type « tout ou rien ». On le remplacera avantageusement par un régulateur électronique équipé d’un différentiel très faible et travaillant par régulation proportionnelle (= il commence à diminuer l’intensité du chauffage à partir du moment où la température d’ambiance se rapproche de la consigne).

Il faut vérifier la position du thermostat qui n’est peut-être pas fidèle des besoins réels du local.

Concevoir

Pour plus d’informations sur les thermostats électroniques et leur emplacement.

Vérifier la gestion des batteries de chauffes terminales

Dans les bâtiments récents, vu l’isolation renforcée, les puissances de chauffage sont faibles. Pour limiter les coûts d’investissement, on est alors tenté d’installer un appoint électrique sur les unités terminales (bouches d’air, ventilo-convecteurs, …). Le courant utilisé étant forcément du courant de jour, il est très utile de vérifier la qualité de la régulation du chauffage des résistances :

point de consigne du thermostat,
gestion du niveau de préchauffe éventuelle, préchauffe commune à l’ensemble du réseau,
besoin de mettre en place d’une telle préchauffe par une batterie classique alimentée à l’eau chaude,
destruction d’énergie entre deux unités distinctes (chauffage de l’air de ventilation par la résistance de bouche et refroidissement du local par le plafond froid, par exemple)
…

Améliorer le régulateur de charge

Placer un régulateur de charge automatique en fonction de la température extérieure

Si vous disposez d’un régulateur manuel, vous ne pouvez demander que 3 niveaux de charge à votre appareil (bouton à 3 positions). Vu les incertitudes du climat de nos régions, par précaution, la position 3 risque d’être trop souvent adoptée, entraînant soit des surchauffes du local par pertes statiques, soit une prolongation de la durée de chauffe la nuit, sans utilité.

Le placement d’un régulateur de charge automatique en fonction de l’évolution de la température extérieure est très rentable : il mesure la température de la nuit et définit un niveau de charge (= une température de chauffage des noyaux) proportionnellement au froid mesuré.

Améliorer le réglage des paramètres de chauffe

D’expérience, les installateurs règlent les appareils de telle sorte que jamais leur client ne puissent se plaindre d’avoir froid. Autrement dit, ils favorisent une charge élevée. Il est donc utile de revoir les paramètres de cette régulation de telle sorte que, idéalement, « l’appareil soit froid en fin de journée ». Tout particulièrement si le bâtiment n’est plus occupé en fin de journée. Quitte à jouer de temps à autre avec la résistance directe d’appoint, si une réunion est programmée un soir…

En pratique, les réglages de base qui dépendent de la situation/orientation du bâtiment, des heures de libération de charge, etc… ont été faits par votre installateur. Vous disposez néanmoins du bouton de réglage « E2 », réglage dit « du début de charge ». C’est la température extérieure qui entraîne l’enclenchement de la charge la nuit. Le réglage-standard est « E2 = température de confort – 2°C ». Autrement dit, la charge s’enclenche s’il fait moins de 18° la nuit à l’extérieur ! c’est généralement trop élevé.

En cas d’excès de charge (pendant l’entre-saison, par exemple), corrigez le réglage E2 en le diminuant de 2°C.

En cas de charge insuffisante au contraire, corrigez le réglage E2 en l’augmentant de 2°C.
Il y a lieu de remarquer qu’une modification du réglage E2 n’aura un effet que le lendemain.

Mais bien d’autres paramètres sont réglables, comme E1 la température extérieure qui entraîne le niveau de charge maximal ou E4 le niveau de charge résiduel en fin de période (souvent trop élevé dans les accumulateurs en fonctionnement trihoraire). Le régulateur de charge est muni d’un dispositif sur lequel les multiples fonctions du régulateur sont affichables en permanence c.-à-d. que toutes les informations importantes peuvent être consultées, sans modifier la régulation.
Deux solutions :

Soit vous plongez dans l’interprétation des paramètres (pas évident au début…) et vous les modifiez (afin d’éviter les erreurs de réglage, nous vous conseillons de ne pratiquer des corrections que par petits pas).

Concevoir

Pour accéder à la signification des indications et des logiques de réglage.

Soit vous notez un maximum d’informations sur le fonctionnement (telle température ressentie en surface de l’appareil, à telle heure, avec telle température extérieure, avec tel ensoleillement), et vous contactez votre électricien pour qu’il optimalise les réglages.

Vérifier que l’appareil n’est pas en chauffage direct permanent

Les accumulateurs dynamiques peuvent être munis d’une résistance d’appoint qui fonctionne en direct.

En cas d’insuffisance de charge, il suffit d’enclencher l’interrupteur se trouvant sur le thermostat pour faire fonctionner la résistance d’appoint. La lampe témoin sur le thermostat indique que la résistance d’appoint est enclenchée. Le thermostat maintiendra dans ce cas la température au niveau voulu. Mais il ne faut laisser l’interrupteur de la résistance d’appoint enclenché qu’en cas de nécessité : l’électricité au tarif jour est plus chère qu’en tarif nuit.
Remarques.

Une sécurité en série avec la résistance d’appoint en bloquera le fonctionnement si l’accumulateur dispose encore d’une charge suffisante.
En tarification hors pointes les accumulateurs ne disposent pas de résistances d’appoint.

Bénéficier de la relance de jour

Si les appareils sont sous-dimensionnés, dans certains cas, une puissance complémentaire peut être mise à disposition pendant la journée (1 heure de relance diurne).

La puissance mise à disposition pour le chauffage est fournie par le distributeur d’électricité, grâce à un récepteur de télécommande centralisé.

Le distributeur peut vous informer à ce sujet.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation des pompes à chaleur

Fonctionnement monovalent

Dans un fonctionnement monovalent, la PAC représente l’unique producteur de chaleur et couvre tous les besoins en énergie de chauffage du bâtiment, c’est pourquoi la température maximale possible du système de chauffage est fonction de la température maximale autorisée en sortie du condenseur.

Fonctionnement bivalent

PAC domestique mono-énergétique

La partie centrale de ce genre d’appareils présente une unité compacte composée d’un compresseur et d’un condenseur aux dimensions réduites. Ce genre d’appareil se branche sur les réseaux de distribution de chaleur comme les chaudières classiques. Le but des fournisseurs est d’offrir aux acheteurs et aux installateurs une pompe à chaleur qui soit pour eux aussi simple d’utilisation que n’importe quel autre générateur de chaleur.

Fonctionnant en général avec l’air extérieur comme source froide, ces modèles sont universels et demandent des frais d’installation relativement limités (conduites d’amenée d’air,.). Ils peuvent donc être adaptés à des réseaux de distribution existants lors du remplacement d’une chaudière.

Un chauffage électrique d’appoint permet de couvrir les périodes de pointe. Cet appoint peut être constitué d’une résistance installée au départ du réseau de distribution. Ce fonctionnement « monoénergétique » engendre des frais d’investissement peu élevés, mais une dégradation du rendement énergétique.

Un enclenchement manuel est souvent moins gourmand en énergie qu’un enclenchement automatique. De plus, par grand froid, il vaut mieux renoncer à l’abaissement nocturne de la température afin d’éviter une forte demande d’énergie matinale (qui requiert une forte contribution de l’appoint électrique direct). C’est la qualité de la régulation qui diminue d’autant …

Fonctionnement bivalent-parallèle

On parle de fonctionnement bivalent lorsque, en plus de la PAC, un producteur de chaleur supplémentaire est à disposition (en général une chaudière). « Parallèle » signifie qu’en dessous du point de bivalence, les deux producteurs de chaleur travaillent parallèlement. Avec un point de bivalence situé à 50 % de la puissance de dimensionnement, 80 à 90 % du besoin annuel de chaleur peut être couvert par la pompe à chaleur. Les conditions suivantes doivent être remplies :

La température de retour maximale du système de chauffage ne doit pas dépasser la température maximale admise à l’entrée du condenseur.
La température de départ du système de chauffage ne doit pas excéder, au point de bivalence, la température maximale de sortie du condenseur.
Le système de raccordement hydraulique et les débits doivent être réglés de telle façon que la puissance puisse être délivrée à n’importe quelle phase du fonctionnement et que la température maximale admise de sortie du condenseur ne soit jamais dépassée.

Fonctionnement bivalent-alternatif

Le passage du point de bivalence entraîne la commutation d’un producteur de chaleur à l’autre. On obtient ainsi des conditions de fonctionnement clairement définies et facilement compréhensibles, ce qui n’est pas le cas pour le bivalent-parallèle. Ce système implique les conditions suivantes :

La température de départ du système de chauffage, au point de bivalence, ne doit pas dépasser la température maximale de sortie du condenseur.
Lors de la commutation, le producteur de chaleur superflu doit être chaque fois déconnecté du système hydraulique.
La commutation inverse s’effectue en respectant un écart de T° réglable (sécurité).

Régulation de l’accumulation de chaleur

Deux types d’accumulateur de chaleur

Le condenseur ne contient qu’une très faible quantité d’eau et son comportement ressemble à celui d’un chauffage instantané. Un accumulateur à la sortie du condenseur est donc souvent indispensable. On distingue l’accumulateur tampon, mal nécessaire pour garantir une fréquence d’enclenchement maximale admissible (avec une fréquence d’enclenchement trop importante, on risque une usure prématurée du matériel et la PAC ne donne pas ces meilleurs rendements), de l’accumulateur de chaleur, pour stocker de grandes quantités de chaleur sur une longue période. C’est bien de ce dernier dont nous discutons ici.

La commande et le réglage de la température de sortie du condenseur peuvent se dérouler de manière adaptée ou constante, cela dépend du mode de chargement :

> Dans le cas d’un chargement étagé, l’accumulateur est chargé par étapes, en plusieurs passages avec des températures de sortie du condenseur croissantes. L’avantage est de pouvoir travailler une partie du temps avec une température de sortie du condenseur assez basse, ce qui améliore le COP de la PAC.

Pour diminuer encore cette température en conservant un transfert de chaleur constant, on multiplie le débit par 2 pour autoriser un écart de température 2 fois moins important.

Cette augmentation du débit s’accompagne malheureusement d’un quadruplement des pertes de pressions. L’accumulateur ne peut pas être chargé avec une température finale exacte. Celle-ci varie selon les différences de température choisie à travers le condenseur.

> Lors d’un chargement par stratification, l’accumulateur est chargé en un passage et de manière stratifiée avec une température de sortie du condenseur constante et une différence de température entre l’entrée et la sortie du condenseur variable. La température de consigne du chargement peut être choisie avec précision.

Cette valeur peut être définie selon les conditions météorologiques. Comme la température de sortie du condenseur est constamment élevée, le COP sera moins bon que pour le chargement étagé.

Une fois choisi le type d’accumulateur et le mode de chargement, il faut définir trois points essentiels :

La différence de température dans le condenseur, qui détermine le débit et la consommation de courant de la pompe du condenseur.
Le point d’enclenchement, mesuré par la sonde supérieure de l’accumulateur et permettant de savoir si l’accumulateur est « vide », ce qui provoque l’enclenchement de la pompe à chaleur.
Le point de déclenchement, mesuré par la sonde inférieure de l’accumulateur (ou sonde dans le circuit de retours vers la pompe à chaleur permettant de savoir si l’accumulateur est « plein », ce qui provoque le déclenchement de la pompe à chaleur).

En outre, on peut également prévoir une régulation supplémentaire permettant, en fonction des conditions météorologiques :

L’enclenchement et le déclenchement étagé ou par stratification.

Le réglage de la température de charge en cas de chargement par stratification.

Les dispositifs de sécurité

Différents dispositifs de sécurité veillent au maintien de conditions d’exploitation admissibles :

pressostats Haute (1) et Basse (2) Pression pour le contrôle des valeurs limites dans le condenseur et l’évaporateur,
thermostat de surveillance de la température des gaz chauds (3),
soupapes de sécurité, points ou membranes de rupture assurant la protection contre les explosions ou les surpressions extrêmes,
thermostat de protection du bobinage (klixon) contrôlant la température du moteur électrique (4),
pressostats de sécurité pour la pression de l’huile (5) destinée à la lubrification,
déshydrateur assurant une protection contre l’humidité et les impuretés dans le fluide (6),
regard sur le passage du fluide (7),
thermostat de protection antigel évitant l’apparition de givre sur l’évaporateur (8),
dispositif de surveillance des flux pour protéger l’évaporateur contre le danger de gel et le condenseur contre le danger de surchauffe (9),
bypass « gaz chaud » pour la protection contre le gel dans les PAC air/eau (A),
bypass de détente pour démarrage (B).

Ces dispositifs de sécurité doivent absolument fonctionner comme organe de sécurité et jamais comme organe de commande. Une plage suffisamment grande doit toujours être maintenue entre les valeurs de consigne de la commande/régulation et les valeurs du système de sécurité.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Vannes thermostatiques

Principe de fonctionnement

Eléments d’une vanne thermostatique :

Sonde de température ou bulbe thermostatique (poche de gaz).
Poignée de réglage pour fixer le point de consigne.
Tige de transmission.
Ressort de rappel.
Clapet de réglage.

Généralement, la sonde de température (ou bulbe thermostatique) est logée dans la poignée de la vanne. Cette sonde est composée d’un liquide, d’un gel ou d’un gaz qui se dilate ou se contracte en fonction de la température qui l’environne.

Des repères de consigne sont repris sur la poignée de la vanne (*, 1, 2, 3, 4, 5). En général, la consigne 3 correspond à plus ou moins 20°C et *, au maintien « hors gel ».

La position du clapet de réglage est déterminée par l’équilibre entre la poche de gaz et le ressort de rappel : lorsque la température mesurée est inférieure au point de consigne, le bulbe thermostatique se contracte, le ressort entraîne une ouverture du clapet de réglage et le débit est augmenté dans le radiateur. L’inverse se produit quand la température mesurée est trop élevée.

Les erreurs de manipulation courantes

Comprendre ce principe de fonctionnement, c’est éviter les erreurs de manipulation :

Exemples.

Dans un local inoccupé, la consigne des vannes thermostatiques a été réglée sur *. À l’arrivée des occupants, le chauffage ne sera pas relancé plus rapidement si l’on met la consigne sur 5 que sur 3. En effet, dans les deux cas, le bulbe thermostatique mesure un écart de température important entre sa consigne et la température ambiante et le clapet de réglage de la vanne est ouvert en grand. Le risque, en plaçant la consigne de température sur 5, est de chauffer le local en permanence à 24°C, voire plus.

Dans un local occupé, l’expérience des occupants montre que la bonne température est atteinte avec une consigne de 3. Un jour, la température intérieure est insuffisante. Dans ce cas, cette dernière ne sera par améliorée si la consigne est mise sur 4. En effet, s’il fait trop froid alors que la consigne n’a pas été modifiée, la vanne est déjà ouverte en grand et le débit dans le radiateur est déjà maximal. Le coupable n’est donc pas la vanne mais plutôt la régulation centrale qui, par exemple, envoie de l’eau trop froide. Mettre la vanne sur 4 n’augmentera pas le débit du radiateur. Par contre, lorsque la régulation centrale sera corrigée, le local sera surchauffé.

Le raisonnement inverse est aussi valable : si, subitement, il fait trop chaud (par exemple, à cause de l’ensoleillement), mettre la vanne sur 1 ne changera rien puisque le clapet de la vanne est en principe déjà fermé. Par contre, si on laisse les vannes sur cette consigne, la relance matinale ne pourra se faire puisque les clapets se fermeront rapidement.

En conclusion

Une vanne thermostatique n’est pas un interrupteur. La consigne d’une vanne doit être réglée à la température de consigne voulue par les occupants. À partir de ce moment, la vanne va travailler toute seule pour maintenir cette consigne.

Mettre la vanne sur 5 ou sur 1 si on a trop froid ou trop chaud ne sert à rien et risque de conduire à une surconsommation ou à un inconfort.

Quelle consigne ?

Ou pourquoi la plupart des vannes ne sont-elles pas graduées en °C (16, 18, 20, 22, 24°C) ?

Tout dépend de la capacité de la vanne à mesurer de façon fidèle la température ambiante du local. La vanne est inévitablement influencée par la chaleur dégagée par le radiateur, par la température de son eau, par le rayonnement froid d’un mur, …

De plus, assurer 20°C en hiver demande le passage de plus d’eau chaude qu’assurer 20°C en mi-saison. Du moins si la température de l’eau de chauffage n’est pas régulée en fonction de la température extérieure.

C’est ainsi que 20°C de température ambiante correspondra à une consigne de 3 pour une vanne, à une consigne de 2,5 pour une autre, à une consigne de 3,5 pour une troisième. D’une manière générale, la consigne de base assurant le confort dans des bureaux, des classes, … est de l’ordre de 3.

Emplacement des vannes thermostatiques

Les vannes thermostatiques doivent mesurer une température la plus représentative de la température réelle du local. La tête de la vanne, comprenant l’élément thermostatique, ne doit pas être échauffée par le corps de chauffe. On peut repérer comme influences parasites :

les coins de murs,
l’air chaud s’élevant des tuyauteries ou du radiateur,
un radiateur épais,
des tablettes ou caches décoratifs,
des tentures,
…

Si les conditions adéquates ne sont pas réunies, il sera nécessaire d’utiliser des vannes thermostatiques avec bulbe à distance.

Positionnements incorrects et corrects d’une vanne thermostatique.

Types de vanne thermostatique

Ci-dessus est présenté le fonctionnement d’une vanne thermostatique de base dont le réglage de la consigne est laissé à l’entière responsabilité de l’occupant du local.

Les vannes peuvent présenter des fonctionnalités complémentaires. On retrouve ainsi :

	Modèle standard avec sonde thermostatique et réglage libre incorporés.
	Modèle avec sonde thermostatique séparée (pouvant être placée à distance) et réglage libre incorporé.
	Modèle standard avec sonde thermostatique séparée (pouvant être placée à distance) et réglage libre à distance.
	Modèle à horaire programmable : une résistance électrique sur pile et commandée par horloge trompe la vanne qui se referme en période d’inoccupation.
	Modèle avec préréglage du débit pour équilibrer les différents radiateurs.
	Modèle institutionnel avec bague antivol (l’organe de fixation n’est pas accessible à l’occupant) et blocage de la plage de réglage.
	Modèle institutionnel avec réglage bloqué et inaccessible pour l’occupant.

Coût des vannes

Voici l’ordre de grandeur de prix des équipements de régulation des locaux, prix catalogue, HTVA.

Pour les vannes thermostatiques, il faut rajouter un coût d’environ 10 € pour le corps de vanne (qui doit de toute façon exister) ou 15 € pour un corps de vanne avec organe d’équilibrage intégré.

Description	Prix approximatif € HTVA
Élément thermostatique standard	13 .. 18
Élément thermostatique avec bulbe à distance	24
Élément thermostatique institutionnel	25
Élément thermostatique institutionnel avec bulbe à distance	31
Élément thermostatique institutionnel avec environnement critique	30
Élément thermostatique avec bulbe et réglage à distance	65 .. 70
Élément thermostatique programmable	117
Régulation de température ambiante par vanne 2 voies
Régulateur digital de température ambiante avec horloge	180
Servomoteur	52
Corps de vanne 2 voies ( 3/4’’ )	15
Montage mural, avec sonde à distance	160

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Circulateurs [Chauffage]

Les pompes in-line et les circulateurs à rotor noyé

Dans les installations de chauffage, on peut retrouver 2 types de circulateurs :

Les circulateurs à rotor noyé se retrouvent dans toutes les installations. Ils sont montés directement sur la tuyauterie. Le moteur est, en partie, directement refroidi par l’eau de l’installation. Ils sont sans entretien et de coût modeste. Leur rendement est cependant faible mais une partie de leur perte est récupérée par l’eau de chauffage.

Les pompes in-line sont aussi directement montées sur la tuyauterie mais le moteur n’est plus refroidi par l’eau du réseau de chauffage. Elles sont pourvues d’une garniture mécanique qui sépare la pompe du moteur. Le refroidissement est assuré par un ventilateur. Les pompes in-line se retrouvent principalement dans les grandes installations de chauffage ou dans les installations de refroidissement pour lesquelles la perte du moteur devient une charge calorifique supplémentaire à compenser.

Circulateur à rotor noyé et pompe in-line (les deux types de circulateur existent en version électronique).

Courbes caractéristiques

Les performances des circulateurs sont répertoriées sous forme de courbes caractéristiques reprises dans la documentation des fabricants. Attention, les données ainsi reprises sont le résultat de mesures qui, faute d’une normalisation en la matière, peuvent différer d’un fabricant à un autre.

On retrouve, dans les courbes caractéristiques, la hauteur manométrique totale (en mCE ou en bar) que peut fournir le circulateur en fonction du débit, pour chaque vitesse possible du circulateur.

On peut retrouver en parallèle, la puissance électrique absorbée par le moteur, soit sous forme de graphe pour chacun des points de fonctionnement possibles, soit sous forme de tableaux, pour chaque vitesse. Dans ce dernier cas, il est difficile de savoir à quel point de fonctionnement correspond cette puissance (est-ce ou non pour la zone de rendement maximal ?). Il n’y a pas de norme et chaque fabricant peut adopter une règle différente.

Courbes caractéristiques d’un circulateur électronique. On y repère les courbes de régulation (ici, diminution linéaire de la hauteur manométrique avec le débit) et pour chaque point de fonctionnement, on peut établir la puissance électrique absorbée. On y repère les courbes caractéristiques correspondant au régime de ralenti (de nuit). Rem : P1 correspond à la puissance électrique absorbée par le moteur, P2, à la puissance transmise par le moteur à la roue et P3, à la puissance transmise à l’eau.

Courbes caractéristiques d’un circulateur standard à 3 vitesses.

Vitesse	P1 [W]	I_n [A]
3	960	1,8
2	590	1,05
1	250	0,47

Puissance et courant nominal absorbés par le circulateur en fonction de sa vitesse.

Les circulateurs standards

On entend par « circulateur standard », un circulateur à rotor noyé dont la vitesse de rotation est réglée manuellement et reste fixe quelles que soient les conditions d’exploitation de l’installation.

On retrouve des circulateurs à 1 ou plusieurs vitesses (3 ou 4), équipés d’un moteur monophasé ou triphasé.

Circulateur à trois vitesses.

Courbes caractéristiques d’un circulateur à 3 vitesses.

Certains circulateurs (c’est valable également pour les circulateurs électroniques) peuvent être équipés d’une coquille isolante sur mesure qui diminue ses déperditions calorifiques.

On peut également y joindre un « display » permanent qui permet de visualiser en temps réel les caractéristiques électriques de fonctionnement telles que la puissance absorbée, l’ampérage, la consommation et les heures de fonctionnement, …

Circulateur équipé d’un module d’affichage des caractéristiques de fonctionnement.

Les circulateurs électroniques ou à vitesse variable

Les circulateurs électroniques ou « à vitesse variable » sont des circulateurs dont la vitesse peut être régulée en continu en fonction de la variation de pression régnant dans le circuit de distribution.

Circulateur avec convertisseur de fréquence intégré.

La régulation de vitesse est intégrée directement dans le circulateur. Elle se fait par cascade d’impulsions pour les petits circulateurs ou au moyen d’un convertisseur de fréquence (technologie semblable à celle utilisée en ventilation) pour les circulateurs de plus de 200 W.

Mode de régulation

Lorsque sous l’effet d’apports de chaleur gratuits, les vannes thermostatiques (où les vannes 2 voies de zone) se ferment, la pression dans le réseau augmente avec une influence néfaste sur le fonctionnement des vannes restées ouvertes.

Les circulateurs électroniques vont automatiquement adapter leur vitesse en fonction de la fermeture des vannes de régulation (donc en fonction des besoins thermiques). Deux types de régulation sont possibles dans ce type d’équipement :

soit la vitesse de rotation du circulateur est adaptée automatiquement pour maintenir la pression constante dans le circuit, quel que soit le degré d’ouverture des vannes des régulations,

soit la vitesse de rotation du circulateur est adaptée automatiquement en fonction de l’ouverture des vannes de régulation, en diminuant de façon linéaire la pression du circuit. Cette deuxième option est énergétiquement plus intéressante. En effet, si des vannes thermostatiques se ferment, le débit circulant dans le réseau diminue, entraînant une baisse des pertes de charge dans les tronçons communs. Le circulateur peut donc diminuer sa hauteur manométrique,

soit la vitesse est commandée par la température extérieure ou la température de l’eau. Dans les installations à débit constant (sans vanne thermostatique), la régulation du circulateur diminue linéairement la pression du circulateur quand la température de l’eau véhiculée diminue. Ce type de régulation peut être utilisée pour accélérer la coupure et la relance de l’installation (notamment pour un chauffage par le sol).

Utilisation d’un circulateur à vitesse variable : le circulateur diminue sa vitesse automatiquement pour assurer le maintien d’une pression différentielle constante en un point choisi du réseau. La solution de la prise de pression entre le départ et le retour en un point du circuit n’est pas standard pour les circulateurs à rotor noyé. La plupart de ceux-ci ne sont, en fait, pas équipés de prises de pression. Le régulateur interne à l’appareil travaille en fonction d’une mesure du courant absorbé, image de sa hauteur manométrique.

Evolution du débit du circulateur lorsque les vannes thermostatiques se ferment : le point de fonctionnement passe de B à A. Si on diminue la vitesse du circulateur en maintenant une pression constante dans le réseau : le point de fonctionnement passe de B à D. La consommation électrique du circulateur étant proportionnelle à la surface (hauteur manométrique x débit) diminue proportionnellement au débit.

Evolution du débit du circulateur, si on diminue la vitesse du circulateur en diminuant linéairement la pression dans le réseau : le point de fonctionnement passe de B à E. La consommation électrique du circulateur étant proportionnelle à la surface (hauteur manométrique x débit) diminue proportionnellement au débit.

Théories

Pour en savoir plus sur la régulation de vitesse des circulateurs en fonction de la fermeture des vannes thermostatiques.

Régime jour/nuit

Certains circulateurs électroniques permettent également la programmation d’un régime jour et d’un régime nuit. Cette dernier correspond à une vitesse de rotation fortement réduite.

Pour les circulateurs électroniques traditionnels, la commande du régime de nuit se fait par la régulation centrale de l’installation. Pour les nouveaux circulateurs à aimant permament, la régulation est intégrée au circulateur. Celui-ci diminue sa vitesse s’il mesure, en son sein, une baisse de température d’eau de 10 .. 15°C pendant 2 h. Il revient au régime normal si la température de l’eau augmente d’une dizaine de degré.

Programmation et visualisation des paramètres

Les circulateurs électroniques peuvent être programmés par télécommande infrarouge : mode et paramètre de régulation.

Ces télécommandes permettent en outre un contrôle des paramètres de fonctionnement des pompes : hauteur monométrique, débit, vitesse de rotation, température de l’eau véhiculée, puissance absorbée, … .

Coût

Le coût d’un circulateur électronique dépend de la puissance installée : pour les circulateurs de moins de 200 W, la différence de prix, par rapport à un circulateur traditionnel est faible (de l’ordre de 40 %). dès 250 W, la variation de vitesse implique plus que le doublement du prix.

Prix des circulateurs de la marque « x » (à titre indicatif).

Les circulateurs à moteur synchrone ou à aimant permanent

Les circulateurs traditionnels sont équipés d’un moteur électrique asynchrone ayant un rendement souvent médiocre.

Il existe maintenant sur le marché des circulateurs à rotor noyé équipé d’un moteur synchrone à commande électronique.

Roue et moteur d’un circulateur à moteur synchrone.

Nous ne disposons actuellement pas d’information neutre concernant les performances énergétiques de ce type de matériel. De l’avis des différents fabricants, ce type de moteur couvrira dans quelques années tout le marché.

Exemple.

Pour un point de fonctionnement de 10 m³/h et 6 mCE, voici la puissance électrique absorbée, mentionnée par les catalogues de la marque x, pour deux circulateurs de la même taille :

Circulateur électronique standard (ancienne génération)	470 W
Circulateur électronique à aimant permanent	380 W

Soit une économie de 20 %.

Pour un point de fonctionnement de 15 m³/h et 5 mCE, voici la puissance électrique absorbée, mentionnée par les catalogues de la marque y, pour deux circulateurs de la même taille :

Circulateur électronique standard (ancienne génération)	570 W
Circulateur électronique à aimant permanent	420 W

Soit une économie de 26 %. Notons que dans ce deuxième exemple, en plus du moteur, la configuration hydraulique de la roue du circulateur a également été optimalisée pour augmenter le rendement.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation des chaudières

Régulation par aquastat

Les chaudières sont systématiquement équipées d’un aquastat de sécurité. Il mesure la température de l’eau de la chaudière et se déclenche sur une élévation anormale de température de l’eau à la sortie.

Beaucoup d’anciennes chaudières sont régulées directement par un deuxième aquastat réglable manuellement qui commande directement le brûleur de la chaudière pour maintenir une température constante au départ de la chaudière.

Cet aquastat peut être situé sur le collecteur de départ raccordé à la chaudière. Il peut aussi être raccordé à un régulateur à étages pour commander en cascade un brûleur 2 allures ou à une régulateur PI ou PID pour commander un brûleur modulant.

Avec ce mode de régulation simplifié, la température des chaudières et du circuit primaire reste constante toute l’année. Il s’applique aux chaudières qui doivent être maintenues à haute température pour éviter les risques de condensation.

Ces chaudières ne supportent généralement pas des températures de retour inférieures à 55 .. 60°C, températures qui sont possibles lorsque les circuits secondaires sont régulés en fonction de la température extérieure.

Pour éviter cela, une pompe de recyclage vient puiser de l’eau dans le départ pour réchauffer le retour. Le débit recyclé est ainsi de l’ordre du tiers du débit nominal de la chaudière.

Deux techniques de recyclage peuvent être utilisées :

Régulation en fonction de la température extérieure (régulation en température glissante)

On parle de régulation en température glissante de la chaudière ou de régulation climatique.

Une sonde mesure la température extérieure (appelée sonde extérieure). Un régulateur définit la température que doit avoir l’eau au départ de la chaudière en fonction de celle-ci. La loi qui établit la correspondance entre la température extérieure et la température de l’eau est appelée « courbe de chauffe ».

Par exemple : pour une température extérieure de 3°C, la température de l’eau sera de 70°C.

La courbe de chauffe est réglable sur le régulateur. Elle dépend de la température de confort souhaitée, du niveau d’isolation du bâtiment et du surdimensionnement des corps de chauffe.

L’intérêt de ce type de régulation est de diminuer la température moyenne de la chaudière sur l’ensemble de la saison de chauffe (elle sera de l’ordre de 40 .. 45°C) et d’améliorer son rendement saisonnier.

Il n’est applicable qu’aux chaudières « très basse température » dont la température d’eau peut descendre sans provoquer de condensations préjudiciables. Il est également possible de fixer une limite basse (par exemple, 50°C) en-dessous de laquelle, la température de l’eau ne peut pas descendre pour protéger la chaudière. Au-dessus de cette température, la température d’eau est fonction de la température extérieure.

Courbe de chauffe avec limite basse à 50°C.

Régulation par thermostat d’ambiance

Ce mode de régulation est appliqué pour les installations de petite puissance (installation sans circuit primaire, avec un unique circuit de distribution dans le bâtiment).

Un thermostat d’ambiance placé dans un local témoin commande directement la mise en route du brûleur. Il peut aussi commander en parallèle le fonctionnement du circulateur de l’installation, avec une temporisation (il faut une circulation dans la chaudière au démarrage du brûleur et le circulateur évacue la chaleur de la chaudière à l’arrêt).

Ce mode de régulation ne peut s’appliquer qu’aux chaudières pouvant fonctionner à basse température. En effet, on peut schématiser l’évolution de la température dans la chaudière comme suit :

Lors de la relance matinale, le thermostat d’ambiance enclenche le fonctionnement du brûleur, la température de l’eau augmente dans la chaudière, en parallèle de la température ambiance. En général, la chaudière atteindra sa température maximale (fixée par son aquastat) avant que la consigne du thermostat ne soit atteinte. La relance se fait donc à puissance maximale, ce qui est favorable à une relance rapide et économe en énergie.

Lorsque la température intérieure de consigne est atteinte, le brûleur est coupé. la température dans la chaudière diminue. Cette diminution s’accompagne d’une diminution de puissance des corps de chauffe, jusqu’au moment où le thermostat d’ambiance est en demande. Le brûleur se remet en route et la température de l’eau augmente de nouveau jusqu’à ce que le thermostat soit satisfait, et ainsi de suite.

La chaudière va finalement se stabiliser à une température d’eau moyenne dépendant de la puissance à fournir par les corps de chauffe et donc dépendante des conditions climatiques. En mi-saison, cette température risque d’être basse, ce qui impose d’utiliser une chaudière « très basse température ».

On obtient donc une « simili régulation en température glissante ».

Régulation de plusieurs chaudières ou de brûleurs à plusieurs allures en cascade

La régulation en cascade s’applique à des installations équipées de plusieurs chaudières ou de brûleurs à deux allures (fuel ou gaz), c’est-à-dire à des installations dont la puissance totale est fractionnée en plusieurs unités.

Elle consiste à n’enclencher un étage de puissance que lorsque celui-ci est nécessaire.

Principe de fonctionnement

Régulation en cascade de 3 chaudières. Ici la cascade se fait suivant le principe « première allumée – première arrêtée » qui permet d’équilibrer naturellement les temps de fonctionnement de chaque chaudière.

Un régulateur climatique ou un aquastat à température constante fixe une température d’eau à fournir.

Au démarrage, le premier étage de puissance s’enclenche (première allure du brûleur ou première chaudière). Si après un certain temps programmable, la consigne de température n’est pas atteinte, un deuxième étage de puissance vient en complément (deuxième allure du brûleur ou deuxième chaudière), puis un troisième si nécessaire.

Lorsque la température de consigne est dépassée, un premier étage de puissance s’arrête (par exemple, le premier allumé). Si après un certain temps, la consigne est toujours dépassée, un deuxième étage s’arrête également. Si la température descend en dessous de la consigne, un étage complémentaire est réenclenché.

La puissance mise en œuvre suit ainsi les besoins. En effet, si la petite puissance est suffisante pour maintenir la consigne (en mi-saison), les autres étages ne seront pas enclenchés.

Exemple.

Dans le cas de deux chaudières équipées chacune d’un brûleur 2 allures, on dispose de 4 étages de puissance qui peuvent s’enclencher suivant la séquence :

chaudière 1, allure 1
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 2, allure 2

ou la séquence :

chaudière 1, allure 1
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 2

La première solution a l’avantage de limiter la nombre de démarrages de brûleur à « froid », synonymes de mauvaises combustions transitoires. Par contre, elle ne favorise pas le fonctionnement des brûleurs en première allure, c’est-à-dire avec le meilleur rendement de combustion.

Le compromis peut donc être trouvé dans la description faite par le cahier des charges type 105 de la Régie des bâtiments (1990) où on recommande que l’enclenchement se fasse suivant la séquence :

chaudière 1, allure 1
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 2, allure 2

et le déclenchement suivant la séquence :

chaudière 2, allure 2
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 1, allure 1

Intérêt

L’intérêt de la régulation en cascade se situe au niveau de :

L’adaptation au plus juste la puissance mise en œuvre aux besoins thermiques du bâtiment, de manière à obtenir un temps de fonctionnement des brûleurs le plus long possible. En effet, plus le temps de fonctionnement d’un brûleur est long par rapport au temps d’utilisation d’une chaudière meilleur sera son rendement (diminution du temps d’attente de la chaudière et donc de ses pertes à l’arrêt (augmentation du facteur de charge) et diminution des émissions polluantes associées au démarrage des brûleurs).
Dans le cas de plusieurs chaudières régulées en cascade : l’élimination des pertes à l’arrêt des chaudières non nécessaires en arrêtant leur irrigation à l’arrêt du brûleur par fermeture automatique d’une électrovanne et l’arrêt du circulateur de la chaudière si elle en possède un.

Dans le cas de brûleurs 2 allures : l’augmentation du rendement de combustion. En effet, en petite allure, la puissance du brûleur diminuant par rapport à la surface d’échange, les fumées sont évacuées plus froides vers la cheminée et donc les pertes par les fumées diminuent. Un gain de 2 .. 2,5 % sur le rendement de combustion peut être obtenu lorsque la puissance du brûleur est de l’ordre de 60 .. 70 % de la puissance de la chaudière.

On l’aura compris, la régulation en cascade des chaudières peut améliorer le rendement saisonnier de l’installation de production de chaleur.

Exemple.

Un bâtiment nécessite une puissance de chauffage de 800 kW.

Voici le temps de fonctionnement simulé du(des) brûleur(s) en fonction du découpage de la puissance choisi, pour une durée de la saison de chauffe de 5 800 heures/an :

Nombre de chaudières	Type de brûleur	Temps de fonctionnement du (des) brûleur(s) à chaque allure [h/an]
1 de 800 [kW]	1 allure	2 009 (all 1 : 800 [kW])
1 de 800 [kW]	2 allures (60 % / 100 %)	2 754 (all 1 : 480 [kW])		374 (all 2 : 800 [kW])
2 de 400 [kW]	2 allures (60 % / 100 %)	4 210 (ch 1 – all1 : 240 [kW])	417 (ch 1 – all2 : 400 [kW])	1 725 (ch 2 – all1 : 240 [kW])	40 (ch 2 – all2 : 400 [kW])

Voici le rendement saisonnier de l’installation obtenu avec différentes combinaisons de chaudières, en fonction des pertes à l’arrêt de celles-ci. Les hypothèses prises pour la simulation sont :

une puissance de chauffe non surdimensionnée,
un rendement de combustion de 92% en grande allure de brûleur et de 94% en petite allure,
une séquence de régulation de la cascade suivant l’ordre : « chaudière 1, petite allure, puis chaudière 2, petite allure, puis chaudière 1, grande allure, puis chaudière 2, grande allure ».

Calcul du rendement saisonnier de la production de chaleur en fonction du choix de la combinaison de chaudières.

L’écart affiché entre les différentes solutions s’accentue lorsque l’installation est surdimensionnée (ici on a dimensionné la ou les chaudières au plus juste) et que les chaudières présentent des pertes à l’arrêt importantes (par exemple, pour les chaudières gaz atmosphériques).

On constate que, théoriquement, posséder plusieurs chaudières régulées en cascade mais qui restent irriguées en permanence ne sert quasi à rien d’un point de vue énergétique (si on ne tient pas compte de la production d’imbrûlés et autres émissions polluantes).

L’écart de rendement saisonnier entre les différentes solutions s’amenuise lorsque les pertes à l’arrêt des chaudières diminuent (arrêt de la circulation d’air dans la chaudière à l’arrêt et isolation performante). Il peut même devenir nul ou négatif en fonction des conditions de fonctionnement. La différence est de moins de 0,5 % sur la consommation annuelle pour des chaudières modernes à faibles pertes à l’arrêt, équipées d’un brûleur 2 allures.

En pratique

Voici différents modes de régulation possibles :

Décalage des aquastats de chaudière

Ce mode de régulation est souvent appliqué sur d’anciennes installations et n’apporte quasi pas d’économie.

Il s’agit de décaler la consigne de l’aquastat de chaque chaudière, de quelques degrés (par exemple 80°C pour une chaudière et 70°C pour l’autre).

Ordre d’enclenchement des chaudières avec une régulation de cascade basée sur des aquastats de départ.

Lorsque les besoins thermiques deviennent importants (par exemple à la relance matinale), la température dans les chaudières va chuter en dessous de 70°C. Le brûleur des deux chaudières va donc s’enclencher.
Lorsque les besoins vont diminuer, la température dans les chaudières va augmenter. Lorsqu’elle dépasse 70°C, une première chaudière s’arrête. Si elle dépasse 80°C, la deuxième chaudière s’arrête. Si la température retombe en dessous de 80°C, seule cette dernière chaudière va démarrer. Si malgré le fonctionnement de celle-ci, la température d’eau continue à chuter en dessous de 70°C, la deuxième chaudière va venir au secours de la première.

Ce système présente un avantage : il ne demande pas l’adjonction d’un régulateur particulier puisque l’on travaille avec les aquastats des chaudières.

Par contre il présente trois inconvénients majeurs, qui le rendent quasi inintéressant d’un point de vue énergétique :

Il impose l’irrigation permanente de toutes les chaudières. On perd donc un des intérêts de la régulation en cascade : la suppression des pertes à l’arrêt des chaudières non nécessaires.
La température de départ est faible si la puissance demandée est élevée et élevée si la puissance demandée en faible. Même si les vannes mélangeuses corrigent le tir par après, c’est une situation énergétiquement défavorable.
Les aquastats doivent avoir des consignes suffisamment décalées sous peine de voir les chaudières fonctionner en parallèle et non en cascade. En effet, si la température de retour des circuits descend en dessous de la température de consigne de la chaudière à l’arrêt, le brûleur de cette dernière s’enclenchera d’office puisqu’il mesurera une température de chaudière trop basse.

Régulation en fonction de la température de départ du collecteur

Ce mode de régulation est le plus courant.

Ici, on mesure la température commune à toutes les chaudières, sur le départ du collecteur (ne pas placer la sonde entre les chaudières). Ceci a comme avantage de permettre l’arrêt de l’irrigation des chaudières à l’arrêt et donc de diminuer les pertes.

Le fonctionnement de la cascade peut être géré par des relais temporisés ou un programmateur électronique qui enclenchent et déclenchent les différentes chaudières.

Coffret de gestion de cascade analogique.

Les nouveaux régulateurs gèrent de façon « intelligente » l’enclenchement des chaudières. Par exemple, en fonction de la courbe d’évolution de la température de l’eau par rapport à la consigne, le régulateur prendra ou non la décision d’enclencher une nouvelle chaudière, évitant ainsi tout enclenchement de courte durée.

Régulation en fonction de la température de retour du collecteur

Lorsque les besoins en chauffage augmentent, la température de retour diminue, à débit d’eau constant.

Lorsque la température de retour chute, la chaudière suivante de la séquence est enclenchée.

Exemple.

Prenons une chaufferie composée de 3 chaudières dimensionnées pour un régime de température 90°/70°. La différence entre le départ et le retour est de 20°C lorsque les besoins sont maximaux.

Si la température de départ est maintenue en permanence à 90°C, on peut déterminer la température de retour qui correspond à la puissance de chaque étage de la cascade :

20 [°C] / 3 [chaudières] = 7 [°C]

Une chaudière est nécessaire lorsque la température de retour est supérieure à :

90 [°C] – 7 [°C] = 83 [°C]

Deux chaudières sont nécessaires lorsque la température de retour est comprise en 83 [°C] et :

90 [°C] – 7 [°C] – 7 [°C] = 76 [°C]

En dessous de 76 [°C], la troisième chaudière s’enclenche.

Si la température de départ du collecteur est régulée en fonction de la température extérieure, la consigne de retour à maintenir, varie également.

Notons qu’avec une régulation en cascade en fonction de la température de retour, en absence de besoin, la température circulant dans la boucle primaire sera égale à la température de retour (70°C). Par contre cette température sera égale à la température de départ (90°C) dans le cas d’une régulation en fonction de la température de départ, ce qui est plus défavorable d’un point de vue énergétique.

Régulation en fonction de la chaleur fournie

Il existe également des régulateurs de mise en cascade qui se basent sur la quantité de chaleur fournie aux utilisateurs, par exemple, en mesurant les temps de fonctionnement des brûleurs.

Les chaudières modulaires

Les chaudières sont quasiment raccordées en série : si la température demandée au départ du collecteur n’est pas atteinte, la deuxième chaudière est enclenchée (ouverture de la vanne d’isolement et mise en route du circulateur). L’eau préchauffée dans la première chaudière transite alors dans la deuxième chaudière.

On peut ainsi associer une série de chaudières sur un même collecteur.

Une des caractéristiques de ce système est que la température demandée au départ du collecteur est toujours inférieure à la température maximale des chaudières puisque l’eau chaude issue de (des) la chaudière(s) est en permanence mélangée avec une partie de l’eau froide issue des retours vers le collecteur.

Un fonctionnement correct de ce type d’installation est assez aléatoire. Il demande donc un dimensionnement minutieux des différentes parties.

Précautions

Idéalement, pour fonctionner correctement, une régulation en cascade des chaudières doit comprendre :

Isolation hydraulique des chaudières à l’arrêt

Le principal intérêt de la cascade repose sur l’élimination des pertes à l’arrêt des chaudières non nécessaires. Pour cela, l’irrigation de ces chaudières doit être stoppée au moyen d’une vanne d’isolement motorisée (2 ou 3 voies). Si chaque chaudière possède son propre circulateur de charge, l’arrêt de celui-ci n’est pas suffisant. En effet, il ne faut pas négliger le débit qui peut circuler au travers d’un circulateur à l’arrêt, du fait de la pression différentielle présente dans l’installation. Une vanne d’isolement motorisée ou un clapet anti-retour complémentaire est donc nécessaire.

L’arrêt de la circulation dans les chaudières à l’arrêt a également un intérêt au niveau du bon fonctionnement de l’installation. En effet, si on maintient « ouvertes » les chaudières à l’arrêt, de l’eau de retour transitent par celles-ci et puis se mélange à l’eau chaude de départ, ce qui perturbe la régulation puisque l’on n’atteint plus la température désirée.

Vannes d’isolement à ouverture lente

L’isolation hydraulique d’une chaudière à l’arrêt est la plupart du temps réalisée par une vanne motorisée d’isolement à 2 voies. Cette vanne est généralement à vitesse lente. A la mise en route, on évite ainsi un choc thermique dans une chaudière froide subitement alimentée par des retours chauds. De plus, quand la chaudière est froide, on évite d’injecter brutalement de l’eau froide dans l’installation.

Vanne d’isolement motorisée.

C’est la fin de course de la vanne d’isolement donne l’autorisation de mise en route du brûleur, ce qui permet :

à la chaudière de se réchauffer progressivement au contact de l’eau chaude de l’installation,
à une chaudière ne pouvant pas travailler en très basse température de démarrer sans condenser, puisque la température de l’eau au démarrage du brûleur sera déjà supérieure à 60°C.

Cette précaution n’est pas nécessaire pour certaines chaudières à forte capacité en eau (qui peuvent fonctionner à débit nul) avec lesquelles, il est possible de mettre la chaudière en température avant l’ouverture de la vanne.

Lorsque chaque chaudière possède sa pompe de charge, il est conseillé d’enclencher la pompe avant l’ouverture de la vanne d’isolement pour éviter une perturbation dans le réseau, consécutive à l’injection brutale du débit total de la chaudière.

Temporisation à l’enclenchement

Lors de la mise en service d’une chaudière, on ne peut quasiment pas éviter une baisse de température de l’eau d’alimentation des circuits, ce qui pose des problèmes pour le régulateur de la cascade. Celui-ci à tendance à compenser cette baisse de température par la mise en route d’une chaudière supplémentaire (qui aggravera encore plus la situation). Une temporisation adéquate doit être prévue, sinon on risque de voir s’enclencher inutilement plus de chaudières que nécessaire et faire ainsi chuter le rendement saisonnier de l’installation.

La temporisation de mise en marche des chaudières dépend de leur inertie thermique. Elle peut être réglée à :

3 .. 10 minutes pour les chaudières peu inertes,
10 .. 30 minutes pour une chaudière à forte capacité en eau.

Chaudière équipée d’un by-pass de recyclage maintenant une température de retour minimale vers la chaudière.

Dans le cas de chaudières équipées d’un by-pass de recyclage avec circulateur, on peut éviter ce problème en mettant en marche le brûleur de la chaudière et le circulateur avant l’ouverture de la vanne d’isolement. Lorsque la température de retour minimale pour la chaudière est atteinte, la vanne d’isolement commence à s’ouvrir. Ce fonctionnement évite un refroidissement brutal de la température d’alimentation des circuits et facilite le contrôle de la cascade en évitant les enclenchements intempestifs de chaudières. L’inconvénient est que, durant sa remontée en température, la chaudière passe par une courte période pendant laquelle elle condense, ce qui peut être préjudiciable à certaines chaudières fonctionnant au fuel.

Evacuation de la chaleur résiduelle de la chaudière

Lorsqu’une chaudière est mise hors circuit, la circulation d’eau est maintenue pendant le temps nécessaire au dégagement de la chaleur accumulée dans la chaudière. Ce temps de circulation varie entre 2 et 15 minutes selon l’inertie thermique de la chaudière. Généralement cette temporisation est assurée par la vanne motorisée d’isolement dont le temps de fermeture est d’environ 5 minutes, ce qui est parfois insuffisant, notamment pour les chaudières à forte inertie.

On peut aussi imaginer que la vanne ne se referme que lorsque la température mesurée à la sortie de la chaudière est égale à la température de retour commune. Attention, dans ce cas, il y aura, au départ du collecteur une chute progressive de la température de départ puisque celle-ci sera le résultat d’un mélange entre de l’eau en provenance de la chaudière en fonctionnement et de l’eau de retour transitant par la chaudière à l’arrêt. La temporisation à l’enclenchement des chaudières doit permettre tout redémarrage intempestif de la chaudière mise à l’arrêt.

Pour les chaudières de forte puissance, la vanne motorisée d’isolement peut être modulante et se fermer progressivement pour maintenir la température de sortie à une valeur choisie. Cela permet d’évacuer la chaleur accumulée dans la chaudière sans perturber la température d’alimentation du réseau.

Inversion de l’ordre de cascade

L’ordre d’enclenchement des chaudières dans la cascade peut être modifié pour assurer un nombre équivalent d’heures de fonctionnement de chaque chaudière (rem : la circulation est généralement maintenue permanente dans la première chaudière de la cascade).

L’inversion de l’ordre de cascade peut être modifié manuellement, à l’aide d’une horloge ou de façon cyclique par un module d’inversion automatique inclus dans le régulateur.

Les avantages de l’inversion sont :

la réduction de l’encrassement de la chaudière qui serait sollicitée en permanence,
la non-déterioration de la chaudière qui serait maintenue à l’arrêt durant une longue période.

Ce principe d’inversion ne prévaut cependant pas :

pour les chaufferies composées comprenant une chaudière traditionnelle et une chaudière à condensation. Cette dernière doit en permanence être prioritaire car elle présente toujours un meilleur rendement utile..
pour les chaufferies composées de chaudières de puissance différentes. Dans ce cas l’enclenchement des chaudières dépendra de l’ampleur des besoins à satisfaire.

Fonctionnement prioritaire en première allure

Lorsque l’on dispose de plusieurs chaudières équipées de brûleurs 2 allures, on a tout intérêt à favoriser l’ordre d’enclenchement suivant (par exemple, pour 2 chaudières) :

chaudière 1, allure 1
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 2

plutôt que :

chaudière 1, allure 1
puis chaudière 1, allure 2
puis chaudière 2, allure 1
puis chaudière 2, allure 2

En effet, la première solution augmente le temps de fonctionnement des brûleurs en première allure, allure qui présente un meilleur rendement de combustion (2 à 2,5 % de gain entre la première et la deuxième allure).

Commutation automatique en cas de défaut

Si une chaudière ne peut démarrer pour un défaut de son brûleur ou de sa pompe, l’appel automatique à une autre chaudière permet de ne pas interrompre le service.

Interdiction de fonctionnement d’une chaudière en fonction de la température extérieure

Cette fonction permet de ne pas appeler systématiquement toutes les chaudières au moment des remontées en température et d’éviter des démarrages de trop courte durée en mi-saison.

Par exemple, si à chaque relance, toutes les chaudières sont mises en route, les chaudières devenues inutiles en journée mettront un temps certain à se refroidir. Elles présenteront ainsi des pertes à l’arrêt qui se rapprocheront d’une installation dont toutes les chaudières sont en permanence irriguées.

Attention cependant quand l’installation comprend un optimiseur pour gérer le ralenti nocturne. En effet, celui-ci sera perturbé s’il compte sur une puissance constante à la relance.

Limitation basse de la puissance des brûleurs en première allure

Les fabricants de chaudières définissent, par rapport à chaque chaudière, une puissance minimale en dessous de laquelle un brûleur ne peut pas descendre. Cette puissance est généralement de 60% de la puissance nominale de la chaudière. La raison de cette exigence est d’éviter les risques de condensation des fumées. En effet plus la puissance de la flamme est petite par rapport à la surface d’échangeur, plus les fumées pourront se refroidir jusqu’à ce qu’elles atteignent leur température de condensation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Dimensionner le chauffage électrique

Appareils de chauffage direct

Pour un appareil de chauffage direct, le dimensionnement est relativement simple : la puissance de chauffe P (kW) doit être au moins égale aux déperditions calorifiques Pn, déperditions normalisées calculées suivant la NBN B62-003.

On prévoit un léger surdimensionnement pour pouvoir atteindre plus rapidement la température de confort lors de la mise en température : P = 1,1 à 1,5 Pn, à moduler d’après le type de local. Par exemple : living 10 %, chambre à coucher 20 %, salle de bains 50 %.

Ce surdimensionnement n’entraîne que peu de conséquences énergétiques si la régulation de l’appareil est suffisamment précise et rapide.

Appareils de chauffage à accumulation

Un dimensionnement en puissance et en capacité de stockage.

Le dimensionnement présente un double aspect :

d’une part, il faut déterminer la puissance électrique des résistances Pe,

d’autre part, il faut choisir un noyau accumulateur capable d’accumuler et de restituer l’énergie calorifique Q nécessaire au cours de 24 heures.

Cette fois, le surdimensionnement de l’appareil peut porter à conséquence puisqu’une charge de nuit excessive entraînera des pertes par les parois supplémentaires. Sauf si une régulation précise limite cette charge. Le surdimensionnement entraîne alors seulement un investissement inutile.

Les besoins énergétiques Q [kWh] sont déterminés à partir des déperditions calorifiques du local, diminuées des gains thermiques gratuits provenant des apports énergétiques internes ou externes (éclairage, machines, soleil, … ). Pour un local du type « séjour », on démontrera plus loin que Q = 20 x Pn, [kWh].

La puissance électrique théorique des résistances PE [kW] doit être suffisante pour produire l’énergie requise Q en tenant compte du nombre d’heures de charge disponibles de nuit comme de jour : Q = PEx t (t = durée totale de charge).

La taille du noyau doit être adaptée à la quantité de chaleur à accumuler par cycle de 24 h et à la demande de chaleur (puissance calorifique à délivrer en fonction du schéma horaire de charge et de décharge de l’appareil).
En pratique, le dimensionnement des accumulateurs se fera de préférence suivant la méthode décrite dans la norme CEI, Publication 531, appendice B. Cette méthode est basée directement sur les mesures de performance d’accumulateurs décrites dans la même norme et effectuées au calorimètre.

Nous en reprenons ci-dessous la logique, car elle est suivie par les installateurs électriciens.

A. Informations préliminaires, comme données de base des calculs

L’utilisateur donne un profil quotidien de la demande de chaleur.
Les déperditions nettes résultantes Pr sont calculées comme égales à la Puissance normalisée Pn (suivant la NBN B62-003) diminuée des gains thermiques gratuits Pg.
Le programme Journalier de charge est donné par le distributeur d’électricité.
Le constructeur des appareils donne les caractéristiques de réponse de ses appareils (P)

B. Méthode de calcul

1. Profil journalier de la température du local concerné

Exemple pour le secteur de l’hébergement :

Diagramme de la température journalière.

2. Calcul de la demande de chaleur journalière

Les déperditions nettes résultantes Pr sont calculées comme égales à la Puissance normalisée Pn (suivant la NBN B62-003) diminuée des gains thermiques gratuits Pg

Exemple : Pn = 1 000 W, Pr = Pn – Pg

Demande de chaleur journalière.

A tout instant, la puissance de restitution P de l’appareil doit au moins être égale à Pr. Dans l’exemple, le cas le plus défavorable a été examiné, c-à-d. en supposant des gains thermiques Pg = 0 pendant la journée (d’où une puissance de chauffe P = 1 kW). Pendant la nuit, le facteur d’abaissement de Pr est de 0,56, dû aux diminutions des déperditions par abaissement de la température, fermeture des rideaux, stores, etc. ainsi que par diminution du taux de ventilation.

Du graphique de demande de chaleur, résulte la quantité totale journalière Q requise pour chauffer le local :

Q = Q_jour + Q_nuit = 15 [h] x Pn + 9 [h] x 0,56 x Pn

Q = 15 [h] x 1 [kW] + 9 [h] x 0,56 [kW]

Q = 20 kWh ou Q = 20 [h] x Pn

On parlera d’une durée nominale de chauffe tn égale à 20 heures.

Remarques

La valeur de 0,56 est arbitraire, elle arrondit simplement les calculs et d’obtenir un stockage égal à 20 h de fonctionnement à la puissance nominale (c.-à-d. la puissance par – 10°C extérieurs).

Le même raisonnement, appliqué au secteur tertiaire (bureaux) génère un stockage égal à 18 heures de puissance nominale (TN = 18 h).

Le choix d’annuler les gains gratuits de la journée va surdimensionner l’appareil.

Pour un local présentant des déperditions calorifiques de 1 000 W par une température extérieure de – 10°C et une température intérieure de 20°C, tout en tenant compte de 5 K de chaleur gratuite (base des calculs de consommation par la méthode des degrés-jours 15/15), Q se calcule comme suit :

Q = 24 [h] x 1 [kW] x ((20 – 5) – (- 10) / (20 – (10))

Q = 20 kWh

3. Diagramme journalier de charge ou de mise à disposition de l’alimentation des accumulateurs

Supposons les indices suivants :

1 = tarif de nuit
2 = tarif jour hors-pointes
0 = pas de charge autorisée

Appelons :

durée totale nuit = t1
durée totale jour hors-pointes = t2

> Exemple 1 : 9 heures de charges (accumulation classique).

Accumulation classique.

> Exemple 2 : 8 h + 1 h de charges (accumulation classique avec relance).

Accumulation classique avec relance.

> Exemple 3 : 7 h + 9 h de charges (accumulation hors-pointes).

Accumulation hors-pointes.

4. Calcul de la puissance électrique théorique des résistances PE

PE = Q / (t1 + t2)

Pour l’exemple 1 : Pe1 = 20 kWh / 9 h = 2,22 kW
Pour l’exemple 2 : Pe2 = 20 kWh / 9 h = 2,22 kW
Pour l’exemple 3 : Pe3 = 20 kWh / 16 h = 1,25 kW

5. Détermination du facteur accumulateur fs

Pour comprendre ce que signifie ce facteur accumulateur, partons d’un cas imaginaire : le noyau se charge totalement, puis se décharge pendant 20 heures (hébergement) ou 18 heures (bureaux). La capacité d’accumulation devrait être égale à Q.

En réalité, la charge se fait en parallèle avec la décharge : à peine l’accumulateur monte en température, que déjà il se décharge partiellement par ses parois. En pratique, il ne devra donc stocker qu’une fraction de Q. Cette fraction est appelée FS.

Notre appareil imaginaire avait un FS = 1 et un appareil direct aura un FS = 0, puisqu’il se décharge aussi vite qu’il se charge.

Les facteurs accumulateurs standard en Belgique sont déterminés par les distributeurs d’énergie électrique :

exclusif nuit (9 h de charge) –> FS = 0,75
exclusif nuit + relance diurne (8 h + 1 h de charge) –> FS = 0,67
trihoraire (7 h + 9 h de charge hors pointe) –> FS = 0,35

6. Sélection de l’appareil dans le catalogue des fournisseurs

Le constructeur donne la réponse de ses appareils, pour un facteur accumulateur et un type de noyau donnés.

Exemple 1 : Accumulation classique 9 h (FS = 0,75)

Type de Noyau	Résistance Pr [kW]	Puissance normalisée couverte Pn, si TN = 18 h	Puissance normalisée couverte Pn, si TN = 20 h
A	2	1,0	0,9
B	3	1,5	1,35
C	4	2,0	1,8

Exemple 2 : Accumulation hors-pointes 7 h + 9 h (FS = 0,35)

Type de Noyau	Résistance Pr [kW]	Puissance normalisée couverte Pn, si TN = 18 h	Puissance normalisée couverte Pn, si TN = 20 h
A	1,3	1,15	1,05
	1,6	1,30	1,20
B	1,8	1,60	1,44
	2,4	2,10	2,07
C	2,7	2,40	2,16
	3,2	2,75	2,45

Application : supposons que le local à chauffer présente des déperditions Pn (parois + ventilation) calculée à 1,15 kW. Il s’agit d’une occupation permanente (hébergement) donc TN = 20 h.

En raccordement exclusif nuit, l’appareil choisi sera un noyau de type B, équipé d’une puissance électrique réelle de 3 kW.

En raccordement hors-pointes, l’appareil choisi sera un noyau de type A, équipé d’une puissance électrique réelle de 1,6 kW.

Accumulation dans le sol

Le chauffage par accumulation électrique de nuit dans le sol nous paraît tellement inadapté dans la construction d’aujourd’hui qu’il ne nous paraît pas utile d’en décrire ici le dimensionnement.

Nous renvoyons cependant le lecteur intéressé à l’ouvrage cité ci-dessous, qui décrit très précisément la méthode de dimensionnement.
(Source : d’après « Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique » – Communauté de l’Electricité – CEG).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer les corps de chauffe

Thermographie

Thermographie de 2 façades.
A gauche avec les radiateurs devant les allèges non isolées
et à droite devant une allège isolée.

Isoler les allèges derrière les radiateurs

La perte de chaleur à travers une paroi extérieure est multipliée par 2 si elle se trouve derrière un radiateur. On a donc intérêt à augmenter l’isolation de cette partie de paroi. Si la place le permet (il faut laisser un espace de 3 cm entre le radiateur et la paroi), il est recommandé de coller sur la face intérieure une plaque isolante de 2 cm d’épaisseur, recouverte d’une feuille d’aluminium.

Exemple.

Reprenons l’exemple suivant :

Avec la présence du radiateur, une allège composée d’un mur plein de 24 cm (ancienne construction) perd sur la saison de chauffe (pour 1 m² de paroi) :

2,6 [W/m²K] x 1 [m²] x (24 [°C] – 6 [°C]) x 5 800 [h/an] / 0,7
= 388 [kWh/an] ou 39 [litres fuel ou m³ gaz/an]

où :

2,6 [W/m²K] = le coefficient de transmission thermique (k ou U) du mur de brique non isolé
24 [°C] = température moyenne intérieure au dos du radiateur durant la saison de chauffe
6 [°C] = température moyenne extérieure durant la saison de chauffe (région de Mons)
5 800 [h/an] = durée de la saison de chauffe
0,7 = le rendement global de l’installation de chauffage existante

Si on place un isolant de 0,5 cm recouvert d’une feuille d’aluminium au dos du radiateur (collé au mur), le coefficient de transmission thermique (k) du mur passe à 1,4 W/m²K et la perte devient :

1,4 [W/m²K] x 1 [m²] x (24 [°C] – 6 [°C]) x 5 800 [h/an] / 0,7 = 208 [kWh/an]

L’économie est donc de 180 kWh/m².an (environ 18 litres de fuel par m² ou 4 €/an), ce qui rentabilise rapidement l’investissement consenti (environ 3 €/m²).

Exemple.

Il est très intéressant de supprimer les allèges vitrées
(surtout ici constituées de simples vitrages) par des panneaux opaques isolants.

Diminuer la température des chauffages à air chaud

Les corps de chauffe favorisant le transfert de chaleur par convection (bouche d’air chaud, convecteur, ventilo-convecteur, aérotherme, …) provoquent une stratification des températures (principalement dans les locaux de grande hauteur) et surchauffent ainsi inutilement la partie haute du local. Cette stratification est d’autant plus importante que la température de l’air et donc de l’eau d’alimentation du système est importante.

On a donc tout intérêt à diminuer au maximum la température de l’eau alimentant les convecteurs ou les batteries d’air chaud. Avec une limite : ne pas créer d’inconfort par courant d’air trop frais.

Dégager les corps de chauffe

Tous les éléments enveloppant un corps de chauffe (tablettes, alcôves décoratives, livres ou vêtements que l’on dépose sur les radiateurs, tentures recouvrant les corps de chauffe) sont des entraves à l’émission de chaleur. En soi, cette entrave ne provoque pas une consommation complémentaire mais risque de conduire à un inconfort.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’inconfort lié aux émetteurs.

Si cet inconfort pousse les gestionnaires à augmenter la température de l’eau de l’installation et peut-être à surchauffer certaines zones du bâtiment, cela va évidemment à l’encontre de l’efficacité énergétique.

Mais où se trouve le corps de chauffe…?

On a donc toujours intérêt à éliminer tous les obstacles présents sur les corps de chauffe.

L’émission d’un radiateur ne sera guère altérée si les dimensions des niches suivantes sont respectées :

Dimension minimales à respecter pour les cache-radiateurs :
3 [cm] < a1 < 5 [cm]
a2 > 2 [cm]
10 [cm] < b1 = c1
b2 = c3 = p et
6 [cm] < b2 = c3 = p < 12 [cm]
c2 = h

Placer des déstratificateurs

Dans les ateliers de grandes hauteurs, des ventilateurs de déstratification peuvent être placés pour renvoyer l’air chaud vers le bas et homogénéiser la température du local.

Ouille, ça est haut, chef !

–> le chauffage des radiateurs monte en toiture…

…d’où l’usage d’un ventilateur de déstratification.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Comprendre la sensation de froid liée aux corps de chauffe

Entraves à l’émission de chaleur

Désordres

Tout ce qui fait obstacle au transfert de chaleur entre le radiateur et le local rendra difficile le maintien de températures acceptables :

Un meuble, un rideau ou des objets quelconques (livres, …) peuvent nuire à la circulation naturelle de l’air autour de l’élément chauffant.

Les radiateurs peuvent être cachés par une boite décorative n’offrant pas assez d’ouvertures pour le passage de l’air. Il arrive aussi que le dessus de la boite soit obstrué par divers objets.

Le registre d’un convecteur peut être en position fermée.

Solutions

On enlève ce qui nuit à la libre circulation de l’air. Dans le cas des boites de recouvrement, celles-ci doivent être munies d’un maximum d’ouvertures surtout au bas et sur le dessus; elles ne doivent pas servir de tablettes.

En période froide, les registres des convecteurs doivent être ouverts au maximum. Il serait utile d’en expliquer le fonctionnement à l’occupant.

L’émission d’un radiateur ne sera guère altérée si les niches respectent les dimensions minimales suivantes :

Dimension minimales à respecter pour les cache-radiateurs :
3 [cm] < a1 < 5 [cm]
a2 > 2 [cm]
10 [cm] < b1 = c1
b2 = c3 = p et
6 [cm] < b2 = c3 = p < 12 [cm]
c2 = h

Mauvaise circulation de l’eau dans les émetteurs

Désordres

La vanne d’admission de l’eau chaude peut être fermée et même bloquée dans cette position. Le corps de chauffe est alors complètement froid, alors que la conduite d’alimentation sur laquelle il est raccordé est chaude.

De l’air peut s’être accumulé dans l’élément chauffant et empêche l’eau d’y circuler librement. Cela se caractérise par des bruits d’écoulement dans les radiateurs et par une répartition inégale des températures sur sa surface : un radiateur sera froid dans sa partie supérieure et chaud dans sa partie inférieure.

Solutions

Si une vanne d’admission (manuelle ou automatique) est fermée, il faut l’ouvrir et en expliquer le fonctionnement à l’utilisateur. Si la vanne d’admission d’eau est brisée ou difficile à utiliser, il est préférable de la remplacer.

On purge les éléments chauffants de l’air qu’ils contiennent. Attention cependant, si de l’air est présent dans de nombreux émetteurs, purger implique de compenser l’air évacué par un ajout d’eau pour maintenir une pression correcte. Si la présence d’air est un problème récurrent de l’installation, il faut absolument en chercher la cause et y remédier. En effet la présence d’air et l’ajout systématique d’eau (agressive car contenant de l’oxygène) est source de corrosion interne pour l’ensemble de l’installation.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les causes de présence d’air dans une installation, cliquez ici !

Un sous-dimensionnement des émetteurs

Lorsque les émetteurs ont été dimensionnés suivant la même règle (par ailleurs erronée) des « W/m³ », il est possible que les émetteurs des locaux comprenant plus de parois (murs, plafond, plancher) en contact avec l’extérieur soient sous-dimensionnés.

Indice : température d’entrée et de sortie de l’émetteur

Si les températures d’entrée et de sortie des émetteurs du local incriminé (température d’eau que l’on peut mesurer sur les tuyaux au moyen d’un thermomètre de contact ou un thermomètre infra rouge) sont identiques que celles des émetteurs des autres locaux sans problème, alors il y a de fortes chances que l’on soit en présence d’un sous-dimensionnement des émetteurs. Attention cette mesure doit se faire avec toutes les vannes ouvertes (thermostatiques ou manuelles).

Mesure de la température d’entrée et de sortie d’un radiateur.

Si l’écart de température est nettement plus grand, cela indique plutôt un manque de débit (déséquilibre). Si l’écart est nettement plus petit, c’est du côté de la présence d’air dans l’émetteur qu’il faudra regarder.

Vérification de la puissance installée

Si on connaît la puissance nominale des radiateurs installés, on peut comparer celle-ci aux déperditions du local.

La meilleure solution est de recalculer ces déperditions suivant la norme NBN B62-003 et de comparer les résultats à la puissance installée.

Calculs

Pour évaluer la puissance de radiateurs existants

Calculs

Pour estimer les déperditions d’un local

Ces déperditions sont en fait les pertes de chaleur maximales au travers des parois (murs, plafond, plancher) en contact avec l’extérieur ou des locaux non chauffés auxquelles on ajoute les pertes par ventilation.

Attention aux mauvaises solutions

Si l’inconfort dans un local provient d’un manque de puissance des émetteurs. La seule solution est de remplacer le radiateur.

Il est peu utile et même dangereux d’augmenter le débit du circulateur dans l’espoir d’augmenter la puissance d’un radiateur. En effet, si le radiateur fonctionne déjà à sa puissance nominale, une augmentation de débit dans celui-ci n’augmentera la puissance que de façon minime (une augmentation de débit de 150 % n’entraîne qu’une augmentation de puissance de 7-8 %).

Émission d’un radiateur [en % de la puissance nominale], en fonction du débit [en % du débit nominal] lorsque le radiateur est alimenté à sa température nominale.

Par contre ceci risque de déséquilibrer l’installation et entraîner une diminution de débit et de puissance plus importante chez d’autres utilisateurs, ce qui peut s’accompagner de nouvelles plaintes.

La présence d’une paroi froide non compensée

La présence de parois froides dans un local sera source d’inconfort pour l’occupant, principalement par grands froids. Cet effet peut être marqué pour les places de travail situées près de simples vitrages, d’un mur non isolé, …

C’est pour compenser cet effet que l’on place généralement les émetteurs devant les murs extérieurs et en allège de fenêtre.

Si le manque de chaleur est accompagné de fluctuations de température

Les ventilo-convecteurs très peu inertes chauffent l’ambiance uniquement par convection.
Chaque demande de chauffage (généralement commandée par un thermostat d’ambiance placé dans le local) entraîne une montée en température très rapide de l’air ambiant. Inversement, la chute de la température sera rapide dès la commande d’arrêt du thermostat.

Cette situation conduit à des fluctuations de température (alternance de périodes fort chaudes et fort froides) qui sont d’autant plus importantes que :

la puissance de l’émetteur est surdimensionnée par rapport aux besoins réels (puissance à vérifier donc),

le différentiel du thermostat (différence de température commandant l’enclenchement et le déclenchement de l’appareil) est grand.

Évolution dans le temps de la température intérieure en fonction du différentiel de température du thermostat et du degré de surdimensionnement des émetteurs.

Un première amélioration peut ainsi consister en la diminution de la vitesse du ventilateur, ce qui aura pour effet de diminuer la puissance émise.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Comprendre la sensation de froid liée à la distribution

Déséquilibre de l’installation

« Il fait toujours froid dans le bureau situé au bout du couloir ».

Si on a vérifié que l’émetteur (radiateur, convecteur) de ce bureau était correctement dimensionné, il est fort à parier que le problème se situe au niveau du débit d’eau chaude qui parvient jusqu’à ce local.

Circulateur trop petit ?

Bien que cela puisse arriver, il est rare qu’un circulateur soit insuffisant ou que cette insuffisance soit la cause d’un inconfort. En effet :

Émission d’un radiateur (en % de la puissance nominale), en fonction du débit (en % du débit nominal) lorsque le radiateur est alimenté à sa température nominale. Par exemple, si le débit chute à 50 % du débit nominal, la puissance ne chute que de 20 %. Pour que le radiateur perde 50 % de sa puissance, il faut que le débit soit diminué de 80 %.

Un débit légèrement inférieur au débit nominal du corps de chauffe n’entraîne généralement pas une diminution importante de la puissance émise. Par exemple, une diminution de débit de 30 % n’entraîne une chute de puissance que de 5 %. Inversement, augmenter le débit de la pompe n’apportera qu’un très faible gain de chaleur aux utilisateurs concernés, tout en risquant de perturber les autres locaux jusqu’alors sans problème.

Dans les anciennes installations, les circulateurs sont presque toujours largement surdimensionnés (les pertes de charge dans les réseaux de chauffage ont été surestimées, une marge de sécurité a encore été prise sur la calcul, sans compter l’imprécision supplémentaire qui est de mise si l’on remplace un circulateur dont on ne connaît plus les caractéristiques de dimensionnement). Cela est confirmé par une étude Suisse sur plusieurs centaines de bâtiments qui a montré que le débit des installations de chauffage était en moyenne 2,5 fois surdimensionné par rapport aux besoins.

Ce n’est donc qu’en dernier recours que l’on redimensionnera le circulateur en recalculant les pertes de charge du circuit le plus défavorisé.

Déséquilibre ?

Nombreuses sont les installations de chauffage qui présentent des problèmes de manque de chaleur dans les locaux situés en bout de circuit.

Très souvent, la cause de cet inconfort réside dans un déséquilibre de l’installation : les premiers radiateurs « court-circuitent » le débit d’eau chaude, privant ainsi les derniers émetteurs d’un débit suffisant.

Lorsque l’installation est déséquilibrée, les premiers radiateurs court-circuitent le débit d’eau. Le manque de débit dans les derniers radiateurs entraîne un manque de chaleur.

La cause de cette mauvaise répartition des débits (appelée déséquilibre) est l’inégalité des pertes de charge entre les différents chemins que peut prendre l’eau dans l’installation : les circuits les plus éloignés de la chaufferie présentent généralement des pertes de charge plus importantes que les circuits proches de celle-ci. Or l’eau étant « fainéante », elle préférera prendre le chemin le plus facile, c’est-à-dire où la résistance hydraulique (ou les pertes de charge) est la plus faible.

Il en résulte un manque de débit dans les circuits éloignés suffisamment important pour créer un inconfort

Améliorer

Un indice pour diagnostiquer un déséquilibre

Pour repérer un déséquilibre hydraulique, on peut sentir la répartition des températures dans les radiateurs : un radiateur chaud dans sa partie supérieure mais froid dans sa partie inférieure présente un débit d’alimentation insuffisant (une partie supérieure froide traduit une présence d’air à purger).

Déséquilibre récent ?

Si l’apparition d’une insuffisance de chaleur dans une zone particulière du bâtiment est récente, il faut en rechercher les causes du côté d’une modification de l’installation :

embouage d’une partie de l’installation ou blocage d’un élément par des boues,

extension des circuits par des repiquages sur les circuits existants,

placement de vannes thermostatiques sur une partie seulement de l’installation, ce qui augmente les pertes de charge sur cette partie (si des vannes thermostatiques sont placées sur l’entièreté des corps de chauffe, l’augmentation générale des pertes de charge peut parfois imposer de changer le circulateur pour en augmenter la hauteur manométrique),

modification de la régulation (par exemple, placement d’un optimiseur) qui entraînerait des interférences entre les circuits et un mauvais fonctionnement des vannes mélangeuses.

Si on « repique » un nouveau circuit sur une installation existante et que celui-ci a une perte de charge plus faible que le reste du tronçon sur lequel il est raccordé, l’eau aura tendance à favoriser ce nouveau chemin au détriment du reste de l’installation. Il faut donc prévoir, dans le nouveau circuit, un élément de réglage pour y « freiner » le débit.

Incompatibilité des débits avec un circuit primaire bouclé

Le phénomène

Dans un circuit comprenant un circuit primaire en boucle fermée ou une bouteille casse-pression, ce phénomène apparaît lorsque le débit appelé par l’ensemble des circuits secondaires (qui alimentent le bâtiment) est supérieur au débit que fournit le circuit primaire.

Dans ce cas, une circulation inverse va se créer dans la boucle ou la bouteille casse-pression :

Dans le cas d’une boucle fermée, le circuit proche de la boucle va puiser de l’eau froide dans le circuit retour. Il n’atteindra donc jamais sa température de consigne. Et augmenter cette dernière ne servira à rien.

Dans le cas de la bouteille casse-pression, c’est l’entièreté du collecteur de départ qui puisera de l’eau froide de retour et aucun des circuits n’atteindra sa consigne.

Circulation inverse dans une boucle fermée lorsque le débit secondaire est supérieur au débit primaire.

Circulation inverse dans une bouteille casse-pression lorsque le débit secondaire est supérieur au débit primaire.

Quand cela se produit-il ?

Lors des fortes demandes de chaleur

Lors des fortes demandes de chaleur (par grand froid ou lors des relances), lorsque toutes les chaudières sont en fonctionnement, que toutes les vannes mélangeuses sont ouvertes et que les circulateurs des circuits secondaires ont été surdimensionnés par rapport aux besoins (ce qui est fréquent !).

Par exemple, cela a pour conséquence lors des relances que certaines zones de bâtiment n’atteindront jamais leur température de consigne. Le gestionnaire aura alors tendance d’avancer le moment de la relance ou d’augmenter les consignes de température d’eau, ce qui ne résoudra rien et entraînera une surconsommation. Cela peut également avoir un impact sur le fonctionnement des optimiseurs. En effet, si la température de confort n’est pas atteinte à temps, ceux-ci vont avancer le moment de la relance, peut-être, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus du tout de ralenti.

Dans cet exemple, on aura tendance à incriminer l’optimiseur, alors que la cause du désordre est hydraulique.

En mi-saison

Imaginons le cas d’une installation dont la température du circuit primaire et des circuits secondaires est régulée en fonction de la température extérieure. En mi-saison, une ou plusieurs chaudières se mettent à l’arrêt, ce qui réduit le débit primaire. Par contre, si la température d’eau demandée à la sortie des chaudières est proche de la température demandée au niveau des circuits secondaires, les vannes mélangeuses sont ouvertes en grand, demandant le débit maximum.

Dans ce cas, le débit de la boucle primaire devient inférieur au débit secondaire. Pour compenser le manque de débit d’eau chaude qui en résulte, la pompe du (ou des) dernier(s) circuit(s) de la boucle va puiser de l’eau dans la partie « retour » du collecteur créant une circulation inverse dans la boucle (de B vers A). Ce (ou ces) circuit(s) ne sera(ont) alors pas alimenté(s) à la bonne température, ce qui créera un inconfort pour les occupants.

Le problème est semblable dans une installation avec bouteille casse-pression si la prise de température du circuit primaire est située avant la bouteille.

Circuit primaire avec bouteille casse-pression et régulation en cascade des chaudières en fonction d’une prise de température en amont de la bouteille casse-pression.

Détection du problème

La température au départ du ou des circuits incriminés (avant la vanne mélangeuse) est nettement inférieure que la température du collecteur à la sortie des chaudières. Cette différence de température peut être constatée par simple contact de la main ou grâce à un thermomètre (de contact ou sur la conduite).

Attention aux mauvaises solutions

Une chaudière supplémentaire

On pourrait avoir l’impression que la puissance des chaudières ne suffit pas lors des fortes demandes. Cependant, ceci est une fausse solution. En effet, bien que le problème soit résolu, il ne l’est pas par l’augmentation de la puissance de production mais par l’augmentation du débit primaire.

Un clapet anti-retour ou une vanne fermée dans le bypass

Pour le bon fonctionnement global de l’installation, il est interdit de fermer le bypass sous peine de perturbations et de déséquilibres importants.

Une pompe plus grosse pour le dernier circuit

Ici aussi, on pourrait imaginer que le problème vienne d’un sous-dimensionnement de la pompe du dernier circuit. Cependant, installer une pompe plus grosse ne ferait qu’accentuer le problème, puisqu’on ne ferait que puiser plus d’eau froide sur le retour.

Déconnection de la cascade de chaudières

Si la cascade est régulée en fonction des conditions extérieures, on aurait tendance à déconnecter la régulation en cascade pour permettre à toutes les chaudières de fonctionner en parallèle. Ceci est une très mauvaise solution car on perdrait tout l’intérêt de posséder une cascade.

Les solutions adéquates

Si le problème est lié à un surdimensionnement des pompes secondaires, c’est-à-dire si le problème persiste en mi-saison, même lorsque l’on force le fonctionnement en parallèle des chaudières (déconnection momentanée de la régulation en cascade, on améliorera la situation en « freinant » le débit puisé par les circuits secondaires :

soit idéalement par des pompes plus petites ou en diminuant la vitesse des pompes existantes,

soit en plaçant des vannes d’équilibrage à l’entrée des circuits, ce qui permettrait de diminuer les débits puisés dans les premiers circuits, augmentant ainsi la quantité d’eau chaude disponible pour le dernier circuit.

Améliorer

Réduire la vitesse des circulateurs ou équilibrer l’installation.

Si le problème est lié à la régulation atmosphérique des chaudières (en fonction de la température extérieure), c’est-à-dire s’il n’apparaît qu’en mi-saison lorsqu’une des chaudières est à l’arrêt (et isolée par l’arrêt de son circulateur et/ou d’une vanne d’isolement), on améliorera la situation :

soit en augmentant la température de consigne des chaudières (augmentation de la courbe de chauffe). 10 .. 15 °C d’écart entre la consigne des chaudières et la consigne des circuits secondaires peut être suffisant;

soit, dans le cas d’une bouteille casse-pression, en déplaçant la mesure de température commandant les chaudières, après la bouteille.

Dans les deux cas, cela aura malheureusement pour conséquence d’augmenter la température de départ des chaudières et donc leurs pertes.

Calculs

Pour visualiser la possibilité d’incompatibilité des débits qui apparaissent lorsque l’on est en présence d’une installation équipée d’un collecteur bouclé ou d’une bouteille casse-pression et de plusieurs chaudières régulées en cascade, cliquez ici !

Interférence entre les circuits avec des pompes de recyclage

Le phénomène

Souvent dans les circuits en boucle ouverte, une pompe de recirculation est installée en bypass sur la ou les chaudières pour garantir un débit et une température minimum de retour pour les chaudières.

Si la perte de charge dans la chaudière est plus importante que la hauteur manométrique à débit nul de la pompe de recyclage (chaudière à faible contenance en eau), il est possible que le sens de la circulation s’inverse dans le bypass malgré le fonctionnement de la pompe. Ceci peut arriver lorsque la demande de débit est importante (toutes les vannes 3 voies sont ouvertes, à la relance matinale, par grand froid, ou si en mi-saison, la température de la chaudière et identique à la température demandée par les circuits). Dans ce cas, il se produira un mélange d’eau chaude et froide à la sortie de la chaudière. La température de l’eau distribuée sera donc inférieure à la température espérée et le bâtiment n’atteindra jamais sa température de consigne.

Circulation inverse dans le by-pass, malgré le fonctionnement de la pompe de recyclage.

Attention, ce problème peut être inexistant avec des anciennes chaudières ayant des pertes de charge faibles (grand volume en eau) et apparaître subitement lors d’un remplacement de chaudières, si les nouvelles chaudières sont à faible contenance en eau.

Détection du problème

La température au début du circuit de distribution est inférieure à la température de la chaudière.

Attention aux mauvaises solutions

Le placement d’une vanne anti-retour sur le bypass est une mauvaise solution.

Le circulateur risque de tourner dans son jus au moment de l’inversion de débit, ce qui peut entraîner sa détérioration par cavitation.

Les solutions adéquates

Courbe caractéristique d’un circulateur.

Changer de circulateur pour que sa hauteur manométrique à débit nul soit supérieure à la perte de charge maximale de la chaudière (quand le débit est maximal).

Le circulateur de recirculation peut être mis en série sur le retour des chaudières.

Placement du circulateur de recyclage sur le retour des chaudières.

Calculs

Exemple de calcul d’une pompe de recyclage.

Mauvais fonctionnement des vannes de régulation : les vannes 2 ou 3 voies oscillent tout le temps

Si les vannes de régulation 2 ou 3 voies oscillent continuellement, le problème n’est pas à rechercher au niveau du régulateur mais au niveau de la disposition du circuit hydraulique.

Mauvais dimensionnement des vannes

Une première cause d’oscillation des vannes est leur mauvais dimensionnement. Un dimensionnement au « pif » d’une vanne de régulation conduit généralement la vanne à travailler dans des conditions limites (par exemple proche de sa fermeture) pour lesquelles seul un fonctionnement en tout ou rien lui sera possible.

Dans une nouvelle installation, il faut donc bien veiller à ce que le bureau d’études ou l’installateur dimensionne correctement les vannes en fonction du débit nominal du circuit et des pertes de charge.

Circuit primaire ouvert

Dans le cas d’un circuit sans pompe primaire, lors de l’ouverture d’une vanne 3 voies, la modification des caractéristiques hydrauliques de l’installation oblige les autres vannes 3 voies à réagir pour compenser cette modification.

Ce problème apparaît souvent lorsqu’on équipe une ancienne installation avec collecteur non bouclé, et sans régulation, d’une régulation par circuit avec vannes mélangeuses et sonde extérieure.

Solution

Il faut dissocier les circuits primaires et secondaires par l’installation, idéalement d’une bouteille casse pression ou d’un bypass, simple tuyau légèrement plus gros que les tuyauteries de distribution oi l’installation d’un ou plusieurs pompes primaires calculées en fonction du débit nominal des chaudières et de leur perte de charge.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chauffage par le sol

Principe général

Le chauffage par le sol consiste à chauffer l’entièreté de la surface de plancher à une température maximale de 29 °C. La transmission de chaleur vers l’ambiance se fait alors principalement par rayonnement (de 20 à 30 % de convection).

Deux sources d’énergie peuvent être utilisées :

L’électricité, par exemple sous la forme d’une « feuille chauffante » parcourue par un courant et placée sous le revêtement de sol.

L’eau chaude, sous forme d’une conduite qui parcourt la chape de plancher suivant un maillage plus ou moins serré.

Chauffage par le sol électrique.

Chauffage par le sol à eau chaude.

Pour éviter des pertes de chaleur importante vers le dessous du plancher, celui-ci doit présenter une isolation suffisante.

Calculs

Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au-dessus d’une cave, en fonction du degré d’isolation (xls)

Intégration dans le plancher

On distingue :

Le chauffage par le sol au mouillé dans lequel les tuyaux de chauffage sont entièrement noyés dans la chape de béton (chape de 5 cm). Ce système est a priori le moins cher. C’est celui qui présente le plus d’inertie thermique (toute la masse de béton est chaude), il ne permet guère l’intermittence et réagit difficilement aux apports de chaleur gratuits (ensoleillement).

Chauffage par le sol noyé dans la chape.

Le chauffage par le sol demi-sec dans lequel les tuyaux de chauffage sont posés sur un isolant comportant des rainures. Un treillis de protection est placé par dessus. Celui-ci sert aussi de distributeur de chaleur. Un chape est coulée par dessus. Ce système permet une meilleure diffusion de la chaleur (moins de perte vers le bas) et un durée de vie plus importante des conduites.

Conduit de chauffage disposé entre plots.

Le chauffage par le sol à sec. Ici aussi, les tuyaux de chauffage sont disposés dans un isolant préformé. Des profilés métalliques sont placés au-dessus et en dessous des tuyaux et des plaques en acier recouvrent l’ensemble. Une chape n’est plus nécessaire. Le revêtement de sol peut être placé directement sur les plaques en acier. Ce système peut être considéré comme le meilleur, car il permet une dilatation sans contraintes des tuyaux et présente une inertie thermique réduite.

Chauffage par le sol d’une salle de sport :
le système est intégré dans un plancher amortisseur.

Ces planchers rayonnants à faibles inertie sont généralement appréciés pour le chauffage dans des bâtiments fortement isolés pour sa réactivité et en rénovation pour sa faible hauteur.

Ils sont généralement composés d’un tuyau en polyéthylène réticulé, clipsé dans un diffuseur, le tout est posé sur un support (bois ou isolant généralement). Le plancher est ensuite recouvert d’un revêtement (carrelage, parquet).

Ce système peut également être utilisé comme rafraîchissement en été avec par exemple l’utilisation d’une pompe à chaleur réversible.

Sous structure;
support (mdf, isolant,…);
– 5. diffuseur en aluminium;
tube en polyéthylène réticulé;
revêtement final (collé plein bain).

Tuyaux pour chauffage par le sol

La plupart des installations (90 % des planchers chauffants) sont équipées de tuyaux en polyéthylène réticulé repris sous les sigles PE-X ou PER.

Réticulé ?

Afin de pouvoir utiliser le polyéthylène dans des applications à haute température et forte pression, il faut améliorer les caractéristiques du matériau. C’est le but de la « réticulation ». La réticulation est un procédé chimique ou physique qui consiste à créer des liaisons chimiques entre les chaînes de molécules pour créer une structure en trois dimensions extrêmement résistante et insensible aux griffes.

La qualité finale du matériau dépend de la qualité de la réticulation : un degré de réticulation trop élevé rend le matériau cassant; un degré trop bas diminue la température maximale admissible. Il faut en outre que la réticulation soit homogène dans le matériau.

Trois types de polyéthylène

Il existe trois types de polyéthylène : HDPE (Polyéthylène Haute Densité), MDPE (Polyéthylène Moyenne Densité), LDPE Polyéthylène Basse Densité). Le HDPE est le plus utilisé pour la réticulation et est à conseillé pour la chauffage par le sol.

Il faut éviter les MDPE et LDPE, voire même les polyéthylènes non réticulés qui existent aussi sur le marché, mais qui présente une résistance nettement inférieure au PE-X HDPE.

Le PE-X est perméable à l’oxygène, ce qui constitue un risque de corrosion pour les éléments en acier de l’installation. C’est pourquoi les tuyaux destinés à l’utilisation en chauffage doivent être pourvus d’une barrière anti-oxygène. Cette protection est généralement extérieure et en matière synthétique.

Actuellement, les tubes en matière synthétique connaissent une application sans cesse croissante dans les installations de chauffage. C’est pourquoi, pour garantir l’adéquation du matériau choisi à l’application, il est recommandé de s’appuyer sur les systèmes disposant d’un agrément technique de l’UBAtc.

Régulation

On peut imaginer deux principaux modes de régulation pour le chauffage par le sol :

en fonction de la température extérieure,
en fonction de la température intérieure.

Il est également possible de maintenir une température d’eau constante dans l’installation (par exemple, 30°C), quelles que soient les conditions climatiques. Ce mode de conduite ne peut cependant convenir que si le chauffage par le sol n’est qu’un chauffage d’appoint (de base) et que la majorité de la puissance de chauffe est fournie par un autre système (radiateurs, convecteurs).

La régulation en fonction de la température intérieure est à déconseiller car elle conduit presqu’inévitablement à de l’inconfort.

Exemple.

Au moment de la relance matinale, il existe un écart important entre la température ambiante et la consigne. La sonde demande une production d’énergie maximale. Lorsque la température ambiante est atteinte, la masse du plancher a accumulé trop d’énergie, ce qui induit une température excessive dans la pièce.

Les apports d’énergie gratuite (soleil, personnes, …) sont détectés par la régulation mais l’inertie thermique du plancher retarde l’effet de la coupure. Il est possible qu’au moment où cet effet se fait réellement ressentir (2 à 3 heures plus tard), les apports aient disparus. Il y aura alors un manque d’émission qui , à son tour, ne pourra être compensé que très lentement.

Il est donc préférable de prévoir une régulation de la température d’eau en fonction de la température extérieure. Cependant, cette dernière ne donnera pleinement satisfaction que si les apports de chaleur par l’ensoleillement ne sont pas prépondérants et si l’usage du bâtiment n’est pas fortement intermittent.

Si ces conditions ne sont pas remplies, même le meilleur régulateur ne pourra donner satisfaction, principalement pour les systèmes à très forte inertie thermique (tuyaux noyés dans une chape).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Mesurer les pertes à l’arrêt d’une chaudière

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

q_E[%] = q_A[%] +

Mesure des pertes vers l’ambiance, q_A

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

Perte [W] = 12 [W/m²°C] x S_parois[m²] x (T_parois[°C] – T_chaufferie[°C])

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

Exemple.

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

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

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

Surface [m²]	Température de paroi [°C]	Perte [W] (= 12 x S_urfacex (T_paroi– 20))
0,5	54	204
0,25	60	120
3,55	38	767
0,33	52	127
0,12	52	46
0,12	60	58
Total		1 322

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

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

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

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

Pertes par balayage

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

Cas particulier des chaudières gaz atmosphériques

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

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

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

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

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

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

Exemple.

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

Le débit de gaz de la chaudière est de :

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

La perte par balayage est estimée à :

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

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

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

L’énergie perdue par balayage est donc de :

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

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

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

Il faut travailler par estimation.

Première estimation

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

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

Deuxième estimation

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

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

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

> pour le gaz :

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

> pour le fuel :

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

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

> pour le gaz :

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

> pour le fuel :

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

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

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

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

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

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

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

Évaluer

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

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

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

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

Exemple.

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

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

On peut calculer le débit de fumées :

Le débit de fuel :

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

L’excès d’air :

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

Le débit de fumée :

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

Le débit de fumée :

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

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

Le débit d’air :

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

La perte par balayage :

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

Le coefficient de perte par balayage :

5,838 [kW] / 406 [kW] = 1,4 [%]

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

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

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la régulation [chauffage central]

Régulation du chauffage

Tout simplement, réguler les installations qui ne le sont pas

Trop d’installations anciennes ne possèdent encore aucune régulation : la température de l’eau dans la chaudière ou la position des vannes mélangeuses est modifiée manuellement en fonction de la saison. Il n’y a aucun réglage de la température ambiante, si ce n’est par l’ouverture des fenêtres.

Cette situation est évidemment inacceptable.

Si on part de rien, l’idéal serait de concevoir une régulation complète telle qu’on pourrait l’imaginer pour une nouvelle installation. Il faudra cependant être attentif au type de la ou des chaudières installées. Par exemple, peuvent-elles travailler à basse température ou encore fonctionner à débit nul ?

Concevoir

Pour en savoir plus sur les critères de choix du principe de régulation.

Une installation de régulation peut aussi être réhabilitée : remplacement des moteurs de vanne, remplacement des régulateurs, remplacement des sondes, ….

Études de cas

La rénovation du Collège St Paul à Godinnes.

Le gain

Comme pour toutes les améliorations qui sont décrites ci-après, il est difficile de chiffrer précisément le gain énergétique qui résultera d’un remplacement complet de la régulation.

Cela dépend de la gravité réelle de la situation de départ (quelle est la température régnant réellement dans les différentes zones du bâtiment ?) et du degré de finesse de la nouvelle régulation.

Voici cependant un chiffre réaliste que l’on rencontre couramment dans la littérature et qui se base sur des situations vécues.

Le placement d’une régulation correcte sur une installation non régulée (c’est-à-dire sans ralenti nocturne et sans contrôle précis de la température intérieure) permet :

>> 30 % d’économie sur la facture annuelle de combustible.

Concevoir

Régulation des installations de chauffage.

Améliorer le ralenti nocturne

La pratique d’un ralenti nocturne par abaissement de la température d’eau est la technique de ralenti la moins efficace (et pourtant la plus couramment utilisée).

Évaluer

Pour évaluer l’efficacité énergétique du ralenti nocturne.

Il est intéressant de modifier le ralenti existant en adjoignant au régulateur existant un thermostat d’ambiance complémentaire placé dans un local témoin et associé à une horloge.

Le système

Lorsque l’horloge passe en horaire de nuit, l’installation est complètement coupée par action directe :

Soit sur la chaudière. Dans ce cas, la chaudière redescend en température.
Soit sur les vannes mélangeuses. Celles-ci se ferment et la chaudière est maintenue sur sa consigne.

Si la température intérieure mesurée par le thermostat d’ambiance passe sous la consigne de nuit (par exemple 16° en semaine et 14° le week-end), soit la chaudière se remet en marche, soit les vannes s’ouvrent pour maintenir cette consigne.

Exemple.

Si l’installation est équipée d’un régulateur analogique ne pouvant être compensé par une sonde de température intérieure, le schéma de principe de la nouvelle régulation peut être semblable à :

Au passage à l’horaire de nuit, le thermostat d’ambiance mesurera une température intérieure supérieure à sa consigne, son contact s’ouvrira, déconnectant la sonde extérieure. Pour le régulateur, cela équivaut à une mesure, par la sonde extérieure, d’une température infinie. Donc, soit la chaudière va se couper, soit les vannes mélangeuses vont se fermer.
Si durant la coupure, la température intérieure descend en dessous de la température de consigne du thermostat d’ambiance (par exemple 16°C), le contact du thermostat se ferme reconnectant la sonde extérieure. Le régulateur central se remet alors à fonctionner comme auparavant (en principe sur sa courbe de chauffe de nuit). Au passage à l’horaire de jour, la sonde extérieure se reconnecte et le régulateur central reprend sa fonction.

Si, d’origine, le régulateur peut être compensé par sonde intérieure, la sonde de compensation peut aussi bien servir au réglage de la courbe de chauffe de jour qu’à la coupure de nuit.

Ce sera également le cas si l’installation est équipée d’un régulateur digital. Toutes ces fonctions sont vraisemblablement déjà intégrées dans le régulateur. Il faut examiner avec le fabricant du régulateur ou l’installateur la possibilité d’adjoindre un thermostat d’ambiance de nuit dans le programme existant.

On peut également envisager une deuxième façon de travailler, légèrement moins performante. Il s’agit de placer une deuxième sonde extérieure, associée à une horloge. Si la température extérieure de nuit ne descend pas en dessous d’une certaine valeur à régler (par exemple 5°C), l’installation est complètement coupée. Si la température extérieure descend en dessous de cette valeur, le ralenti se fait par abaissement de la courbe de chauffe comme auparavant.

Une troisième possibilité, qui ne demande aucun investissement est d’abaisser au maximum la courbe de chauffe de nuit. Ainsi, durant la majeure partie de la saison de chauffe, la température d’eau demandée la nuit est inférieure à 20°C, ce qui équivaut à forcer la fermeture complète des vannes.
L’inconvénient de ces deux dernières solutions est l’absence de contrôle de la température ambiante nocturne.

Calculs

Pour visualiser l’abaissement de courbe minimal à régler sur votre régulateur.

Le gain

Il est difficile de chiffrer précisément l’économie réalisable en modifiant le mode de ralenti nocturne. Cela dépend d’une série de paramètres qui influencent le bilan thermique :

Exemple.

(Source : Guide pour la pratique de l’Intermittence du chauffage dans le tertiaire à occupation discontinue, ADEME, 1989)

Trois bâtiments, respectivement de 500 (1 niveau), 2 000 (2 niveaux) et 4 000 m^² (4 niveaux) sont chauffés 10 h par jour et 5 jours par semaine.

Le niveau de surpuissance de l’installation de chauffage est assez élevé puisqu’il atteint 2 fois les déperditions (calculées avec un taux de ventilation réduit).

Trois niveaux d’isolation ont été repris :

peu isolé : simples vitrages, murs non isolés,
très isolé : doubles vitrages, murs avec 8 cm d’isolant,
bien isolé : niveau intermédiaire entre les 2 précédents.

Trois modes de coupure sont proposés :

un abaissement de la température de l’eau de chauffage,
une coupure totale du chauffage (avec maintien hors gel) par une horloge qui relance l’installation toujours au même moment le matin,
une coupure totale (avec maintien hors gel) avec une relance optimisée « just in time » !

Économie par rapport au fonctionnement continu
Mode de ralenti	Isolation	500 m^²	2 000 m^²	4 000 m^²
Abaissement de température d’eau
–	peu isolé	12,5 %	11,4 %	10,8 %
	bien isolé	11,7 %	10,9 %	10,3 %
	très isolé	10,2 %	9,5 %	8,3 %
Coupure (horloge)
faible inertie (150 kg/m^²)	peu isolé	37,7 %	31,9 %	29,5 %
	bien isolé	33,8 %	29,6 %	26,6 %
	très isolé	26,5 %	22,6 %	17,0 %
forte inertie (400 kg/m^²)	peu isolé	37,5 %	28,0 %	25,0 %
	bien isolé	30,6 %	25,2 %	22,0 %
	très isolé	21,9 %	18,2 %	13,7 %
Optimiseur
faible inertie (150 kg/m^²)	peu isolé	38,5 %	33,4 %	31,2 %
	bien isolé	35,0 %	31,4 %	28,7 %
	très isolé	28,6 %	25,1 %	20,1 %
forte inertie (400 kg/m^²)	peu isolé	38,2 %	31,2 %	28,6 %
	bien isolé	33,4 %	28,7 %	25,8 %
	très isolé	25,6 %	22,2 %	17,6 %

Prenons un ancien bâtiment lourd (fort inerte) et peu isolé, de 2 000 m². Ce bâtiment consomme 45 000 litres de fuel par an. Le gain possible en passant d’un abaissement nocturne à une coupure complète s’élève à :

45 000 [litres/an] x 28 [%] / (100 [%] – 11,4 [%]) = 14 221 [litres/an]

Pour tenir compte de l’éventuelle faible reproductibilité des pourcentages d’économie repris ci-dessus, on peut examiner le problème sous l’angle de la rentabilité de l’investissement.

Les modifications de régulation proposées pour passer d’un abaissement à une coupure nocturne ont un coût voisin de 750 € (à confirmer par devis, au cas par cas).

Avec un prix du fuel de 0,2116 €/litre et un temps de retour souhaité de 2 ans, cela représente une économie escomptée de :

750 [€] / 2 [ans] / 0,2116 [€/litre] = 1 772 [litres/an]

ou 1 772 [litres/an] / 45 000 [litres/an] = 4 [%]

Ceci est tout à fait faisable au vu des chiffres théoriques d’économie.

Améliorer le ralenti nocturne est donc rentable. Dès lors, il ne sert à rien d’affiner les calculs, n’hésitons pas à agir !

Les précautions

Si le thermostat d’ambiance agit directement sur la chaudière

Dans ce premier cas, il faut que la chaudière existante puisse retomber complètement en température et ensuite fonctionner à température réduite (car commandée par le thermostat d’ambiance de nuit) sans risquer l’apparition de condensation et de corrosion. Ce devrait être le cas si la courbe de chauffe agissait déjà sur la température de la chaudière.

Les anciennes chaudières en fonte ne posent pour cela, aucun problème. Ce n’est pas le cas pour les anciennes chaudières en acier qui, elles, sont sensibles à la corrosion.

Anciennes chaudières en fonte.

Il est évident que les chaudières modernes très basse température s’accommodent très bien de ce type de régulation.

Si un doute subsiste sur les capacités la chaudière à résister à ce mode de fonctionnement, le plus simple est d’interroger le fabricant de la chaudière ou son fournisseur : « est-ce que le brûleur de la chaudière dont je dispose peut être commandée par un thermostat d’ambiance, sachant que cela impliquera par moment un fonctionnement à très basse température ».

Notons qu’il faut être plus attentif avec les chaudières fonctionnant au fuel du fait de l’acidité plus importante des condensats qui peuvent apparaître.

En ce qui concerne le gaz, signalons également que l’ARGB, recommande que toutes les chaudières gaz atmosphériques soient coupées lorsqu’il n’y a plus de besoin de chauffage : les légères condensations des fumées qui résultent de la remontée en température s’évaporent rapidement.

Une exception cependant à cette règle : il faut faire attention avec les anciennes chaudières atmosphériques pour lesquelles de la condensation risque de tomber sur les rampes du brûleur et provoquer une mauvaise combustion et l’apparition d’imbrûlés.

Si le thermostat d’ambiance agit sur les vannes mélangeuses

Si la chaudière ne peut pas travailler en basse température, ce qui est le cas de beaucoup d’anciennes chaudières en acier, la coupure doit s’effectuer au niveau des vannes mélangeuses. Au passage à l’horaire de nuit, les vannes se ferment. Si la température intérieure descend en dessous de la température de consigne du thermostat, les vannes s’ouvrent pour maintenir cette consigne.

Au moment de la relance, le régulateur repasse dans son mode de fonctionnement normal, basé sur la courbe de chauffe de jour ou sur dans un premier temps, sur une température d’eau supérieure si le régulateur possède un mode « accéléré ».

Il faudra cependant être attentif à ne pas créer de choc thermique dans la chaudière au moment de la relance. En effet, si les vannes restent fermées toute la nuit, la température de l’eau dans les corps de chauffe et les conduites va chuter aux environs de 20°C. Lorsque les vannes s’ouvrent en grand, c’est le volume d’eau des circuits qui « déboule », à une température de 20°C, vers la chaudière qui, elle, est restée chaude.

En période de coupure, les vannes mélangeuses sont fermées et la chaudière est maintenue en température.

À l’ouverture des vannes, un train d’eau froide est envoyé vers la chaudière chaude.

Le risque encouru est double :

Tout d’abord, pour les chaudières en fonte, l’arrivée de l’eau froide en contact avec la fonte chaude risque de provoquer un choc thermique, une fatigue de la fonte et à terme une rupture de la chaudière.

Ensuite la chaudière va se remplir d’eau froide qu’elle devra remonter en température. Pendant une courte période, la chaudière fonctionnera à une température d’eau risquant de provoquer une importante condensation des fumées et donc de la corrosion dans la chaudière, surtout pour les anciennes chaudières en acier fonctionnant au fuel (les condensats issus de la combustion de ce dernier sont plus acides).

Deux solutions sont possibles pour prévenir ces problèmes :

Prévoir une ouverture progressive des vannes mélangeuses. Dans ce cas, l’eau froide se mélangera progressivement à l’eau chaude, ce qui évitera une chute brutale de la température.

Exemples : en pratique.

La fonction d’ouverture progressive des vannes mélangeuses est généralement intégrée dans les nouveaux régulateurs. En cas de doute, la confirmation peut être demandée au chauffagiste et/ou au fabricant.

Dans le cas d’un ancien régulateur, on peut équiper l’installation d’un régulateur qui commandera la fermeture progressive des vannes si la température de retour chute trop bas.

Un régulateur impulsionnel à 3 points réagit à la température d’eau de retour vers la (les) chaudière(s). Si la température de retour chute en dessous de la consigne, le régulateur envoie un impulsion de fermeture à (aux) vanne(s) mélangeuse(s) et vice-versa.

Raccordement électrique du régulateur 3 points : si la température de l’eau des circuits secondaires est supérieure à la consigne de leur courbe de chauffe ou si la température de retour vers les chaudières est trop basse, une impulsion est envoyée aux moteurs des vannes mélangeuses qui se ferment d’un cran. L’ouverture des vannes n’est possible que si, simultanément, la température des circuits secondaires est trop basse et la température de retour vers les chaudières est suffisante.

On peut aussi imaginer dans le cas d’une installation existante, un système plus simple où un simple thermostat limiteur court-circuite la commande d’ouverture de la vanne si la température de retour chute en dessous du minimum requis. Cette solution ne permet pas de refermer les vannes en cas de dépassement trop important.

Un thermostat limiteur se met en série avec la commande d’ouverture de la vanne 3 voies.

La troisième solution est de décaler dans le temps le moment de la relance de chaque circuit, ce qui permet un mélange progressif de l’eau froide de l’installation à l’eau chaude. La difficulté de cette solution étant qu’en cas de changement de gestionnaire, on oublie le pourquoi du décalage des horloges les unes par rapport aux autres. L’autre inconvénient est que l’on ne contrôle pas exactement la température de retour.

Prévoir, dans les circuits primaires en boucle ouverte, un circulateur de recyclage sur les chaudières qui renvoie une partie de l’eau chaude vers la chaudière lorsque la température de retour vers celle-ci est trop basse (en dessous de 55°C). Cette solution n’est cependant pas de idéale et ne fonctionne pas pour les installations déjà équipées d’une pompe de recyclage. En effet, il faut recycler un débit équivalent au débit de l’ensemble des circuits secondaires si l’on veut obtenir une température de 55°C en mélangeant de l’eau à 20°C avec de l’eau à 90°C. Or les pompes de recyclage sont couramment dimensionnées pour recycler 1/3 du débit nominal de la chaudière.

Évaluer

Attention cependant, le dimensionnement de cette pompe de recyclage n’est pas arbitraire et un mauvais choix peut conduire à un fonctionnement erroné de l’installation. Pour en savoir plus sur les problèmes possibles.

Calculs

Exemple de calcul d’une pompe de recyclage.

Attention, cependant, ajouter des sondes et des régulateurs sur une ancienne installation complexifie cette dernière. Cela implique d’une part une information de l’exploitant sur le nouveau fonctionnement de l’installation et d’autre part, de consigner par écrit, le mode d’emploi de celle-ci. Ce dernier point est important car les années passant ou si le personnel change, on ne saura plus à quoi servent les régulateurs et les sondes et l’installation ne sera plus gérée.

Tenant compte de cela, il vaut parfois mieux remplacer l’entièreté des anciens régulateurs par un équipement moderne permettant les différentes fonctions décrites ci-dessus.

Placement d’un optimiseur sur une installation existante

La technique de ralenti la plus performante, d’un point de vue énergétique, est l' »optimiseur« .

Il faut cependant être prudent lorsque l’on désire améliorer sa régulation en plaçant un tel équipement. En effet, celui-ci ne sera performant que s’il équipe une installation ne présentant pas de désordre hydraulique.

Exemples.

lorsque l’on dispose de pompes à vitesse variable, il est conseillé de rétrograder de vitesse durant la nuit. Cependant si l’optimiseur ne gère pas lui-même le changement de vitesse, il ne pourra jamais calculer correctement le moment de la relance puisque les caractéristiques du système ne sont pas constantes.

Ceci peut conduire à une anticipation de la relance telle qu’il n’existe plus de ralenti de nuit, bien que le responsable du bâtiment le croit effectif.

La présence d’incompatibilités hydrauliques entre les circuits peut empêcher certaines parties de bâtiment ou le bâtiment tout entier d’atteindre sa température de consigne de jour.

Ici aussi, l’optimiseur va anticiper la relance croyant erronément le moment de la relance en cause, jusqu’à ce que le ralenti disparaisse.

Dans ces deux exemples, on aura tendance à incriminer l’optimiseur, alors que la cause du désordre est hydraulique.

Concevoir

Gestion de l’intermittence.

Améliorer le réglage des courbes de chauffe

Un mauvais réglage de courbe de chauffe sera source soit d’un manque de chaleur, soit d’une surchauffe (donc d’une surconsommation).
Chaque bâtiment doit avoir une courbe de chauffe unique, fonction :

des caractéristiques des émetteurs,
de la température intérieure souhaitée,
des caractéristiques thermiques du bâtiment.

Trouver cette courbe n’est pas évident. Il faut procéder, en hiver et en mi-saison, à des ajustements en fonction des plaintes des occupants. Ces ajustements et leur résultat doivent être consignés jusqu’à ce que la bonne courbe soit trouvée.

On l’aura compris, il ne s’agit de « tourner les manettes », au hasard, dès qu’une plainte apparaît, sans prendre note de ce que l’on a fait. Ce n’est pas non plus au chauffagiste à régler cette courbe mais bien à une personne vivant dans le bâtiment et pouvant collationner les réactions des occupants à chaque modification du réglage.

Or, bien souvent on entend : « c’est le chauffagiste qui a réglé le régulateur et nous interdit d’y toucher ! ».

Calculs	Tracer la courbe de chauffe programmée sur le régulateur.
Techniques	Pour comprendre le réglage complet d’un régulateur avec courbe de chauffe.

Régulateur climatique analogique avec possibilité de correction par sonde de compensation.

Sur certains régulateurs climatiques, il est possible de raccorder un thermostat d’ambiance de compensation. Celui-ci mesurant la température intérieure dans un local témoin, ajuste automatiquement la température d’eau de départ par rapport à la courbe de chauffe réglée. Ce thermostat peut également servir de thermostat de coupure en régime de nuit. Cette « compensation » permet de résoudre le problème du réglage fin de la courbe de chauffe.

Elle pose cependant certains problèmes :

Son efficacité est liée au choix correct du local témoin, pour peu qu’il soit possible. C’est pourquoi une sonde de compensation ne peut pas être placée si le circuit dessert des locaux d’orientation différente ou avec des gains internes différents.

Elle ne fonctionne correctement que si la courbe de chauffe est déjà presque bien réglée. En effet, la plage de compensation est volontairement réduite pour éviter l’influence de comportements inadéquats des occupants du local témoin (ouverture des fenêtres, « occultation du thermostat », …).

Concevoir

Régulation des circuits de distribution.

Placer des vannes thermostatiques

Vanne thermostatique.

Attention, les vannes thermostatiques ne sont pas la « panacée universelle », et ne permettent pas de résoudre toutes les situations de confort et de surconsommation.

Il est important d’en comprendre le fonctionnement pour en cerner l’utilité.

En résumé, une vanne thermostatique permet de limiter la puissance d’un corps de chauffe dans des locaux où les apports de chaleur (ensoleillement, occupation importante, bureautique, éclairage, …) sont supérieurs aux autres, variables et conduisent à des problèmes de surchauffe locale.

Exemple.

Par exemple, il faut préparer de l’eau pour l’ensemble des radiateurs de classes. Si dans un local 8 élèves sont présents, il doit faire bon. Si dans le local voisin 25 élèves sont présents, la température risque de s’élever rapidement (25 élèves x 100 Watts/élève = 2 500 Watts, soit l’équivalent d’un radiateur moyen chauffé à 80° !). Il est impératif de couper le chauffage dans ce local. On arriverait aux mêmes conclusions avec l’apport solaire par de larges baies vitrées.

Et c’est là qu’intervient la vanne thermostatique, comme régulatrice finale des apports.

Attention : elle ne peut agir que dans le sens de la réduction ! Aussi, il sera utile d’ajuster la régulation centrale sur les locaux les plus exigeants (locaux de coin, locaux sous la toiture, …).

Il existe sur le marché, des vannes qui peuvent s’adapter à la plupart des publics :

locaux où les occupants sont capables de gérer eux-mêmes le réglage des vannes (bureaux individuels, de 2 .. 3 personnes),
locaux où les occupants ne se sentent pas responsable du réglage (classes),
locaux où les vannes peuvent subir des détériorations (salles de sport, lieux publics, ….).

Il ne faut donc pas systématiquement rejeter cette solution sous prétexte que le public ne saura pas la gérer. Si un doute subsiste quant à la résistance mécanique par rapport au public visé, un essai peut être mené avec une ou deux vannes, avant de se lancer dans l’installation complète.

Il est clair que si on opte pour les vannes les plus simples dont le réglage est laissé à l’occupant, une information de ce dernier sera nécessaire, pour que le résultat escompté soit atteint.

Gérer

Pour télécharger des affiches de sensibilisation des occupants à l’utilisation des vannes thermostatiques.

Le gain

Ici aussi, il est impossible de chiffrer précisément le gain énergétique que l’on peut escompter du placement de vannes thermostatiques, ne fut-ce que parce qu’il est impossible de chiffrer précisément la situation de départ.

On peut cependant, par un rapide calcul, estimer l’intérêt de cette amélioration.

Exemple.

Ordre de grandeur : un degré de trop dans un local = 7 .. 8 % de surconsommation !

Prenons un immeuble de bureau de 1 000 m² dont la consommation annuelle est de 15 000 litres de fuel par an.
Dans la salle de réunion de 60 m², occupée 6 h/jour, 250 jours par an, il fait systématiquement 22°C au lieu de 20°C.
Quel est l’ordre de grandeur de l’économie que l’on peut réaliser en plaçant des vannes thermostatiques dans cette salle ?

« A la grosse louche » :

> Consommation de combustible imputable à la salle :

15 000 [litres/an] / 1 000 [m²] x 60 [m²] = 900 [litres/an]

> Estimation du pourcentage d’économie lié au placement de la vanne : réduction de 2 K en journée et de 1 K la nuit et le week-end (après la coupure du chauffage, la température intérieure reste plus chaude la nuit, suite à l’augmentation de la température intérieure le jour). Prenons 1,5 K en moyenne.

Économie réalisable par des vannes thermostatiques : 900 [litres/an] x 8 [%/K] x 1,5 [K] = 108 [litres/an] ou 32 [€/an] (à 0,30 [€/litre fuel]).

Économie à laquelle il faut rajouter l’amélioration du confort.

Le coût d’une vanne est de l’ordre de 12,5 .. 25 € pour une vanne thermostatique traditionnelle ou 25 .. 37,5 € pour une vanne « incassable ». Hors placement.

Le temps de retour réel dépend du nombre de radiateurs à équiper dans le local !

Précautions

Le placement de vannes thermostatiques dans un bâtiment demande certaines précautions.

Placement d’une soupape différentielle

Lorsqu’une vanne thermostatique se ferme, le débit d’eau est arrêté dans la branche qui va vers le radiateur. C’est comme lorsqu’un enfant bouche de son pouce l’embouchure du jet d’une fontaine, … les autres jets sortent plus fort ! En fait, c’est la pression qui monte dans le réseau et tous les autres radiateurs voient leur débit augmenter. Toutes les autres vannes vont se fermer un peu plus…

Imaginons que vers midi quelques vannes soient encore ouvertes : elles reçoivent toute la pression de la pompe, elles ne s’ouvrent que d’une fraction de millimètre… et se mettent à siffler !

Une vanne thermostatique ne doit pas sentir si sa voisine vient de se fermer. Il est donc utile de stabiliser la pression du réseau. C’est le rôle de la soupape à pression différentielle. Placée après le circulateur, elle lâche la pression lorsque les vannes se ferment. En quelque sorte, elle « déverse le trop plein vers le retour ».

Placement d’une soupape différentielle sur le départ du circuit pour compenser la fermeture des vannes thermostatiques.

Encore faut-il pouvoir calibrer le niveau de pression maintenu entre le départ et le retour… Si l’installation est nouvelle, le bureau d’études connaît la pression nominale nécessaire. Si l’installation est ancienne, on ne pourra y aller que par essai successif en diminuant progressivement la pression. La pression manométrique du milieu de la courbe du circulateur (voir catalogue du fournisseur) est également une indication.

Une solution d’aujourd’hui : le circulateur à vitesse variable

Courbes caractéristiques d’un circulateur à 3 vitesses.

Force est de constater que la solution de la vanne à pression différentielle n’est pas très élégante ! Créer une pression à la pompe et la lâcher juste après, sur le plan énergétique, c’est un peu pousser sur l’accélérateur et le frein en même temps !

Actuellement, il est possible d’installer un circulateur à vitesse variable : la vitesse est régulée de telle façon que la pression du réseau reste constante. Si seulement quelques vannes sont ouvertes, il tournera à vitesse réduite. L’achat d’un circulateur avec régulateur de vitesse intégré est rapidement amorti durant l’exploitation car la consommation évolue en fonction du cube de la vitesse: une vitesse réduite de moitié, c’est une consommation électrique divisée par 8 !

Améliorer

Pour en savoir plus sur le placement de circulateurs à vitesse variable.

Vannes thermostatiques et thermostat d’ambiance

Un local abritant un thermostat d’ambiance ne peut jamais comporter de vanne thermostatique.

En effet, si la consigne du thermostat d’ambiance est plus élevée que la consigne des vannes, le thermostat ne sera jamais satisfait puisque les vannes thermostatiques se fermeront avant.

Si le thermostat agit sur une vanne mélangeuse, celle-ci restera en permanence en position ouverte, alimentant les circuits à température maximale.

Dans les deux cas, il peut en résulter une surconsommation et des surchauffes dans les autres locaux.

En résumé, si un thermostat d’ambiance et des vannes thermostatiques sont présents dans un même local, ces dernières doivent en permanence être ouvertes au maximum pour permettre au thermostat de jouer son rôle pleinement.

Vannes thermostatiques et circuits corrodés

« Les vannes thermostatiques se bloquent souvent ! »

Voici un des arguments repris par les détracteurs des vannes thermostatiques.

En effet, le faible degré d’ouverture d’une vanne thermostatique (max : 2 mm), les rend sensibles aux dépôts de calcaire ou aux boues de l’installation. Leur application dans une installation existante présentant ces problèmes est donc délicate.

Ce n’est cependant pas pour cela qu’il faut rejeter d’office la solution des vannes thermostatiques. Mais au préalable, les problèmes d’entartrage et de corrosion doivent être combattus. Notons que cela devrait se faire, quels que soient les projets d’amélioration, car c’est l’ensemble de l’installation qui est en péril, y compris les chaudières :

suppression des fuites,
vérification ou modification du système d’expansion,
désembouage,
analyse et traitement d’eau,
….

Améliorer

Pour en savoir plus sur la surveillance d’une installation pour prévenir la corrosion et l’entartrage.

Vannes thermostatiques bloquées en début de saison de chauffe

Il faut éviter de laisser une vanne complètement fermée durant une longue période (c’est valable aussi bien pour une vanne thermostatique que pour une vanne manuelle), par exemple durant tout l’été.

En effet, la pression exercée sur le clapet de fermeture est telle que la vanne risque de rester « collée » lorsque l’on désirera l’ouvrir à nouveau.

Il est donc conseillé de toujours maintenir une certaine consigne à la vanne, par exemple en la réglant sur la position « antigel ». Dans ce cas, en été, elle se fermera, mais avec une pression nettement moindre que si elle est fermée manuellement.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix d’une vanne thermostatique.

Concevoir

Régulation locale.

Réguler l’installation par zones homogènes

Situation fréquente : les besoins des locaux ne coïncident pas avec le découpage du réseau hydraulique !
Disposer de circuits hydrauliques distincts est indiqué lorsque :

Certains locaux profitent de beaucoup d’apports de chaleur gratuits (ensoleillement,…).
Certains locaux doivent être chauffés en dehors des heures d’occupation normale (salle de sport ou internat dans une école, salle de réunion, conciergerie, …).
Certains locaux ne doivent pas être chauffés en permanence durant la journée (salle de conférence, réfectoire, bibliothèque,…).

Que faire pour améliorer la situation si le bâtiment ne dispose que d’un seul circuit de chauffage ?

Situation 1 : certains locaux profitent d’apports gratuits importants

Les façades Nord et Sud sont alimentées par de l’eau à la même température. Des surchauffes apparaissent dans les locaux Sud dès l’apparition du soleil… mais les locaux Nord restent demandeurs. La régulation dite « de la fenêtre ouverte » est adoptée par les occupants du Sud !

Trois améliorations sont possibles :

Soit le placement de vannes thermostatiques sur tous les radiateurs au Sud.
Soit le placement sur le circuit de distribution de vannes de zones : ce sont des vannes 2 voies modulantes, commandées par une sonde d’ambiance située dans un local témoin.

Vannes 2 ou 3 voies motorisées.

Soit une modification du réseau de tuyauteries de telle sorte que chaque façade dispose de sa propre vanne trois voies.

Solution	Avantages	Inconvénients
Vannes thermostatiques	Gestion individuelle avec prise en compte des situations particulières de chaque local.	Chaque radiateur doit être équipé d’une vanne. Collaboration nécessaire des occupants (tentures, manteaux, … recouvrant les vannes).
Vannes de zones	Peu de vannes à installer si le nombre de circuits à gérer est faible.	Multiplication des vannes si le bâtiment est équipé de nombreuses colonnes montantes. Difficulté de choix du ou des locaux de référence. Pas de prise en compte des situations particulières (locaux avec beaucoup d’occupants, matériel de bureautique,…). Nécessité d’une collaboration des occupants du local de référence (ne pas ouvrir les fenêtres, ne pas changer la consigne, ne pas cacher la sonde par une affiche !).
Un nouveau circuit par façade	Indépendance des zones.	Travaux lourds. Pas de prise en compte des apports gratuits dus aux occupants (par exemple, si une classe est remplie, le chauffage doit pratiquement s’arrêter).

Une demande de prix à un installateur permettra de trancher entre les solutions.

Exemple.

Le chauffage est distribué par plateau

Situation de départ

> Solution : vannes thermostatiques sur tous les radiateurs sud

Situation de départ

> Solution : nouveau circuit sud au départ de la chaudière ou du collecteur

Le chauffage est distribué par colonnes montantes

Situation de départ

> Solutions :

vannes 2 voies modulantes sur chaque colonne montante de la façade sud avec un ou plusieurs locaux témoins,
nouveau collecteur reprenant toutes les colonnes de la façade sud,
vannes thermostatiques sur tous les radiateurs sud.

Situation 2 : certains locaux doivent être chauffés en dehors des heures d’occupation générales

Un exemple serait la présence, dans une école d’un internat ou d’une conciergerie qui imposerait un chauffage permanent de l’ensemble des bâtiments. A nouveau, deux solutions coexistent :

La création de branches distinctes pour alimenter des zones aux besoins si différents.
La séparation totale des circuits, avec le placement d’une petite chaudière spécifique pour la conciergerie ou l’ internat.

Exemple. L’évaluation de l’économie engendrée peut être évaluée grossièrement comme suit : admettons que l’école représente 80 % de la surface chauffée. La réalisation d’une intermittence de son chauffage entraînera 30 % d’économie. L’économie sur la consommation existante représente donc 30 % de 80 %, soit 24 % du total.

La deuxième solution est plus coûteuse mais la petite chaudière, avec son meilleur rendement de fonctionnement, apportera une économie supplémentaire.

Études de cas

Évaluation des installations de chauffage d’un centre d’hébergement.

Parfois, une réorganisation des horaires ou des lieux d’activités permet d’éviter de gros investissements.

Exemple. Par exemple, pourquoi ne pas essayer d’organiser la réunion hebdomadaire du club de Scrabble dans l’aile de bâtiment de toute façon chauffée pour les internes ?

Situation 3 : certains locaux ne doivent pas être chauffés en permanence durant la journée

Exemple. Imaginons, dans une école, deux zones thermiques situées sur un même circuit : la bibliothèque qui est dans l’aile des classes primaires. Elle n’est utilisée que deux fois par semaine sur le temps de midi, or la surface chauffée n’est pas négligeable …

Il faut analyser le type de raccordement des radiateurs.

> Cas 1 : tous les radiateurs du local sont situés sur une même conduite, en série et en bout de circuit

Dans ce cas, une simple vanne deux voies peut se placer sur la conduite départ vers les radiateurs. Elle est commandée par un thermostat présent dans un local témoin, thermostat comprenant une programmation horaire des températures. Dans l’exemple, deux heures avant l’ouverture de la bibliothèque, la vanne s’ouvrirait pour réchauffer le local. Une température minimale hors activité serait prévue pour éviter tout risque de gel. Si les radiateurs des classes primaires sont équipés de vannes thermostatiques, les radiateurs de la bibliothèque pourront rester avec leurs vannes ordinaires, toutes ouvertes, la régulation étant assurée par la vanne deux voies. Le coût du matériel à placer s’élève à environ 300 €.

> Cas 2 : les radiateurs du local sont situés sur des conduites distinctes

Dans ce cas une action peut être menée sur chaque vanne thermostatique,

Soit en plaçant des vannes thermostatiques programmables indépendantes. Leur prix de revient est de 100 € plus élevé que les vannes traditionnelles. Il faut également penser que les vannes thermostatiques sont fragiles (par rapport aux vannes institutionnelles) et qu’une personne de confiance doit être responsable de la programmation. Cela colle donc très bien pour la bibliothèque, beaucoup moins pour le local des scouts, malgré qu’il soit lui aussi à usage périodique.

Vanne thermostatique programmable : la tête est « trompée » par l’alimentation d’une résistance chauffante électrique. Lorsque le chauffage doit être coupé, la résistance chauffe le corps sensible de la vanne, celle-ci croit qu’il fait chaud dans le local et bloque l’alimentation du radiateur en fonction d’une horloge.

Soit en plaçant sur chaque alimentation de radiateur, une vanne servomoteur tout ou rien, régulée par un thermostat d’ambiance unique pour toutes les vannes. Si le régulateur revient à 200 €, le prix d’un servomoteur est d’environ 50 €. Si la bibliothèque dispose de 4 radiateurs répartis sur des circuits différents, le supplément de régulation est de 200 + 50 x 4 = 400 €.

Découvrez ces 2 exemples de régulation du chauffage : le Collège Saint Paul de Godinne et le Lycée « La retraire » à Bruxelles.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le circuit de distribution

Collecteurs primaires en boucle ouverte

Circuit primaire en boucle ouverte.

Un circuit en boucle ouverte est composé d’un collecteur de départ et d’un collecteur de retour séparés. Il n’y pas de pompe primaire. Ce sont les circulateurs des circuits secondaires qui déterminent le débit qui circulera dans les collecteurs et les chaudières.

Ce circuit présente l’avantage de la simplicité de conception et donc des économies d’investissement.

Par contre, comme inconvénient, il présente des risques d’interférence entre les circuits secondaires et donc des difficultés de régulation. En effet, toute modification de l’ouverture d’une vanne mélangeuse entraînera une modification du débit dans les autres circuits. Il s’en suivra des réactions en chaîne des régulateurs et des oscillations dans le réglage des vannes.

Cas où la boucle ouverte est recommandée

Ce type de circuit n’est pas à rejeter d’office. En effet, son extrême simplicité peut être exploitée sans problème en présence de

chaudières à grand volume d’eau, pouvant fonctionner à débit nul,
et pouvant fonctionner sans limite basse de température de retour,
et raccordées à des collecteurs primaires courts.

Dans ce cas, en effet

Les chaudières ne risquent pas de se rompre au démarrage, alors que toutes les vannes mélangeuses sont fermées.
Les chaudières peuvent condenser sans risques lorsqu’en mi-saison, la température de l’eau renvoyée par les circuits secondaires s’abaisse.
Le circuit primaire présente des pertes de charge tellement négligeables qu’une modification de débit (vanne mélangeuse se fermant, ou chaudière mise à l’arrêt et isolée), ne modifiera que très peu les conditions de fonctionnement des circuits secondaires.

Remarquons que ce type de schéma convient très bien pour les chaudières à condensation pouvant fonctionner sans débit minimal.

Cas où la boucle ouverte ne convient pas

Dans le cas de chaudières à faible volume d’eau, et donc à forte perte de charge, les circuits primaires en boucle ouverte sont à exclure.

Si la chaudière choisie ne supporte pas les retours à température froide (qui risquent d’apparaître en mi-saison puisque l’eau renvoyée vers la chaudière est à la température de retour des circuits), un circulateur de recyclage doit alors être prévu sur les chaudières.

Circulateur de by-pass placé sur la chaudière.

Cas particulier du remplacement de chaudière

Comme on le voit, toutes les chaudières ne peuvent convenir avec un circuit en boucle ouverte. Il faut donc être attentif lorsque l’on procède au remplacement d’une ancienne chaudière raccordée à ce type de circuit. Il faut que la nouvelle chaudière puisse « survivre » aux mêmes conditions de fonctionnement (sans irrigation minimale, sans limite basse de température de retour). Dans le cas contraire, il faut adapter le circuit primaire, par exemple en installant une pompe de bypass.

En conclusion

En conclusion, pour sa simplicité, le circuit primaire en boucle ouverte peut être considéré comme le circuit le plus intéressant mais ne convient que pour certains types de chaudières. Dans les autres cas, il faudra choisir un circuit en boucle fermée ou avec une bouteille casse-pression qui présentent des performances énergétiques légèrement moindres.

Collecteurs primaires en boucle fermée

Lorsque la chaudière ne peut supporter les conditions de fonctionnement imputables au circuit en boucle ouverte ou que le collecteur primaire doit avoir une longueur importante (cas d’un collecteur alimentant plusieurs sous-stations), on peut avoir recours à un circuit en boucle fermée.

Circuit primaire fermé avec pompe unique.

Circuit primaire fermé avec une pompe par chaudière.

Intérêt d’un circuit en boucle fermée

Le circuit primaire en boucle fermée a pour but d’éliminer la pression différentielle au pied de chaque circuit secondaire. On dit que la boucle primaire est « sans pression » ou que la pression différentielle entre les collecteurs est faible par rapport à la perte de charge des vannes trois voies du secondaire.

En pratique, pour que la boucle fermée puisse jouer son rôle, il faut réduire ses pertes de charge. Pour cela, on double le diamètre des collecteur par rapport au diamètre de la boucle.

Il faut également être attentif à ne pas placer dans la boucle un élément à forte perte de charge comme un clapet anti-retour, ou encore une vanne d’isolement partiellement fermée.

Cette dernière est pourtant couramment rencontrée. Elle est prévue notamment pour le cas où une pompe secondaire tomberait en panne : en fermant la vanne, le circuit primaire se met en pression et de l’eau est poussée par la pompe primaire vers le circuit défaillant. Le problème est qu’il faut être attentif qu’en fonctionnement normal, la vanne soit totalement ouverte, les circulateurs doivent « aspirer » le débit dans la boucle primaire et non se sentir « poussé dans le dos » par la pompe primaire.

Si ces différentes précautions ne sont pas prises, le problème d’interférence hydraulique entre les circuits (parfois rencontré avec les circuits en boucle ouverte) risque d’apparaître.

Inconvénient d’un circuit en boucle fermée

Dans le cas d’installations composées de plusieurs chaudières régulées en cascade, le circuit en boucle fermée implique de faire fonctionner les chaudières à plus haute température pour éviter les problèmes d’incompatibilité des débits entre les circuits secondaires et le collecteur primaire et les risques d’inconfort.

Les chaudières et le collecteur présentent ainsi plus de pertes.

Ce type de circuit est donc énergétiquement moins intéressant et choisir une chaudière très basse température en association avec celui-ci n’a guère de sens.

Calculs

Pour simuler cette situation, cliquez ici !

Collecteurs primaires avec bouteille casse-pression

Circuit primaire avec bouteille casse-pression.

Les avantages et inconvénients de la bouteille casse-pression sont semblables à ceux de la boucle fermée :

S’adresse aux chaudières demandant un débit d’eau minimum permanent et ne pouvant supporter des retours à très basse température.
Permet d’éviter les problèmes d’interférence entre les circuits dans le cas de chaudières et de collecteur à fortes pertes de charge.
Demande aux chaudières de fonctionner à plus haute température pour éviter les problèmes d’incompatibilité des débits entre le circuit primaire et les circuits secondaires (ici, c’est le premier circuit secondaire après la bouteille casse-pression qui risque de puiser de l’eau froide dans le retour).

Un avantage de la bouteille casse-pression par rapport à la boucle fermée est de pouvoir profiter de la faible vitesse de circulation dans la bouteille pour y installer un dégazeur et une récupération des matières solides qui décantent vers le fond de la bouteille.

On reconnait à droite de la chaudière la bouteille casse-pression. Elle sépare hydrauliquement le circuit de la boucle primaire (venant de la chaudière) des 2 circuits alimentant des collecteurs secondaires (départ rouge et retour bleu).

Ici, le placement d’une bouteille casse-pression paraît discutable puisqu’il s’agit d’une chaudière à condensation…(voir ci-dessous).

Cas particulier des chaudières à condensation

La présence d’une chaudière à condensation impose une étude particulière du circuit hydraulique qui lui sera associée.

En effet, le circuit doit garantir une alimentation de la chaudière avec une eau à la température la plus basse possible, condition pour favoriser au maximum la condensation.

Le choix du circuit hydraulique dépend principalement de 3 facteurs :

1. le type d’utilisateurs : applications toutes à basse température, applications mixtes basse et haute température, présence d’une production d’eau chaude sanitaire, …
2. le type de chaudière : avec ou sans irrigation impérative,
3. le nombre de chaudières : une seule chaudière à condensation, chaufferie composée (une chaudière traditionnelle et une chaudière à condensation).

On comprend que la configuration du circuit hydraulique est intimement liée au type de chaudière choisi. Il est donc impératif que le cahier des charges de la nouvelle installation comprenne une description précise de ces deux éléments. Une modification ultérieure ou un choix incorrect de l’installateur risque de conduire à une association chaudière – circuit ne correspondant plus aux critères de performance d’une installation à condensation.

Principes de base et conseils

Pour assurer une condensation maximale, il faut respecter les principes suivants:

S’il y a plusieurs types d’utilisateurs, la chaudière à condensation ou la partie « échangeur-condenseur » de cette chaudière doit être alimentée par les retours les plus froids. Par exemple, avec une installation équipée de groupes de traitement d’air à température élevée et de radiateurs fonctionnant en température glissante, c’est ce dernier circuit qui sera raccordé sur la chaudière à condensation.
En aucun cas, le retour d’eau froide vers la chaudière ne peut être mélangé avec de l’eau chaude. Il faut donc éviter les boucles fermées, les circulateurs de by-pass, les soupapes différentielles, …

Exemple.

Dans une installation équipée de vannes thermostatiques, il est coutume de placer au départ de chaque circuit de distribution secondaire, une soupape différentielle qui « court-circuite » une partie du débit pour éviter que la pression n’augmente trop dans le circuit lorsque les vannes se ferment.

Lorsque les vannes thermostatiques se ferment, la pression augmente dans le réseau. La soupape différentielle s’ouvre alors pour renvoyer directement une partie de l’eau chaude vers le retour.

Cette technique a pour effet de remonter la température de retour lorsque les vannes thermostatiques se ferment. Elle est donc à déconseiller.

On peut lui préférer les circulateurs à vitesse variable qui, eux vont automatiquement diminuer le débit à la fermeture des vannes. On y gagne en consommation électrique et en diminution de la température d’eau de retour.

Départ des circuits secondaires avec circulateurs à vitesse variable.

En pratique

Chaque fabricant de chaudière à condensation propose des schémas hydrauliques se rapportant à leur matériel. Ils peuvent également étudier l’intégration de la chaudière dans une installation existante. De même, le subside accordé actuellement par les distributeurs de gaz est soumis à un examen des circuits hydrauliques qui doit garantir le fonctionnement correct de la condensation.

Techniques

Pour visualiser des exemples de circuits hydrauliques favorables à la condensation, cliquez ici !

Raccordement des chaudières au circuit primaire

On rencontre généralement deux types de raccordement des chaudières au circuit primaire : en parallèle ou avec une « boucle de Tichelmann ».

Anciennement, la « boucle de Tichelmann » était souvent préconisée du fait de l’équilibrage automatique qu’elle permettait. Elle ne se justifie plus toujours actuellement. En effet :

L’équilibrage « naturel » réalisable grâce à une boucle de « Tichelmann » est tout relatif. En effet, étant donné la normalisation des diamètres des conduits de distribution, il est impossible d’obtenir exactement les mêmes pertes de charge dans tous les tronçons. Par exemple, pour un débit de 32 m³/h, la perte de charge est de 96 Pa/m pour une conduite DN 100 et de 346 PA/m pour une conduite DN 80. Les pertes de charges singulières (coudes, tés, …) sont également différentes d’un tronçon à l’autre. Des vannes d’équilibrage peuvent donc être également nécessaires avec un raccordement « Tichelmann ».
Avec les chaudières à faible capacité en eau et forte perte de charge, la perte de charge des conduites peut devenir négligeable par rapport à celle des chaudières. La configuration du raccordement des chaudières influe donc peu sur la répartition des débits entre les chaudières.La « boucle de Tichelmann » n’apporte rien en présence d’une combinaison de chaudières différentes (puissance différentes, chaufferie composée d’une chaudière traditionnelle et d’une chaudière à condensation, …) puisque dans ce cas, il ne sert à rien de maintenir une pression identique au droit de chaque chaudière.
La « boucle de Tichelmann » ne peut s’appliquer à une installation à plus de 2 chaudières régulées en cascade avec isolation hydraulique à l’arrêt. En effet, si la circulation est stoppée dans une des chaudières, le débit va varier dans certains tronçons et pas dans d’autres. Il apparaîtra alors un « déséquilibre hydraulique » entre les chaudières encore en fonctionnement.

Pour que les circuits alimentant chaque chaudière présentent les mêmes pertes de charge, il faut que
la perte de charge du tronçon AB parcouru par le débit q soit la même que celle du tronçon DE parcouru par le débit 2q et que la perte de charge du tronçon BC parcouru par le débit 2q soit la même que celle du tronçon EF parcouru par le débit q.

Or si la première chaudière est mise à l’arrêt par la régulation, le débit des tronçons DE et EF restent inchangés, tandis que le débit des tronçons AB et BC varie. Les pertes de charge ne sont donc plus identiques entre les circuits de chaque chaudière. Il y a déséquilibre et variation des débits dans les chaudières en fonctionnement.

Configuration des circuits secondaires

Comme cela est également expliqué dans le choix de la régulation :

A chaque « zone thermique homogène », son circuit spécifique.

C’est le critère essentiel pour obtenir une régulation correcte.

Idéalement, le découpage hydraulique coïncidera avec la répartition des locaux ayant des besoins similaires,

similaires au niveau des plages horaires d’occupation essentiellement,
similaires dans les sollicitations extérieures (soleil, vent,…), ce qui entraîne bien souvent un découpage par façade,
similaires au niveau du type d’équipement de chauffage et au niveau de l’inertie du bâtiment (on ne mélange pas des radiateurs et des convecteurs sur un même circuit car ils demandent des températures de fonctionnement différentes).

Exemple.

Par exemple, dans une école, les locaux de classes et les couloirs attenants peuvent être sur un même circuit : leurs plages d’occupation sont similaires et il suffira de placer des vannes thermostatiques sur les radiateurs pour maintenir 16° dans les couloirs. Par contre, la salle de gymnastique devra disposer d’un circuit distinct si,

soit son occupation la distingue du reste de l’école (entraînements sportifs le soir, par exemple),
soit son type de corps de chauffe est différent (des aérothermes sont toujours alimentés par de l’eau à haute température).

De même, lors de la conception d’un immeuble de bureaux, on imaginera de pouvoir chauffer chaque étage indépendamment des autres (utilisation de WE, multi-locataires, …).

Choix des matériaux

Le matériau utilisé pour réaliser le circuit de distribution n’influence pas les performances énergétiques de l’installation.

Par contre, il peut avoir un impact sur les risques de corrosion encourus.

La combinaison du cuivre et de l’acier

Il faut savoir que l’utilisation de plusieurs métaux différents dans une même installation peut être une source de problème.

Notamment, en présence d’eau, le cuivre induit une corrosion du métal auquel il est couplé.

L’utilisation du tube en cuivre et du tube en acier dans une même installation est donc à éviter.

Le risque est cependant limité dans le circuit fermé d’une installation de chauffage si les apports d’oxygène neuf sont faibles, ce qui signifie qu’il faut éviter les rajouts fréquents d’eau d’appoint (fuites, détérioration du vase d’expansion) ou les dépressions dans le circuit.

Concevoir

Les dépressions dans un circuit de chauffage sont le résultat d’un mauvais dimensionnement du vase d’expansion ou de son emplacement incorrect.

Pour en savoir plus, cliquez ici !

La combinaison de l’aluminium et de l’acier

Certains traitements de l’eau consistent à injecter des produits ayant pour but de neutraliser les agents facteurs de corrosion et éventuellement de former une couche protectrice sur la surface métallique.

Pour ces traitements, la cohabitation entre l’acier et le cuivre est acceptable car il existe des conditions de « passivation » (acidité de l’eau) communes pour ces deux métaux.

Par contre, les conditions de passivation de l’acier correspondent aux conditions de corrosion de l’aluminium. Ceci demande donc l’emploi d’inhibiteurs de corrosion appropriés.

Pour cette difficulté, la combinaison de l’acier et de l’aluminimum (certains radiateurs décoratifs) est délicate.

Matériaux synthétiques

Il existe des matériaux synthétiques aptes à être utilisés dans les installations de chauffage (polyéthylène réticulé, polypropylène).

Ceux-ci résistent aux températures et pressions imposées et sont munis de barrières étanches à la pénétration de l’oxygène dans l’installation.

Les produits autorisés font l’objet d’un agrément technique ATG qui précise leur domaine d’application.

Pour en savoir plus sur l’utilisation et la mise en œuvre de ces matériaux, nous renvoyons le lecteur à la note d’information technique NIT 207 du CSTC : Systèmes de tuyauteries en matériau synthétique pour la distribution d’eau chaude et froide sous pression dans les bâtiments (mars 1998).

Isolation

Quelle conduite isoler ?

Suivant les prescriptions de la norme NBN D30-041 et du cahier des charges type 105 de la Régie des bâtiments (1990), les conduites suivantes doivent être isolées :

Toutes les conduites de chauffage se trouvant dans le sol, à l’extérieur ou dans des espaces ne faisant pas partie du volume protégé (volume chauffé) du bâtiment (chaufferie, grenier, sous-sol, …).
Toutes les conduites de chauffage se trouvant dans des faux plafonds, des locaux techniques ou des gaines techniques, même si ceux-ci font partie du volume protégé du bâtiment.
Toutes les conduites de chauffage traversant des locaux où un système de climatisation est prévu.
Toutes les conduites de chauffage passant dans des locaux du volume protégé mais desservant d’autres locaux et non le local où elles passent.

Cette dernière exigence est valable si

le diamètre de la conduite est supérieur à DN 60,
si la longueur totale des conduites de ce type est supérieure à 6 m,
et surtout si les déperditions des conduites sont telles qu’elles entraînent une surchauffe (donc une surconsommation) du local traversé.

Évaluer

Pour en savoir plus sur la surchauffe liée à la distribution, cliquez ici !

Épaisseur d’isolation

Calculs

Pour évaluer l’épaisseur d’isolation à mettre en œuvre et comparer le gain énergétique et financier de plusieurs solutions d’isolation, cliquez ici !

Les tableaux suivants traduisent les exigences de la norme NBN D30-041 en tenant compte de la température de l’eau (fonction du mode de régulation), de la température ambiante et des épaisseurs d’isolant courantes sur le marché :

–	Conduite extérieure (température ambiante : 0°C)
–	Épaisseur d’isolant rapportée à un coefficient de conductibilité de 0,04 W/mK [en mm]
Température de l’eau	*45°C ()**	80°C
DN	*45°C ()**	80°C
10	25	40
15	25	40
20	30	40
25	30	50
32	40	50
40	40	50
50	40	50
65	40	60
80	50	60
100	50	80
125	60	80
150	60	80
200	60	80
250	60	80
300	80	100
350	80	100
400	80	100
() température équivalente à un fonctionnement en température glissante en fonction de la température extérieure.*

–	Conduite intérieure (température ambiante : 15°C)
–	Épaisseur d’isolant rapportée à un coefficient de conductibilité de 0,04 W/mK [en mm]
Température de l’eau	45°C (*)	80°C
DN	45°C (*)	80°C
10	25	30
15	25	30
20	25	40
25	25	40
32	30	40
40	30	50
50	30	50
65	40	50
80	40	60
100	40	60
125	50	60
150	50	80
200	50	80
250	60	80
300	60	80
350	60	80
400	60	80
() température équivalente à un fonctionnement en température glissante en fonction de la température extérieure.*

Dispositions particulières	Épaisseur d’isolant
Tuyaux pour les percements dans les planchers et les murs et pour les croisements.	La moitié des exigences ci-dessus
Tuyaux situés dans des éléments constructifs entre locaux chauffés et occupés par des utilisateurs différents.	La moitié des exigences ci-dessus
Tuyauteries dans la dalle entre locaux chauffés et occupés par des utilisateurs différents.	6 mm
Tuyaux entre locaux chauffés et occupés par le même utilisateur.	Aucune

Pour les vannes, filtres et autres brides, la norme NBN D30-041 demande d’isoler les vannes ayant un diamètre supérieur ou égal à DN40 au moyen d’une enveloppe démontable. L’épaisseur d’isolant doit être équivalente à 6 cm de laine minérale.

Protection de l’isolant

Une protection de l’isolant s’impose pour :

augmenter la durabilité de l’installation,
conserver la valeur de l’isolation en la protégeant des infiltrations d’eau et d’humidité.

Actuellement, on rencontre principalement des tôles d’aluminium, des revêtements plastiques ou du plâtre.

Généralement, les isolants en caoutchouc synthétique ou mousse de PE souple, à structure à cellules fermées et paroi extérieure lisse ne doivent pas être pourvus d’un revêtement complémentaire.

Les isolants placés dans les coudes doivent être protégés par un élément préformé ou découpés sur mesure.

Lorsqu’il s’agit de tuyauteries non apparentes le revêtement peut être appliqué en usine sur les coquilles isolantes. Les joints entre les coquilles devant être parachevés par une bande autocollante (par exemple en aluminium).

Protection de l’isolant en aluminium (pose en cours).

Protection de l’isolant en plâtre.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Fonctionnement d’une cheminée

Notion de tirage

Lorsqu’un gaz est chauffé, il se dilate. Une même masse de gaz aura donc un volume plus grand si elle est plus chaude ou un même volume de gaz sera plus léger s’il est plus chaud.

Par exemple, la masse volumique de l’air (à la pression atmosphérique) est de 1,293 kg/m³ à 20°C, celle des gaz de combustion à 200°C est de 0,760 kg/m³.

Les gaz légers auront donc tendance à monter s’ils sont immergés dans un gaz plus lourd.

Ceci signifie que plus la différence de température entre les gaz chauds dans la cheminée et l’air extérieur est grande, plus les gaz ont tendance à monter.

Une cheminée fonctionne donc mieux en hiver qu’en mi-saison ou qu’en été (si la chaudière est utilisée pour la production d’eau chaude sanitaire).

Plus la colonne de gaz chaud est haute, plus le tirage est important.

Si on ferme avec une plaque les extrémités hautes et basses de la cheminée remplie de gaz chaud et que l’on mesure la pression dans le conduit, on constatera que le couvercle supérieur est soumis à une certaine pression et que cette pression décroit quand on descend dans la cheminée pour devenir nulle au niveau de la plaque inférieure.

Si on enlève la plaque supérieure, la pression au sommet de la cheminée devient subitement égale à la pression atmosphérique et comme la pression décroit le long du conduit une dépression s’exerce sur la plaque inférieure.

Si on ouvre la bas de la cheminée, tout en maintenant la température dans le conduit, la colonne de gaz chaud montera de plus en plus vite pour atteindre un maximum et sa vitesse ne changera plus.

La dépression créée ou tirage de la cheminée est calculée par :

ΔP_ch= g x h x (ρ_air– ρ_gaz)

où,

ΔP_ch= tirage de la cheminée [Pa]
g ≈ 9,81 m/s² = accélération de la pesanteur [m/s²]
h = fauteur de la cheminée [m]
ρ_air et ρ_gaz= masses volumiques de l’air à la température extérieure et des fumées [kg/m³]

Donc plus la cheminée est haute et plus les fumées sont chaudes, plus le tirage est important.

Régulateur de tirage

Le tirage dans la cheminée est fonction de sa hauteur et de la différence de température entre l’air extérieur et les fumées. Cette dernière est variable en fonction de la saison.

La pression différentielle au niveau du raccordement de la chaudière et donc au niveau du brûleur varie donc. Comme presqu’aucun brûleur pulsé (gaz ou fuel) n’adapte la vitesse de son ventilateur en conséquence, l’amenée d’air comburant est donc influencée par les conditions atmosphériques. Il en va de même pour l’échange de chaleur dans la chaudière (les fumées sortent plus vite et plus chaudes de la chaudière) et donc pour le rendement de combustion.

Le rôle du régulateur de tirage est de compenser cette fluctuation. Il peut être motorisé ou non motorisé. Dans ce deuxième cas, il est composé d’un clapet circulaire ou carré placé sur un axe excentrique. Un contre-poids réglable permet d’ajuster l’ouverture en fonction de la dépression.

Régulateur de tirage.

Si le tirage augmente (entraînant une perte de rendement de combustion), le régulateur de tirage s’ouvre et mélange les fumées avec de l’air de la chaufferie. Le volume de gaz aspiré par la cheminée augmente et la température diminue. Il y a donc moins de tirage.

Le tirage reste ainsi quasiment constant au niveau du raccordement de la chaudière.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique des chaudières

Chaudière en coupe, lorsque le brûleur est en fonctionnement et lorsqu’il est à l’arrêt : une partie de l’énergie contenue dans le combustible consommé est directement perdue par la chaudière.

Rendement de combustion

Le rendement de combustion d’une chaudière est l’image de la transformation complète du combustible en chaleur et de la transmission de celle-ci à l’eau de la chaudière.

Ordre de grandeur

Théoriquement, une chaudière moderne performante (sans condensation) et parfaitement réglée pourrait atteindre un rendement de combustion de 93-94 %, ce qui signifie que 5 % de l’énergie contenue dans le combustible est perdue sous forme de chaleur et d’imbrûlés dans les fumées.

Dans la pratique, un rendement de combustion de 93 % peut être considéré comme très bon.

À l’inverse, on peut considérer qu’une valeur de 88 % mérite une amélioration, sachant qu’une diminution de 1 unité (1 %) du rendement de combustion équivaut, en première approximation, à une surconsommation de 1 %.

Exemple.

Une chaudière de 400 kW consomme annuellement 60 000 m³ de gaz. Une amélioration du rendement de combustion de 1 %, par un meilleur réglage du brûleur permet d’économiser 600 m³ de gaz, soit environ 420 €/an (à 0,7 €/m³ de gaz).

Pour les chaudières à condensation récentes, le rendement de combustion pourrait atteindre des valeurs théoriques de l’ordre de 108 %.% sur PCI.

Origine possible d’un mauvais rendement de combustion

Un mauvais rendement de combustion d’une chaudière peut avoir pour origine :

un brûleur inadapté à la chaudière,
un mauvais réglage du brûleur,
un encrassement de la chaudière,
un tirage trop important de la cheminée,
des entrées d’air parasites,
ou tout simplement une chaudière de conception trop ancienne.

Évaluer le rendement de combustion d’une chaudière existante

Pour les chaudières au fuel : selon la fiche d’entretien

Actuellement, suivant la PEB chauffage, l’entretien annuel des chaudières fonctionnant au fuel est obligatoire. Il doit être accompagné d’une mesure du rendement de combustion. Le résultat de cette mesure est consigné sur une fiche d’entretien dont la conservation par l’utilisateur est obligatoire.

On peut cependant émettre certaines réserves quant à l’interprétation que l’on peut faire de ce chiffre.

Premièrement parce qu’il s’agit de la mesure effectuée juste après l’entretien. Le rendement obtenu est donc souvent meilleur que le rendement moyen durant la saison de chauffe (déréglage, encrassement progressif, …).

Ensuite, la pratique montre que l’exactitude des chiffres repris sur la fiche peut parfois être discutée. Pour l’illustrer, voici deux exemples :

La température ambiante reprise sur la fiche est presque toujours de 20°C. Il n’est pas rare de rencontrer une température de 35°C dans les anciennes chaufferies mal ventilées abritant des chaudières et des conduites mal isolées.

La température des fumées est indiquée sur la fiche, alors que la buse d’évacuation ne comporte pas de trou pour permettre la prise de mesure.

Trou dans la buse de raccordement, permettant la mesure des caractéristiques des fumées.

Notons en outre qu’actuellement, selon la PEB chauffage, les chaudières fonctionnant à combustible solide et liquide sont soumises à une obligation de mesure du rendement : 1 fois par an et les chaudières à combustible gazeux 1 fois tous les 2 à 3 ans en fonction de la puissance utile du générateur.

Évaluer

Pour comprendre les termes d’une attestation d’entretien d’une chaudière fuel et interpréter les données qui y sont reprises.

Pour les chaudières gaz : selon la plaque signalétique

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur atmosphérique, le débit de gaz ne peut être réglé. On peut donc rapidement estimer le rendement de combustion au départ de la plaque signalétique de la chaudière. En effet, cette dernière mentionne la puissance fournie à l’eau et la puissance fournie par le brûleur :

soit directement sous forme d’une puissance (« charge thermique » ou « puissance brute ») en [kW],

soit sous forme d’un débit de gaz en [m³/h] qu’il faut multiplier par 9,45 [kWh/Nm³] (si le gaz de référence est du G20) ou 8,13 [kWh/Nm³] (si le gaz de référence est du G25) pour obtenir la puissance en [kW].

En divisant l’un par l’autre, on obtient le rendement utile qui équivaut au rendement de combustion, aux pertes vers la chaufferie près.

Exemple.

Plaque signalétique d’une chaudière gaz atmosphérique : le rendement utile nominal de la chaudière vaut
116 [kW] / 128,2 [kW] x 100 = 90 %.

C’est en effectuant ce calcul que l’on se rend compte que des chaudières gaz atmosphériques relativement récentes (.. 1996 ..) présentent des valeurs de rendement utile relativement bas (juste égaux au minimum requis par la réglementation de 1988), de l’ordre de 86 .. 87 %. Cela s’explique par l’important excès d’air nécessaire à ce type de brûleur.

Attention, certains techniciens chargés de l’entretien des chaudières remplissent, pour les chaudières gaz atmosphériques, une attestation semblable aux attestations d’entretien des chaudières fuel. Le calcul de rendement de combustion qui y figure n’a aucune signification. En effet, il est impossible de mesurer les caractéristiques des fumées dans le coupe-tirage de la chaudière (et pourtant c’est ce que ces sociétés font), du fait du mélange des fumées avec de l’air et des turbulences présentes à cet endroit.

Pour les brûleurs gaz à air pulsé, il faut comme pour les brûleurs fuel, se fier à la fiche d’entretien.

Mesurer le rendement de combustion d’une chaudière existante

Le rendement de combustion repris sur la fiche d’entretien est une valeur instantanée prise juste après l’entretien. Cette valeur peut se dégrader dans le temps, notamment par l’encrassement de la chaudière et du brûleur, mais également par modification des caractéristiques (pression, température) de l’air comburant.

Il est donc bon, pour les grosses installations, de procéder à une ou plusieurs mesures de rendement entre 2 entretiens, par exemple, à chaque changement de saison.

Mesures	Pour visualiser les différentes techniques de mesure du rendement de combustion.
Évaluer	Pour interpréter le résultat d’une mesure de rendement de combustion.

Par exemple, la présence de suie dans la chaudière va diminuer l’échange entre les fumées et l’eau. Cela va augmenter la température des fumées, donc aussi les pertes vers la cheminée : 1 mm de suie sur la surface de l’échangeur équivaut à une perte de rendement de combustion de 4 à 8 %. On peut également prendre comme référence qu’une température de fumée supérieure de 15°C à la valeur mesurée lors du dernier entretien indique souvent un encrassement excessif de la chaudière (cela équivaut à une surconsommation de 1 .. 1,5 %).

Améliorer

Améliorer le réglage du brûleur.

Gérer

Améliorer la maintenance de la chaudière.

Améliorer

Changer le brûleur.

Pertes vers la chaufferie

Lorsque le brûleur est en fonctionnement, la chaleur de la flamme et des fumées est en grande partie transmise à l’eau de chauffage. La flamme rayonne également vers des zones qui dans les anciennes chaudières ne sont par irriguées par l’eau et qui plus est, ne sont pas toujours isolées.

Il s’agit principalement de la porte-foyer, du fond et du socle de la chaudière.

Chaudière de 1972 : la porte-foyer peu isolée dont la température de surface durant le fonctionnement du brûleur est proche de 100°C.

Malheureusement, il est difficile et souvent onéreux d’isoler une ancienne porte-foyer.

Il faut cependant retenir que la mauvaise isolation de certaines parties de la chaudière est un symbole de la vétusté et du peu de performance de celle-ci.

Ordre de grandeur

Pertes vers l’ambiance totales (pertes par parois sèches + pertes par parois irriguées) des anciennes chaudières lorsque le brûleur est en action, en pourcentage de la puissance de la chaudière.
1 : chaudière au charbon converties au fuel
2 : chaudière gaz atmosphérique
3 : chaudière fuel ou gaz à brûleur pulsé.
Source : le Recknagel.

Pertes à l’arrêt

Pertes vers la chaufferie

Entre les périodes de fonctionnement du brûleur, la chaudière perd sa chaleur vers la chaufferie.

Degré d’isolation de la chaudière

L’importance de cette perte dépend d’abord du degré d’isolation de la jaquette de la chaudière.

Les chaudières actuelles sont isolées avec une épaisseur de laine minérale d’environ 10 cm. Il en résulte des pertes vers la chaufferie négligeables (de l’ordre de 0,1 .. 0,7 % de la puissance nominale).

Il n’en va pas de même pour les anciennes chaudières où l’isolant ne dépasse parfois pas une épaisseur de 3 cm sans compter des zones qui parfois ne sont pas isolées ou équipées d’un isolant en piteux état.

Chaudière de 1979 isolée par 3 cm de laine minérale et comportant certaines zones non isolées.

Indice

On peut se faire une première idée des pertes vers la chaufferie en plaçant la main sur la jaquette de la chaudière. Si celle-ci est chaude, il est fort à parier que le degré d’isolation est faible (si le brûleur fonctionne, attention aux risques de brûlure sur les zones non isolées comme la face avant !).

Un contact avec la main permet de se faire une première idée de la qualité de l’isolation.
Références : sur les chaudières modernes non isolées, on ne sent rien et on se brûle à partir de 65°C.

Attention, il existe encore de vieilles chaudières dont l’isolant est fixé à la carrosserie et non sur le « corps » de la chaudière. Dans ce cas, il est possible que l’espace compris entre l’isolant et la chaudière soit en permanence parcouru par un courant d’air. Cela augmente fortement les pertes à l’arrêt, bien que la jaquette semble froide.

Ordre de grandeur

Mesures

Si on veut être plus précis, il est possible de mesurer sur site les pertes à l’arrêt des chaudières, en disposant d’un thermomètre de contact.

Lors d’audits énérgétiques nous avons pu effectuer différentes mesures de température sur d’anciennes chaudières (datant de 1975 à 1985). En moyenne, le pourcentage moyen des pertes mesurées tournait autour des

0,4 .. 0,6 % de la puissance nominale de la chaudière

0,5 % de pertes peut donc être considéré comme un ordre de grandeur représentatif pour les pertes vers l’ambiance d’une ancienne chaudière.

Exemple.

Une chaudière de 400 kW a des pertes vers la chaufferie de 0,5 %. Le brûleur de cette chaudière est à l’arrêt environ 4 500 heures par an. Heures pendant lesquelles la chaudière est maintenue en température.

La perte annuelle engendrée est de :

0,005 x 400 [kW] x 4 500 [h/an] = 9 000 [kWh/an] ou 900 [litres fuel ou m³ gaz /an]

Le remplacement de cette chaudière par une nouvelle chaudière ayant une perte de 0,2 % permettrait donc une première économie de 540 [litres fuel ou m³ gaz /an].

Améliorer

Réisoler la chaudière.

Influence de la température de l’eau dans la chaudière

La température de l’eau dans les chaudières influence également les pertes à l’arrêt. Ces dernières seront plus importantes si les chaudières sont maintenues à haute température toute l’année.

Ainsi, si la température de l’eau dans une chaudière varie complètement en fonction des conditions climatiques (attention, ce qui n’est pas possible pour toutes les chaudières), on obtiendrait, dans la chaudière, une température moyenne sur la saison de chauffe d’environ 43°C. Par rapport à une chaudière maintenue en permanence à 70°C, les pertes à l’arrêt sont réduites de :

1 – [(43 [°C] – 20 [°C]) / (70 [°C] – 20 [°C])]^1,25= 62 [%]

Améliorer

Améliorer la régulation en température de la production.

Balayage du foyer

Lorsque le brûleur est à l’arrêt, tout courant d’air dans la chaudière va entraîner son refroidissement. Or l’alimentation en air des anciens brûleurs pulsés(environ, avant 1985) ainsi que les brûleurs gaz atmosphériques reste en permanence ouverte, même lorsque le brûleur est à l’arrêt. Il en résulte, par effet de tirage naturel, une perte importante vers la cheminée.

Clapet d’air fermé à l’arrêt sur un brûleur.

Indice

Il suffit de mettre la main devant l’entrée d’air du brûleur pour se rendre compte du courant d’air engendré par le tirage de la cheminée. Il est même parfois possible de voir le ventilateur d’un brûleur pulsé entraîné naturellement par celui-ci.

Ordre de grandeur

Mesures

Si on veut être plus précis, il est possible de mesurer sur site les pertes par balayage des chaudières, en disposant d’un anémomètre ou en mesurant la dépression dans la cheminée.

Ici aussi, nous avons pu effectuer différentes mesures de température sur d’anciennes chaudières (datant de 1975 à 1985). En moyenne, le pourcentage moyen des pertes par balayage mesurées tournait autour des

1 .. 1,5 % de la puissance nominale de la chaudière

Exemple.

Reprenons la chaudière de 400 kW de l’exemple précédent. Cette chaudière est équipée d’un brûleur dont le clapet d’air ne se referme pas à l’arrêt. Aux 0,5 % de pertes vers la chaufferie, viennent s’ajouter 1,5 % de pertes vers la cheminée lorsque le brûleur est à l’arrêt. La chaudière présente donc des pertes à l’arrêt totales de 2 %.

La perte annuelle engendrée est donc de :

0,02 x 400 [kW] x 4 500 [h/an] = 36 000 [kWh/an] ou 3 600 [litres fuel ou m³ gaz /an]

Le remplacement de cette chaudière par une nouvelle chaudière avec un brûleur relativement étanche à l’arrêt réduirait la perte à l’arrêt totale à 0,2 % et permettrait donc une première économie de 3 240 [litres fuel ou m³ gaz /an].

Attention, on se rend compte que le coefficient de perte à l’arrêt de la chaudière aura d’autant plus d’impact sur la consommation annuelle que la chaudière est maintenue longtemps en température, brûleur à l’arrêt, c’est-à-dire :

- que la chaudière est

surdimensionnée,
que la chaudière est également maintenue en température en été pour produire de l’eau chaude sanitaire.

Cas particulier des chaudières gaz atmosphériques

Les chaudières gaz à brûleur atmosphérique couramment rencontrées dans les installations de petite et moyenne puissance sont des chaudières dont le foyer reste en permanence ouvert.

En théorie, cela ne devrait pas engendrer de perte par balayage importante. En effet, selon l’ARGB, les chaudières atmosphériques sont conçues pour « retomber en température » entre les demandes de chauffage. Étant froide durant les périodes d’arrêt, les pertes s’annulent. De plus, la présence d’un coupe-tirage supprime le tirage dans la chaudière si celle-ci est froide.

Ce fonctionnement idéal n’est pas cependant guère rencontré en pratique :

Les chaudières sont le plus souvent maintenues en température sur leur aquastat.

Même lorsque le fonctionnement du brûleur est directement commandé par un thermostat d’ambiance, l’inertie thermique des chaudières (qui diminue avec le volume d’eau de la chaudière) les maintient, sauf exception (installations domestiques), à une certaine température moyenne.

La perte par balayage qui en résulte est de l’ordre de 1 .. 2 % de la puissance de la chaudière.

Notons que le balayage d’air dans les chaudières atmosphériques tend à diminuer avec la technologie des brûleurs à prémélange et les nouvelles configurations de chaudière (présence d’un ventilateur d’extraction s’arrêtant à l’arrêt, évacuation des fumées par le bas de la chaudière, …). Le passage d’air à l’arrêt est fortement freiné, ce qui limite les pertes par balayage à des valeurs de 0,2 .. 0,6 %.

Attention aux brûleurs récents (après 1985)

Témoin de position du clapet d’air d’un brûleur :
clapet en position fermée et clapet en position ouverte.

Attention, posséder un brûleur récent n’est pas une garantie de suppression des pertes par balayage. En effet, le clapet d’air qui, théoriquement, devrait se refermer à l’arrêt du brûleur, ne fonctionne pas toujours correctement :

Si le rappel se fait mécaniquement (contre poids ou ressort), le système peut se coincer avec le temps en position ouverte.

Si le rappel est assuré par un servomoteur, l’alimentation électrique ne peut être coupée à l’arrêt du brûleur. Il n’est ainsi pas rare de rencontrer des brûleurs dont le raccordement électrique est mal réalisé : la commande d’enclenchement du brûleur ouvre électriquement le clapet d’air; lorsque la régulation commande l’arrêt du brûleur, l’alimentation électrique de ce dernier est coupée; le clapet d’air ne peut plus se refermer puisque le servomoteur n’est plus alimenté. Il faut donc revoir le câblage du brûleur.

Même avec un brûleur récent, il faut donc vérifier, en plaçant la main devant l’entrée d’air du brûleur, que celle-ci ne laisse pas en permanence un libre passage à l’air.

Comparaison : les chaudières actuelles

Les chaudières actuelles présentent des pertes à l’arrêt nettement moindre que les anciens modèles :

suppression des pertes par balayage, notamment par fermeture du foyer à l’arrêt,
isolation renforcée de la jaquette de la chaudière,
régulation de la température de la chaudière en fonction des besoins.

À titre de comparaison, voici les coefficients de pertes à l’arrêt courants (% de la puissance nominale) que l’on rencontre couramment pour les chaudières actuelles (pour une température d’eau de l’ordre de 65°C) :

à brûleur pulsé : 0,1 (grosses puissances) .. 0,4 % (petites puissances),
à brûleur gaz atmosphérique : 0,6 .. 1,3 %

On peut aussi comparer les anciennes installations aux exigences de label OPTIMAZ, pour les chaudières fuel. Pour obtenir celui-ci, le coefficient de perte à l’arrêt des chaudières fuel ne peut dépasser (pour une différence de température entre l’eau et la chaufferie de 35°C) :

chaudières de moins de 20 kW : 1 %
chaudières entre 20 et 60 kW : 0,8 %
chaudières entre 60 et 400 kW : 0,6 %
chaudières de plus de 400 kW : 0,4 %

Surdimensionnement

Le surdimensionnement de la chaudière joue un rôle important sur l’ampleur des pertes à l’arrêt

Plus la puissance de l’ensemble brûleur/chaudière est importante par rapport aux besoins, plus son temps de fonctionnement annuel est faible par rapport au temps d’attente de la chaudière et plus les pertes à l’arrêt prennent de l’importance sur le rendement global de la production,

Les pertes à l’arrêt sont fonction des caractéristiques constructives de la chaudière. Elles sont proportionnelles à sa puissance nominale,

et sur les émissions polluantes et l’encrassement de la chaudière (production d’imbrûlés au démarrage et à l’arrêt des brûleurs).

Ordre de grandeur

Le temps de fonctionnement continu d’un brûleur (mesurable à l’aide d’un chronomètre ou d’une simple montre) est un premier indice du degré de surdimensionnement de la chaudière. Dans une installation correctement dimensionnée, ce temps doit être de plusieurs minutes. On cite souvent le chiffre de :

4 minutes par cycle de fonctionnement,

comme étant un temps de fonctionnement de brûleur correct.

Attention, ce chiffre n’est évidemment qu’une référence car le temps de fonctionnement du brûleur dépend de la saison et du mode de régulation.

Évaluer

On peut approfondir cet indice en calculant le temps de fonctionnement annuel du brûleur et en comparant ce chiffre à un temps estimé correct en fonction du type de bâtiment. Cette estimation ne peut se faire qu’en connaissant la puissance du brûleur et la consommation annuelle de combustible. Pour approfondir cette méthode d’évaluation.

Présence de plusieurs chaudières

Le découpage de la puissance en plusieurs chaudières peut avoir un impact favorable sur la diminution des pertes à l’arrêt. En effet, si la régulation de l’installation est correctement réalisée, cela permet en principe de réduire le nombre de chaudières en activité, durant une bonne partie de la saison de chauffe et d’éliminer ainsi une partie des pertes.

Profil des besoins annuels d’un bâtiment dont la puissance maximale demandée est de 800 kW (climat de Uccle). Par exemple, le bâtiment demande une puissance de chauffe de plus de 200 kW pendant 4 000 h/an.
Si la puissance installée est découpée en 2 chaudières de 400 kW, la deuxième chaudière ne sera nécessaire que durant 1 140 heures sur la saison de chauffe (qui dure 5 800 heures/an)

Tout dépend cependant de la régulation de l’installation.

Exemple.

Deux chaudières de 558 kW de 1967 et 1959.

Cette installation est composée de deux chaudières de 558 kW chacune. Une seule chaudière est nécessaire pour satisfaire les besoins durant l’année entière. Bien que mise à l’arrêt durant toute la saison de chauffe, la deuxième chaudière est en permanence irriguée par l’eau de chauffage à 70°C.

Elle présente donc des pertes à l’arrêt, d’autant plus inutiles que la puissance de la chaudière n’est pas nécessaire.

Le coefficient de perte à l’arrêt des chaudières est estimé à 2,5 %. La perte à l’arrêt de la deuxième chaudière est donc de :

558 [kW] x 0,025 x 5 800 [h/an] = 80 910 [kWh/an] ou 8 091 [litres fuel ou m³ gaz par an]

Cette perte pourrait être nulle si l’irrigation de la deuxième chaudière était supprimée (par une vanne motorisée ou plus simple ici, par une vanne manuelle).

On voit donc qu’une installation comprenant plusieurs chaudières n’est efficace que si les chaudières inutiles par rapport aux besoins instantanés ne sont pas irriguées par l’eau chaude de l’installation et que l’on réalise une véritable régulation en cascade. Dans le cas contraire, on « subit » pleinement leurs pertes à l’arrêt.

Exemple.

La situation « énergétiquement » aberrante et pourtant sûrement pas exceptionnelle est un ensemble de plusieurs chaudières dont une est en panne depuis plusieurs années. Comme la puissance restante est suffisante pour chauffer le bâtiment, la réparation n’est pas effectuée. Mais la circulation est maintenue dans la chaudière à l’arrêt, entraînant une perte importante.

Mais attention, on constate cependant qu’en pratique des chaudières régulées en cascade avec fermeture d’une vanne d’isolement associée à l’arrêt de la chaudière peuvent cependant rester toute la saison de chauffe en température. D’où peut provenir ce dysfonctionnement ?
On peut citer 3 causes possibles :

Les vannes d’isolement ne sont pas étanches. Pour le savoir, il suffit d’empêcher manuellement le brûleur d’une chaudière à l’arrêt de démarrer et d’observer si sa température chute.
La régulation de la cascade ne tient pas compte de la température extérieure pour commander le démarrage des chaudières. Ainsi, en mi-saison, lors de la relance, le régulateur demande la pleine puissance et commande la mise en route de toutes les chaudières alors qu’une seule chaudière est nécessaire. Les chaudières qui ne serviront plus durant la journée mettront alors un temps certain pour retomber en température (fonction de leur degré d’isolation et de leur inertie thermique). Toute l’énergie contenue dans ces chaudières est perdue.
La temporisation à l’enclenchement des différentes chaudières est trop faible. Ainsi quelle que soit la saison, toutes les chaudières sont susceptibles de démarrer plusieurs fois par jour, restant chaudes quasi en permanence.

Présence de brûleurs 2 allures

L’impact du surdimensionnement est également tempéré par le découpage de la puissance installée au moyen de brûleurs 2 allures ou modulants (gaz ou fuel) :

Le temps moyen d’un cycle de fonctionnement du brûleur augmente et son nombre de démarrage diminue puisque le rapport (puissance fournie/puissance nécessaire) est réduit, notamment en mi-saison.

Le temps de fonctionnement annuel total du brûleur augmente et le temps d’attente de la chaudière et les pertes à l’arrêt annuelles diminuent.

Le rendement de combustion du brûleur augmente puisque la puissance du brûleur diminuant par rapport à la surface d’échange, la température des fumées à la sortie de la chaudière est plus basse. Un gain de l’ordre de 2 .. 2,5 % sur le rendement de combustion peut être obtenu en première allure.

On comprendra aisément que l’utilisation d’un brûleur modulant adaptant, en continu, dans une certaine plage, sa puissance aux besoins permet d’obtenir une installation qui fonctionne presqu’en permanence, avec un minimum de démarrages et d’arrêts.

Cependant, tout dépend si une réelle régulation en cascade est appliquée. En effet, on rencontre dans la pratique :

Des chaudières multiples démarrent toujours en même temps quelle que soit la saison.

Des brûleurs 2 allures ne sont pas toujours des brûleurs à deux allures vraies, mais des brûleurs avec une plus petite allure de démarrage (le brûleur démarre en petite allure et après un certain temps passe d’office à pleine puissance).

Des brûleurs à deux allures vraies mais commandés par un unique aquastat, sans relais temporisé. La commande de la première allure ayant été « pontée », le brûleur passe alors d’office en deuxième allure, sans régulation de la puissance.

Fonctionnement d’un brûleur avec allure réduite au démarrage (brûleur à deux « fausses » allures).

Fonctionnement d’un brûleur 2 allures en fonction des besoins instantanés.

Dans ces trois cas, on perd l’avantage, sur la production d’imbrûlés et sur les pertes à l’arrêt, d’avoir dissocié la puissance en plusieurs allures de brûleur et/ou plusieurs chaudières, puisque c’est la pleine puissance qui est appelée systématiquement quels que soit les besoins.

Améliorer	Améliorer la régulation en cascade de la production.
Améliorer	Diminuer la puissance du brûleur.

Différentiel de régulateur trop faible

Un temps de fonctionnement trop court des brûleurs peut également être la conséquence d’un différentiel de régulateur trop petit. Cela peut être le cas sur les régulateurs électroniques dont le différentiel est réglable par l’utilisateur (voir mode d’emploi du régulateur). Celui-ci devrait être de l’ordre de 9°C, c’est-à-dire un écart de température d’eau de 9°C entre la consigne d’allumage et d’extinction du brûleur. Parfois, le différentiel réglé n’est que de 1 ou 2°C. Dans ce cas, on comprend aisément que le brûleur s’allume et s’éteint constamment.

Évaluer le rendement saisonnier de la production

L’efficacité énergétique d’une chaudière se traduit par son rendement saisonnier. Le rendement saisonnier d’une chaudière est le rapport entre l’énergie fournie annuellement à l’eau de chauffage (à la sortie de la chaudière) et la quantité de combustible consommé.

La différence entre ces deux grandeurs constitue les pertes de production.

Expression mathématique du rendement saisonnier de production

Le rendement saisonnier d’une installation de production de chaleur peut entre autres s’exprimer par la formule :

h_sais= [h_comb– %qr] / [1 + q_Ex (n_T/n_B– 1)]

où on retrouve les différents éléments évalués ci-dessus :

le rendement de combustion h_comb [%],
le pourcentage de perte vers la chaufferie, brûleur en marche %q_r [%],
le coefficient de perte à l’arrêt q_E [.,..],
le rapport entre la durée de la saison de chauffe et le temps de fonctionnement annuel du brûleur NT/NB [-], image du surdimensionnement.

Ces paramètres sont parfois complexes à évaluer sur une installation existante.

Pour effectuer le calcul dans votre propre situation et évaluer le potentiel d’amélioration,

Calculs	sur base du climat moyen de Uccle.
Calculs	sur base du climat moyen de St Hubert.

Objectif

On peut raisonnablement imaginer qu’il est possible d’atteindre, avec une (ou des) chaudière(s) moderne(s) performante(s), régulée(s) de façon adéquate, un rendement saisonnier de production de (pour une installation ne produisant pas d’eau chaude sanitaire) :

h_sais= .. 92 .. %

Exemple.

Soit une ancienne chaudière de 600 kW sur dimensionnée de 100 % (le brûleur fonctionne durant 750 heures/an). Son coefficient de perte à l’arrêt est estimé à 2 %. La fiche d’entretien de la chaudière indique un rendement de combustion de 87 %. Les pertes vers la chaufferie, lorsque le brûleur fonctionne sont estimées à 1 %.

La consommation de cette chaudière est de 45 000 m³ de gaz par an.

Son rendement saisonnier peut être estimé à :

h_sais= [87 – 1] / [1 + 0,02 x (5 800 / 750 – 1)] = 76 [%]

Le remplacement de cette chaudière par une chaudière et un brûleur moderne et redimensionnée permettrait une économie de :

45 000 [m³gaz/an] x (1 – 76 [%] / 92 [%]) = 7 826 [m³gaz/an], soit 17,4 [%]

Si l’installation le permet, il peut être intéressant de remplacer la chaudière par une chaudière à condensation. On peut alors espérer un rendement saisonnier de :

h_sais= 101 % ou plus

Exemple.

Si on remplace l’ancienne chaudière du cas précédent par une nouvelle chaudière à condensation, le gain réalisé sera de :

45 000 [m³gaz/an] x (1 – 76 [%] / 101 [%]) = 11 138 [m³gaz/an], soit 24 [%]

Signalons en outre que le remplacement des anciennes chaudières par des nouvelles permet souvent de diviser par 2 à 3 les émissions annuelles de NO_x (responsables entre autres des pluies acides).

Évaluer l’efficacité d’une chaudière à condensation

Posséder une chaudière à condensation n’est pas, en soi, une garantie d’efficacité énergétique optimale. Encore faut-il que cette chaudière condense réellement. Il n’est pas rare, en effet, de rencontrer des chaudières de ce type desquelles ne s’échappe qu’un fin filet de condensat. Parfois, l’évacuation vers l’égout reste désespérément sèche durant toute la saison de chauffe …

L’investissement consenti pour profiter d’un matériel performant est alors inutile.

Dans ce cas, outre la qualité intrinsèque de la chaudière, on peut mettre en cause :

Le réglage du brûleur

Un excès d’air de combustion trop important augmente la température de rosée des fumées, c’est-à-dire la température à partir de laquelle les fumées commencent à se condenser. L’énergie récupérée grâce à la condensation diminue en conséquence. Pour évaluer la qualité du réglage, il faut procéder ou faire procéder par le chauffagiste à un contrôle de combustion.

Rendement utile (sur PCI) d’une chaudière gaz en fonction de la température des fumées à la sortie de la chaudière et de l’excès d’air (n = 1,3 équivaut à un excès d’air de 30 %).

La conception du circuit hydraulique

La température des fumées sera la plus basse (et la quantité de condensat et l’énergie récupérée la plus grande), si le circuit hydraulique raccordé à la chaudière permet un retour d’eau le plus froid possible. Le circuit doit donc éviter tout retour direct d’eau chaude vers la chaudière : pas de soupape différentielle, pas de circuit primaire bouclé, de bouteille casse pression ou de circulateur de by-pass, …

Soupape de pression différentielle placée entre le départ et le retour d’un circuit secondaire : lorsque des vannes thermostatiques se ferment sur le circuit, la soupape s’ouvre renvoyant directement une partie de l’eau chaude vers la chaudière pour éviter que la pression n’augmente trop dans le circuit.

Certaines chaudières à condensation imposent cependant l’utilisation d’une bouteille casse-pression (chaudières nécessitant en permanence un débit minimal). Dans ce cas, il faut veiller à ce que la température de l’ensemble des circuits secondaires varie en fonction des conditions atmosphériques et que la température de la chaudière suive au plus près la température du circuit le plus demandeur. Cela peut devenir problématique si la chaudière remonte souvent en température pour produire en même temps de l’eau chaude sanitaire ou pour servir des utilisateurs demandant une température nettement plus élevée que les autres (circuit avec aérothermes, …). Alors, la chaudière ne condensera quasi pas.

Exemple de circuit hydraulique raccordé à une chaudière à condensation demandant un débit minimal permanent :

Si cette chaudière doit en même temps produire de l’eau chaude sanitaire, elle sera tenue de fonctionner un certain temps, pour ne pas dire tout le temps, à haute température. Dans ce cas, les vannes des circuits secondaires devront se refermer pour obtenir la température voulue. Le surplus d’eau chaude alors produit par la chaudière sera directement renvoyé vers celle-ci via la bouteille casse-pression. La chaudière ne condensera plus.

La régulation

Plusieurs dysfonctionnements de la régulation peuvent empêcher la condensation dans la chaudière :

Réglage des courbes de chauffe

La température de retour de l’eau vers la chaudière est conditionnée par la température demandée par les circuits secondaires. Celle-ci est le plus souvent réglée en fonction de la température extérieure au moyen d’une vannes mélangeuse et d’une courbe de chauffe. Un mauvais réglage de cette dernière peut conduire à demander une température d’eau trop élevée. Si une chaudière condense mal, il faut repérer le réglage des courbes existantes et les abaisser si nécessaire.

Exemple de courbe maximale que l’on devrait atteindre :

La courbe de chauffe réelle devrait même se trouver sous cette courbe. En effet si on prend en compte le surdimensionnement des radiateurs, une température d’eau de 70°C en plein hiver au lieu de 80° devrait être suffisante. Surtout si les radiateurs ont été dimensionnés pour un régime de température inférieur au traditionnel 90°/70°.

Attention, si les radiateurs sont équipés de vanne thermostatique, une courbe de chauffe trop élevée peut passer totalement inaperçue aux yeux des utilisateurs puisqu’aucune surchauffe ne se fera sentir. Le réglage de la courbe doit donc se faire toutes les vannes ouvertes.

En outre, lorsque l’on est en présence d’un circuit primaire avec bouteille casse-pression (comme mentionné ci-dessus), il faut vérifier que la température demandée à la chaudière est quasi semblable à la température demandée par le circuit secondaire le plus demandeur.

Régulation des brûleurs

Plus la puissance en fonctionnement du brûleur est faible par rapport à la puissance de la chaudière, plus celle-ci condensera facilement. Il faut donc vérifier que les brûleurs modulants ou les brûleurs 2 allures fonctionnent réellement en allure réduite quand les besoins sont faibles.

Si ce n’est pas le cas, il faut vérifier le paramétrage de la régulation et le raccordement correct du brûleur.

Concevoir

Les critères de performance d’une nouvelle chaudière à condensation.

Calculer le rendement saisonnier sur base de mesures

Chaudière classique

Le rendement saisonnier peut très bien être calculé au moyen de mesures effectuées à l’aide d’un compteur de chaleur sur le départ de la chaudière et d’un compteur sur l’alimentation en combustible du brûleur. Le rapport entre la production de chaleur mesurée au niveau du compteur de chaleur (kWh) et la consommation de combustible (gaz, fuel, …) exprimé en kWh donne la valeur du rendement saisonnier. Plus la période d’intégration est longue, meilleure est l’approche de la valeur réelle du rendement saisonnier, l’idéal étant une intégration sur l’ensemble de la période chauffe.

Trop souvent le rendement saisonnier est évalué suite à un audit, et ce de manière théorique. La seule façon de le déterminer précisément est de collecter les consommations mensuelles (ou en temps réel) de combustible et les consommations de chaleur.

La mesure de la quantité de chaleur produite passe donc par le placement d’un ou de compteur d’énergie :

En exploitation, la pose de compteurs permanents est primordiale, car elle permet, en temps réel de déterminer le rendement de chaufferie et, par conséquent, de pouvoir se rendre compte rapidement, d’une dérive des consommations. L’investissement dans ce type de compteur est très vite rentabilisé et ce d’autant plus que la puissance de la chaufferie est importante.

Lors d’un audit, la pose de compteurs non invasifs est intéressante, car elle permet d’approcher la valeur réelle du rendement saisonnier. On estime qu’une période de 2 semaines pendant la saison de chauffe permet d’obtenir un profil de consommation de chaleur suffisamment représentatif que l’on peut extrapoler pour une saison de chauffe.

Quelle que soit l’option prise, le placement d’un compteur d’énergie doit être réalisé par un professionnel sachant que la précision de la mesure peut être faussée juste par le choix d’un emplacement inadéquat au niveau de l’hydraulique de la production ou de la distribution. Sans y prendre garde, l’erreur de mesure peut atteindre d’ordre de 20 % pour les compteurs « non invasifs ». Pour les compteurs « invasifs », l’erreur est en moyenne de l’ordre de 1 à 2 % s’ils sont bien placés et calibrés (jusqu’à 20 % d’erreur).

η_saisonnier =
kWh chaleur / kWh gaz_PCI

η_saisonnier < 100 %

Mesures

Pour en savoir plus sur la mesure de l’énergie par compteur de chaleur.

Chaudière à condensation

La détermination du rendement saisonnier s’effectue de la même manière qu’une chaudière classique en considérant les consommations de combustible et la mesure des consommations de chaleur. L’énergie de condensation est intrinsèque aux mesures effectuées. En d’autres termes, on peut s’attendre à obtenir des excellents rendements (voire > 100 %) si la chaudière à condensation travaille correctement.

η_saisonnier = kWh chaleur / kWh gaz PCI

η_saisonnier< 100 % si pas de condensation
η_saisonnier > 100 % si condensation

Condenseur externe

Lorsque la puissance de la chaudière dépasse les 1 000-1 500 kW, pour exploiter l’énergie de condensation, on fait appel à un condenseur externe; ce qui complique le circuit hydraulique. Pour l’évaluation du rendement saisonnier en tenant compte de l’énergie de condensation, tout comme pour la chaudière à condensation, un seul compteur de chaleur bien placé est nécessaire sachant que l’énergie de condensation est intrinsèque à la mesure réalisée par le compteur de chaleur.

η_saisonnier =
kWh chaleur < 100 % si pas de condensation /
kWh gaz _PCI < 100 % > 100 % si condensation

Mesures

Pour en savoir plus sur le placement d’un compteur de chaleur.

Évaluer l’énergie de condensation sur base de mesures

Il n’est pas toujours possible de placer un compteur de chaleur sur un circuit hydraulique existant. En effet, la mesure effectuée par le compteur de chaleur non invasif (système à ultrason) n’est généralement précise que si elle est réalisée sur portion droite de conduite ; ce qui n’est pas toujours le cas dans une chaufferie.

Une manière d’évaluer le rendement de la production de chaleur est de mesurer la quantité de condensats sortant de la chaudière à condensation ou du récupérateur externe à condensation. Deux types de mesure sont assez simples à mettre en œuvre :

Pour les petites puissances, on peut très bien placer « un bidon » au niveau de l’évacuation des condensats et évaluer le nombre de litres d’eau condensée dans un laps de temps donné.

Pour les puissances plus importantes, on pourrait, avec un peu d’imagination, placer un compteur d’eau pouvant résister à une eau agressive (pH de l’ordre de 4).

Facteurs d’influence de la condensation

En théorie, la quantité de condensats formée lors du fonctionnement d’une chaudière à condensation est loin d’être négligeable. Le tableau suivant montre ce que l’on pourrait récolter comme quantité d’eau de condensation :

	Pouvoir calorifique supérieur Hs (kWh/m³)	Pouvoir calorifique inférieur Hi (kWh/m³)	Hs/Hi	Hs – Hi (kWh/m³)	Quantité théorique spécifique de condensat (kg/m³)⁽¹⁾
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 du retour 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, …

Quantités annuelles de condensats

Quantité théorique

Tout au long de la saison de chauffe, pour autant qu’elle soit modulante, la chaudière travaille à différents taux de charge. La monotone de chaleur exprime bien la répartition des taux de charge pendant une saison de chauffe :

Monotone de chaleur (source : Viessmann).

Travail de chauffage (source : Viessmann).

En analysant et en combinant les deux graphiques ci-dessus, en moyenne, une chaudière modulante bien régulée et alimentant un réseau secondaire maximisant un retour d’eau le plus froid possible, travaille avec un taux de charge compris entre 30 et 45 % sur la saison de chauffe.

Sur base de ce taux de charge moyen annuelle, on peut déterminer, par l’utilisation des abaques ci-dessous, le taux de condensation moyen auquel il faut s’attendre sur l’année de chauffe.

Eau de condensation générée.

La formule suivante permet de calculer la quantité théorique annuelle de condensats en fonction de la consommation de combustible :

Quantité théorique annuelle de condensats (kg) = taux de condensation théorique x Quantité théorique spécifique de condensat (kg/m³ ou kg/litre) x Quantité de combustible annuelle (m³ de gaz ou litre de fuel)

En croisant la quantité théorique annuelle de condensats et celle mesurée sur le terrain, on peut déjà se rendre compte de la situation dans laquelle on se trouve.

Exemple

Sur base de ce qui précède et en considérant les hypothèses suivantes, il est possible de calculer la quantité théorique de condensats que l’on peut espérer récolter sur une saison de chauffe. On peut en déduire le rendement saisonnier.

Hypothèse :

La chaudière gaz est à brûleur modulant.
Le nombre d’heures de chauffe est de 6 500 heures.
Le taux de charge moyenne est de 37 %.
Le régime de température est 75/60°C ;
La quantité de gaz consommée sur l’année est de 20 000 m³.

Pour un taux de charge de 0.37 (37 % de la puissance nominale) :

La température de départ de l’eau de chauffage est de 47 °C.
La température de retour de l’eau de chauffage est de 42 °C.
La température des fumées 42 °C.
Le taux de condensation est de 62 %.

La quantité de condensats récoltée est de 0.62 x 1.53 (kg/m3) x 20 000 (m³ de gaz) = 12 972 (kg d’eau).

Dans ce cas-ci, lorsqu’on s’approche de cette valeur de 12 972 litres d’eau, on peut considérer que la chaudière condense de manière optimale.

Le taux de condensation étant de 62 %, on peut considérer que 62 % des 11 % maximum disponible dans l’énergie de condensation, soit 6.8 %, représente l’augmentation du rendement saisonnier calculé sans condensation.

Le rendement saisonnier se déduit comme suit : en supposant que le rendement saisonnier sans condensation calculé soit de 97 %, le rendement saisonnier avec condensation est de 97 % + 6.8 % = 103.8 %.

Pour effectuer le calcul du rendement saisonnier (sans condensation) de l’installation :

Calculs	sur base du climat moyen de Uccle.
Calculs	sur base du climat moyen de St Hubert.

Quantité réelle

Une autre manière de procéder est de recalculer le taux moyen réel de condensation par la formule suivante :

Taux de condensation annuel (%) =
Quantité de condensats mesurée (kg) x 100 / Quantité de combustible annuelle (m³ de gaz ou litre de fuel) x Quantité théorique spécifique de condensat (kg/m³ ou kg/litre)

Cette valeur du taux de condensation annuel est une image de l’amélioration du rendement saisonnier de l’installation due à la condensation.

Exemple

Hypothèse :

La quantité théorique spécifique de condensat pour le gaz est de 1.63 kg/m³.

Mesures

La quantité de gaz consommée sur l’année est de 20 000 m³.
La quantité de condensats récoltée sur l’année est de 10 000 kg.

Le taux réel de condensation annuelle est de 10 000 kg de condensats x 100 / (20 000 (m3 de gaz) x 1.53 kg/m3) est de 32 %.

La valeur théorique maximum du taux de condensation étant pour le gaz par exemple de 11 % (correspondant à 1.53 kg/m³), 0.32 x 11 % = 3.53 % représente l’amélioration du rendement saisonnier de l’installation.

Pour effectuer le calcul du rendement saisonnier (sans condensation) de l’installation :

Calculs	sur base du climat moyen de Uccle.
Calculs	sur base du climat moyen de St Hubert.

Une valeur de 97 % sur PCI de rendement saisonnier sans la condensation issue du calcul donne une valeur du rendement saisonnier avec condensation de 97 % + 3.53 % = 100.53 % sur PCI.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Brûleur fuel

Dans le cas des brûleurs au fuel, on trouve essentiellement des brûleurs pulsés, c’est-à-dire où un ventilateur assure l’alimentation en air de combustion voire l’évacuation des fumées. À l’heure actuelle, la capacité de modulation en puissance (ou le nombre d’allures) augmente avec la puissance installée. En effet, pour les puissances plus faibles, les techniques à mettre en place pour assurer la modulation sont trop complexes pour ces petites applications. La complexité technique de la modulation de puissance se justifie progressivement avec l’augmentation de la puissance du brûleur. Pour les grandes puissances (> ~1 MW), on aboutit aux brûleurs fuel avec une modulation continue en puissance. Néanmoins, il faut mentionner qu’à l’heure actuelle, des brûleurs mazout modulants apparaissent pour les petites puissances (applications domestiques). Ceux-ci sont basés sur une technologie de brûleurs différente qui peut être comparée aux brûleurs à pré-mélange au gaz.

Composants d’un brûleur pulsé au fuel

Le brûleur fuel :

Moteur.
Boîte de contrôle.
Transformateur.
Electrodes.
Ventilateur.
Volute.
Déflecteur.
Gicleur.
Réchauffeur.
Cellule photosensible.
Electrovanne.
Pompe et régulateur de pression.

Le brûleur fuel a pour fonction de mélanger, dans des proportions correctes, l’air comburant et le fuel pour permettre la combustion.

L’alimentation en air est assurée par un ventilateur qui puise l’air ambiant de la chaufferie.

L’alimentation en fuel est assurée par une pompe qui puise dans le réservoir. La pompe a également pour mission de maintenir, via un régulateur, une pression suffisante au fuel pour permettre sa pulvérisation. L’électrovanne libère le combustible au moment déterminé par la programmation. Le gicleur assure la pulvérisation du fuel en des milliards de gouttelettes et le réglage du débit nominal de fuel. On parle donc de « brûleur à pulvérisation ».

Principe de fonctionnement d’un brûleur fuel.

La pompe fuel et l’électrovanne

L’alimentation en fuel se fait via une pompe (le plus souvent une pompe à engrenage), reliée à l’arbre du moteur. La pompe est équipé d’un régulateur de pression qui renvoie l’excès de fuel vers le réservoir.

Pompe à fuel.

Régulateur de pression : la pression d’alimentation du gicleur est assurée par un ressort d’équilibrage. Le surplus de fuel est renvoyé vers le réservoir par la sortie.

Une ou plusieurs électrovannes permettent ensuite au gicleur d’être alimenté.

Électrovanne hors tension (fermée) et électrovanne sous tension (ouverte).

Le Champ magnétique créé par le bobinage sous tension attire le noyau mobile qui porte le clapet de fermeture.

Électrovannes :

Bobinage.
Armature concentrant le champ magnétique.
Noyau mobile.
Clapet de fermeture.
Siège du clapet.
Corps de vanne.
Ressort.
Partie métallique non conductrice de champ magnétique.

Le gicleur

La pulvérisation du fuel a pour objectif d’augmenter la surface de contact entre le fuel et l’air comburant. Cela permet une évaporation plus importante du fuel à sa surface et favorise son mélange avec l’air.

Par exemple, 1 litre de fuel pulvérisé à 7 bars donne 15 à 20 milliards de gouttelettes et représente une surface de contact avec l’air de 500 m².

Un gicleur est composé de 4 éléments. L’obus conique et la pression de la pompe engendrent la rotation du combustible avant sa pulvérisation par le trou du corps de gicleur.

Un gicleur est caractérisé par trois valeurs :

le débit nominal en [gal/h],
l’angle de pulvérisation en [deg],
le mode de pulvérisation.

Ces données sont reprises d’une part sur la fiche d’entretien annuel du brûleur et sur le marquage du gicleur même.

Le débit

Le débit nominal du gicleur est donné jusqu’à présent en [gal/h]. Le débit est fonction du diamètre de l’orifice du corps. Il est donné pour les conditions de référence :

pression de la pompe : 7 [bars],
viscosité : 4,4 [mm²/s],
densité relative : 0,83 (rapport de la masse volumique du fuel (à 15°C) et de la masse volumique de l’eau (à 4°C)).

Sachant que :

1 [gal/h] = 3,78 [litres/h]

On peut connaître le débit réel du gicleur installé et donc la puissance réelle du brûleur par les formules :

P_brûleur[kW] = qfuel [litres/h] x 10 [kWh/litre]

où,

qfuel = le débit réel du gicleur [litres/h]
qgicleur = débit nominal du gicleur [gal/h]
p = pression d’alimentation du gicleur [bars]
Pbrûleur = puissance installée du brûleur [kW]

Conformément à la norme européenne EN 293, le débit nominal des gicleurs sera désormais donné en [kg/h], pour une pression de 10 [bars] et une masse volumique de 840 [kg/m³]. Dans ce cas, on peut connaître le débit réel du gicleur par la formule :

Attention cependant, ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleurs particuliers dits « à retour » dont le débit dépend non seulement de la pression d’alimentation, mais aussi de la pression de refoulement du gicleur même.

L’angle de pulvérisation

A la sortie du brûleur, les gouttelettes de fuel se répartissent suivant un cône. L’angle d’ouverture du cône est donné par le fabricant du gicleur.

Schéma angle de pulvérisation.

Les angles les plus courants sont :

pour une pression d’essai de 7 bars (méthode US) : 30°, 45°, 60°, 70°, 80°, 90°
pour une pression d’essai de 10 bars (norme EN) : 60°, 70°, 80°, 90°, 100°

L’angle de pulvérisation conditionne en partie la forme de la flamme. Plus l’angle est petit, plus la flamme sera longue et effilée. À l’inverse, un angle important fournit une flamme courte mais large. Notons qu’en pratique, l’angle de pulvérisation augmente avec la pression d’alimentation. De même, lorsque la pression d’alimentation augmente, la taille des gouttelettes diminue, ce qui favorise le contact entre l’air comburant et le combustible et donc améliore la combustion.

Composition du cône

En fonction de la puissance du brûleur, la composition du cône de pulvérisation est différente. Le cône est généralement creux (toutes les gouttelettes sont réparties sur la périphérie du cône) ou semi-plein (périphérie plus épaisse) pour les grosses puissances (P > 250 kW). Il est généralement plein (tout le volume du cône est rempli de gouttelettes) pour les plus petites puissances.

Schéma répartition "cône creux". Schéma répartition "cône semi-creux". Schéma répartition "cône plein".

Répartition « cône creux ».

Répartition « cône semi-creux ».

Répartition « cône plein ».

Marquage du gicleur

La norme EN293 prévoit un double marquage des gicleurs (marquage US et marquage EN) :

Illustration marquage gicleur 01.

Illustration marquage gicleur 04.

L’index en chiffre romains indique le type de répartition du cône pulvérisé

= répartition pleine (très dense),
= répartition semi-pleine,
= répartition semi-creuse,
= répartition creuse (peu dense).

Le réchauffeur de fuel

En augmentant la température du combustible avant sa pulvérisation, le réchauffeur a pour objectif :

de diminuer la viscosité du fuel et donc d’améliorer sa pulvérisation et donc sa combustion,

d’atténuer les variations de viscosité du fuel liées à la température de stockage et aux caractéristiques du fuel acheté.

L’alimentation en air

Le ventilateur tournant à vitesse constante, un registre d’air permet de régler le débit d’air garantissant une combustion correcte pour une situation donnée (il faut 10 .. 12,5 m³ d’air pour brûler 1 litre de fuel). Ce registre peut être installé à l’aspiration ou au refoulement du ventilateur.

Si le brûleur ne possède ne possède qu’une seule allure et donc fonctionne à un seul niveau de puissance, le volet garde une position fixe parce que la quantité de fuel éjectée par le gicleur est constante : le bon rapport entre air de combustion et combustible ne change pas. Par contre si le brûleur possède deux allures ou est modulant, la position du clapet est adapté pour maintenir la bonne quantité d’air au niveau de combustible injectée.

Registre d’air et son réglage, placés sur le refoulement du ventilateur.

Pour limiter le balayage du foyer de la chaudière lorsque le brûleur est à l’arrêt et donc l’évacuation de la chaleur contenue dans l’eau de la chaudière par tirage naturel vers la cheminée (ce que l’on appelle les pertes par balayage), les fabricants prévoient sur les brûleurs une fermeture automatique du registre d’air lorsque le brûleur est à l’arrêt :

Soit avec un servo-moteur électrique assurant l’ouverture et la fermeture.

Soit avec un contrepoids (qui peut être le propre poids du registre) ou un ressort. Dans ce cas, la dépression ouvre le registre et le flux d’air le maintient en position ouverte.

Clapet d’obturation écarté (ouverture et fermeture) par servomoteur.

La tête de combustion

La tête de combustion du brûleur est constituée d’un embout ou gueulard qui guide la flamme. Celle-ci est allumée au moyen d’électrodes alimentées en haute tension, créant un arc électrique.

Déflecteur.

La flamme est maintenue en position grâce au déflecteur. En effet, le flux d’air autour de ce dernier crée une dépression qui maintient la flamme en position.

Le réglage de la tête de combustion, c’est-à-dire des distances (a et b) entre le gicleur, le déflecteur et l’embout, est essentiel au bon fonctionnement du brûleur en répartissant les débits d’air primaire (passant au centre du déflecteur) et d’air secondaire (passant à la périphérie).

Séquences de démarrage d’un brûleur

Les séquences de fonctionnement d’un brûleur sont les suivantes :

Préventilation ou prébalayage : mise en marche du moteur du ventilateur pour amorçage du tirage de la cheminée, évacuation éventuelle de gaz dans le circuit des fumées. Pour les brûleurs de plus de 300 kW, le prébalayage s’effectue à l’aide du ventilateur et dure au minimum 15 secondes. Pour les brûleurs de moins de 300 kW, le prébalayage peut se faire par tirage naturel vers la cheminée, avec une durée minimale de 5 secondes.

Préallumage : simultanément mise sous tension du transformateur.

Mise à feu : quelques secondes après, ouverture de l’électrovanne du fioul.

Post-allumage : pour permettre à la flamme de se stabiliser, l’étincelle est maintenue un court instant après l’apparition de la flamme.

Régime de fonctionnement : après l’apparition de la flamme, mise hors tension du circuit d’allumage.

Arrêt : dès satisfaction des besoins calorifiques, arrêt du brûleur par mise hors tension du moteur du ventilateur et de l’électrovanne.

Pour automatiser ces opérations, il faut un moyen fiable pour chronométrer la durée des séquences, qui doivent se répéter fidèlement pendant des années. Les coffrets actuels comportent tous une période de pré et post-allumage. Pour les grosses puissances, il y a en plus une préventilation.

Dispositif de sécurité

Un contrôle continu de la flamme du brûleur est nécessaire pour arrêter ce dernier immédiatement en cas de défaut :

si la flamme n’apparaît pas quand le combustible est libéré,
si la flamme disparaît en cours de fonctionnement,
si une flamme parasite apparaît alors que le brûleur est en phase de démarrage.

De plus, le défaut doit être signalé par une alarme, qui avertit un technicien chargé du dépannage.

Le but est d’éviter de pulvériser du fuel dans une chaudière sans le brûler. On risquerait d’inonder le foyer (et même la chaufferie) et l’allumage intempestif pourrait provoquer une explosion.

Cellule photorésistante

Actuellement, la détection de la flamme fuel se fait fréquemment par cellule photorésistante. La cellule photorésistante réagit directement à la lumière émise par la flamme. Cette réaction est pratiquement instantanée, ce qui permet une commande rapide du système de sécurité. La cellule est constituée par un semi-conducteur dont la résistance varie en fonction inverse de son éclairement : ce matériau a la propriété de ne permettre le passage du courant que lorsqu’il est éclairé. Il est commode de vérifier l’efficacité d’une telle cellule par la mesure de sa résistance dans l’obscurité et, par exemple à la lumière d’une lampe de poche. En règle générale, les cellules photorésistantes sont destinées à la surveillance des flammes fuel (flamme jaune à infrarouge) et moins à la surveillance des flammes gaz, qui émettent plus de rayons ultra-violets.

Cellule photoélectrique

La cellule photoélectrique est sensible au rayonnement lumineux situé dans le spectre visible. Lorsqu’elle est soumise à ce rayonnement une tension apparaît à ses bornes. La cellule se comporte comme un générateur de courant : tout incident annule le signal émis et provoque la mise en sécurité du brûleur. Les cellules photoélectriques ne sont utilisées que pour les flammes fuel. Leur principal inconvénient est un vieillissement rapide.

Brûleurs low NOx

Les derniers développements en matière de brûleur ont principalement visé à diminuer les émissions polluantes comme les imbrûlés, CO, SO₂, NO_x. Les technologies appliquées sont semblables pour les brûleurs gaz ou les brûleurs fuel.

Les paramètres influençant la production de NO_x sont :

la température élevée de la flamme (supérieure à 1 200°C),
l’excès d’air, c’est-à-dire la présence importante d’oxygène (O₂) n’ayant pas réagi dans les fumées,
le temps de séjour des atomes d’azote (N) dans la zone chaude de la flamme,
la concentration du combustible en N₂.

Les deux premiers paramètres dépendent de la conception du brûleur, le troisième dépend de la conception de la chaudière.

Evolution de la production de NOx en fonction de la température de la flamme.

Brûleur Low-NOx par recyclage

Pour les brûleurs pulsés (fuel ou gaz), la technique la plus courante pour diminuer les émissions d’oxyde d’azote est le recyclage des gaz de combustion dans la tête du brûleur.

En fait, cela consiste à mélanger une partie des gaz de fumée à l’air comburant, dans le but de :

diminuer la température de la flamme car même avec plusieurs centaines de degrés, les gaz brûlés sont plus froids que la flamme,
réduire la concentration en oxygène du mélange,
favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifier favorablement les conditions de combustion.

La configuration aéraulique pour réaliser cette recirculation des gaz varie selon les constructeurs. D’une manière générale, c’est l’impulsion de l’air de combustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage : un passage plus étroit au niveau de la tête de combustion provoque une accélération du flux de gaz. Cela génère une dépression et amorce la recirculation des gaz de combustion.

On peut également encore descendre la température de la flamme en élargissant le front de flamme, On recherche ainsi à avoir une flamme en forme d’entonnoir, ce qui augmente sa surface de refroidissement et donc diminue sa température.

Par rapport au brûleur « classique », le brûleur Low-NOx à recirculation interne des gaz de combustion présente les inconvénients suivants :

La recirculation demande de l’énergie. La comparaison entre un brûleur à pulvérisation traditionnel et un brûleur Low NOx (le Ventilateur et la chambre de combustion étant identiques) montre que la dépression au niveau la tête du brûleur Low NOx réduit la puissance calorique maximale et modifie les caractéristiques intrinsèques du brûleur.

La vitesse d’écoulement élevée suscite des turbulences à hauteur du venturi. Il peut en résulter un accroissement du niveau sonore.

La recirculation des gaz de combustion dans la tête du brûleur entraîne un encrassement plus rapide des électrodes d’allumage. Un entretien préventif est dès lors nécessaire.

La recirculation des gaz de combustion dans la tête du brûleur entraîne une gazéification des particules de mazout pulvérisées à hauteur du gicleur. La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleue peu intense et difficile à détecter par une photorésistance (LDR). Il est dès lors souvent nécessaire d’utiliser un détecteur infrarouge (IR) ou ultraviolet (UV), plus onéreux. Cette caractéristique est pleinement exploitée dans les brûleurs dits à « flamme bleue ».

En revanche, un brûleur Low-NOx produit de 20 à 50 % d’émissions NOx en moins qu’un brûleur à pulvérisation traditionnel.

Brûleurs Low Nox.

La recirculation s’effectue dans le foyer à hauteur de la tête de combustion. Une zone de dépression aspire à nouveau les gaz de combustion et les mélange à la flamme. La recirculation peut également être externe.

Cas particulier des brûleurs mazout « flamme bleue »

Le brûleur à « flamme bleue » est un brûleur dans lequel le mazout pulvérisé est entièrement vaporisé avant la combustion. On parle aussi de « brûleur à gazéification ». La chaleur requise pour l’évaporation est fournie par les gaz de combustion recyclés. Il en résulte une combustion quasi totale dans la phase gazeuse avec un excès d’air minime et une production nulle de suies. Comme le mazout est brûlé à l’état gazeux, la flamme de ce brûleur présente la couleur bleue typique d’une flamme gaz, c’est pourquoi on parle de brûleur à « flamme bleue ». Le principe du brûleur à flamme bleue et celui du brûleur Low NO_x à recirculation présentent de nombreuses similitudes notamment, une faible émission de NOx.

Au niveau du coût d’un tel brûleur, donnons l’exemple d’un fabricant allemand. Dans sa gamme de brûleur allant de 15 à 315 kW, le surcoût d’un brûleur à « flamme bleue » par rapport à un brûleur à « flamme « jaune » varie de 15 à 60 %.

Exemple de brûleur à « flamme bleue » : l’air de combustion est acheminé par deux conduites latérales et amené au point de combustion via un mouvement tangentiel. Lors de la sortie de la forme conique, il se produit un effet de tourbillon qui provoque la recirculation de 50 % des gaz de combustion. Deux canaux d’amenée d’air de démarrage envoient un léger excès d’air dans la flamme durant la première minute après l’allumage, jusqu’à ce que la partie frontale du gueulard du brûleur ait atteint une température suffisante pour passer à la gazéification.

Flamme « jaune » et flamme « bleue ».

Emission de NOx des brûleurs « flamme bleue » et Low NOx comparée aux exigences des normes et labels allemands.

Emission de suies des brûleurs « flamme bleue » et Low NOx comparée aux exigences des normes et labels allemands.

Brûleurs pulsés 1, 2 allures et modulants pour le fuel

On répertorie 4 modes de fonctionnement des brûleurs fuel :

en tout ou rien,
en 2 allures,
en tout ou peu progressivement,
en modulation.

On retrouve ces mêmes modes de fonctionnement pour les brûleurs pulsés au gaz. Néanmoins, la modulation est techniquement plus facile à réaliser pour le gaz. Par conséquent, les niveaux de puissance cités ci-dessous pour le mazout ne sont pas identiques pour les brûleurs pulsés au gaz. En effet, pour de petites applications, le brûleur pulsé modulant au gaz peut déjà se justifier alors qu’il ne s’impose pas encore pour le fuel.

1) Brûleur tout ou rien (Pn < 150-200 kW)

On parle de brûleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur, le brûleur s’enclenche, fournit sa pleine puissance, et s’arrête lorsque les besoins sont satisfaits. Typiquement, on se limite à cette technique de « tout ou rien » pour les puissances inférieures à 150-200 kW. Les brûleurs tout ou rien se différencient par leur mode de démarrage : le démarrage à pleine puissance, le démarrage à débit limité et le démarrage à petite allure.

Démarrage à pleine puissance

Ce type de brûleur est utilisé pour les puissances inférieures à 100 kW. Lors de la demande de chaleur, le brûleur démarre directement à pleine puissance.

Démarrage à débit limité

Lors d’une demande de chaleur et grâce à un jeu d’électrovannes, le brûleur démarre avec une puissance de l’ordre de 75 % et passe à sa pleine puissance après le temps de post-allumage. Cela permet d’atténuer l’onde de choc provoquée par l’allumage du combustible. Comme dans ce type de brûleur, le réglage du registre d’air est manuel, la phase initiale du démarrage se produit avec un excès d’air trop important et donc une combustion médiocre.

Démarrage à petite allure

Ce mode de démarrage peut s’appliquer aux brûleurs de plus de 50 kW. Il repose sur le même principe que dans le cas précédent. Il s’en différencie cependant par la réduction plus importante de la puissance au démarrage. Il s’agit en fait de brûleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas le choix de l’allure en fonction des besoins. Le temps séparant l’allumage du passage à la deuxième allure est fixé (relais programmable).

2) Brûleur 2 allures (Pn > 150-200 kW et Pn < 1 MW)

En cas de demande de chaleur, le brûleur pulsé est enclenché en première allure (qui représente entre 40 et 60 % de la puissance nominale). Après un délai déterminé (relais programmable), le brûleur passe à pleine puissance sauf si le régulateur signale que cette pleine puissance n’est pas nécessaire. Dans ce dernier cas, la première allure est maintenue.
Lorsque le brûleur fonctionne en deuxième allure, il est possible que le régulateur estime que la pleine puissance n’est plus requise et le brûleur repasse en première allure. Si la puissance requise est inférieure à la puissance en allure réduite, le brûleur s’arrête. Dans le cas inverse, il repasse en deuxième allure.

Trois possibilités constructives sont exploitées dans les brûleurs 2 allures :

Soit une pompe alimente deux gicleurs différents via deux électrovannes : la petite allure est assurée par l’ouverture d’une électrovanne et l’alimentation du premier gicleur; pour assurer la grande allure, la deuxième électrovanne est activée (la première restant ouverte) et alimente le second gicleur en complément.
Soit une pompe à deux étages alimente un seul gicleur, via deux régulateurs de pression.
Soit un gicleur à retour (pour les grosses puissances). Il s’agit en fait d’un gicleur dont une partie du fuel qui l’alimente n’est pas pulvérisée et est renvoyée vers la cuve. Par un jeu de vanne automatique, la résistance du circuit retour du gicleur permet une variation du débit pulvérisé.
- en petite allure, les électrovannes (1) et (2) sont ouvertes. La pression de pulvérisation est réglée par le régulateur de pression,
- en grande allure, l’électrovanne (2) est fermée et le gicleur est soumis à la pression de la pompe.

Brûleur 2 allures avec gicleur à retour (à gauche). Brûleur à deux gicleurs et deux électrovannes (à droite).

Dans les différents cas, pour maintenir un bon rapport air-combustible, le registre d’air est à deux positions fixées :

soit par un vérin hydraulique activé par la pression de combustible,
soit un servomoteur électrique,
soit un électro-aimant.

Le brûleur 2 allures présentent des avantages énergétiques indéniables :

L’adaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de fonctionnement du brûleur et diminue le nombre de cycles d’allumage sources d’imbrûlés et d’émissions polluantes.

Les temps d’arrêt de la chaudière et donc les pertes du même nom sont moindres.

La diminution de la puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière augmente le rendement de combustion. En effet, la taille de l’échangeur augmente par rapport à la puissance de la flamme et donc les fumées sortent plus froides de la chaudière. Un gain de rendement de combustion de 2 .. 2,5 % est ainsi possible entre la petite allure (60 % de la puissance nominale) et la grande allure.

Cette amélioration technique se justifie à partir de puissances supérieures à 150-200 kW. En dessous de cette puissance, on trouve essentiellement des brûleurs pulsés fuel tout ou rien.

3) Brûleur « tout ou peu progressif »

Le brûleur « tout ou peu progressif » est équipé d’un gicleur à retour.

Brûleur « tout ou peu progressif ».

Fonctionnement d’un brûleur « tout ou peu progressif » :

En petite allure, l’électrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le régulateur de pression est en position minimum,

Lors du passage en deuxième allure, le servomoteur actionne progressivement le régulateur de pression et le registre d’air pour atteindre le maximum d’ouverture en deuxième allure.

4) Brûleur modulant (Pn > 1 MW)

Avec un brûleur modulant, toutes les allures de fonctionnement sont possibles. Néanmoins, la puissance minimale que l’on peut atteindre est souvent de l’ordre de 30% de la puissance nominale (P varie entre [0.3 Pn; Pn]). Les débits d’air et de fuel sont réglés en continu en fonction de la puissance de chauffage requise, ce qui permet un fonctionnement quasi continu.

Brûleur modulant fuel.

Les avantages du brûleur modulant sont du même ordre que ceux du brûleur 2 allures. L’adaptation de la puissance est cependant encore plus fine, ce qui limite encore les temps d’arrêt d’un brûleur. La modulation a cependant ses limites. En effet, à basse puissance, le réglage de l’excès d’air devient difficile. C’est pourquoi, les brûleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessous d’une puissance de l’ordre de 30 % et à ce moment.

Exemple :

Évolution du rendement de combustion des brûleurs actuels en fonction de la modulation de sa puissance : brûleur pulsé modulant fuel (rouge), brûleur modulant gaz à pré-mélange (vert) et brûleur gaz atmosphérique à deux allures (bleu) .

Pour les brûleurs pulsés modulants fuel (de 30 à 100 %) : dans un premier temps, lorsque la puissance du brûleur diminue (à partir de 100 % de puissance), la température des fumées diminue et le rendement augmente. À partir d’un certain moment, la diminution de la quantité de particules de combustible et leur dispersion (la pulvérisation du fuel devient difficile) imposent d’augmenter l’excès d’air pour éviter les imbrûlés. Le rendement diminue de nouveau.

Pour les brûleurs gaz modulant à pré-mélange avec ventilateur : le contrôle de la combustion permet de maintenir un excès d’air correct, sans production d’imbrûlé, sur toute la plage de modulation. On obtient donc une plage de modulation plus grande (10 à 100 %) avec une qualité de combustion constante et des fumées qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver à la condensation).

Pour les brûleurs gaz atmosphérique 2 allures (sans ventilateur) (50 % /100 %) : l’air de combustion est amené dans la chaudière naturellement. L’excès d’air n’est donc pas contrôlé. Si la puissance du brûleur diminue de moitié, ce n’est pas le cas de la quantité d’air aspirée. L’excès d’air augmente donc et le rendement chute.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la régulation [Chauffage]

La régulation des chaudières

Réduire les pertes des chaudières

Adapter la température de l’eau

Autrefois, la logique de base était la suivante : puisque l’on ne savait pas à quel moment il y aurait des besoins de chaleur (demande de la zone nord, du ballon d’eau chaude sanitaire, …), la chaudière était maintenue sur son aquastat à température élevée en permanence. Les pertes étaient élevées, les chaufferies étaient surchauffées, idéales pour faire sécher un vêtement détrempé ! Pour les chaudières gaz atmosphériques, la perte de rendement était importante car le foyer, surmonté de la cheminée, se refroidissait en permanence !

Ces 20 dernières années, une amélioration est apparue : la température de maintien de la chaudière est liée à la température extérieure. On parle d’une régulation glissante sur sonde extérieure. La chaudière est réglée à 80° en janvier et à 50° en avril, sauf si une limite basse est prévue pour les besoins de l’eau chaude sanitaire ou pour des raisons de condensation.

Aujourd’hui, avec l’apparition de la régulation numérique, une nouvelle logique apparaît : ce sont les circuits consommateurs qui vont définir la température minimale de chauffe. Si le circuit sud demande une température d’eau de 35°C, et le circuit nord de 43°C, la chaudière sera informée qu’une température de 48°C est suffisante. A présent, la régulation numérique peut avertir la chaudière des besoins des consommateurs et la chaudière peut se maintenir à très basse température sans risque de corrosion, si elle est conçue « très basse température« . C’est l’énergie qui est gagnante puisque les pertes sont limitées au minimum.

Concevoir

Attention, ce type de régulation a ses limites dans certaines situations :

Une installation combinée alimentant à partir du même collecteur primaire un échangeur instantané (échangeur à plaques) pour la production d’eau chaude sanitaire.
La combinaison de plusieurs chaudières, régulées en cascade, d’une boucle primaire fermée et de circuits secondaires équipés de vannes mélangeuses.

Pour en savoir plus sur les limites d’application des chaudières « très basse température » : cliquez ici !

Réguler les chaudières et les brûleurs en cascade

Si l’option a été prise de :

diviser la puissance à installer en plusieurs chaudières,
choisir des brûleurs 2 allures (gaz ou fuel).

> l’ensemble doit faire l’objet d’une régulation en cascade.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le nombre de chaudières et sur le type de brûleur à choisir : cliquez ici !

Cette fonction est prévue dans la plupart des régulateurs modernes qui permettent de gérer en cascade plusieurs chaudières équipées de brûleurs à 2 allures.

Attention, il ne faut pas perdre de vue que la gestion des chaudières en cascade implique le placement de vannes motorisées sur chaque chaudière et commandées par le régulateur.

Protéger les chaudières classiques

Si le choix de la chaudière s’est porté sur une chaudière traditionnelle ne pouvant pas travailler en très basse température, il faudra que la régulation soit adaptée aux prescriptions du fabricant de la chaudière. Ces prescriptions sont le plus souvent :

un débit minimal (généralement fixé à un tiers ou à la moitié du débit nominal),
une température minimale de l’eau de retour (généralement 55° ou 60°C).

Voici quelques exemples de ce que peuvent imposer les fabricants de chaudières.

Concevoir

Exemples qui montrent également la complexification de l’installation lorsque l’on ne choisit pas une chaudière très basse température (ou à condensation) à grand volume d’eau.

Pour en savoir plus sur le choix d’une chaudière, cliquez ici !

Circulateur de recyclage

Les exigences de débit et de température de retour minimaux sont généralement rencontrées par la présence d’une pompe de charge (ou pompe de recyclage) en by-pass de l’installation ou, mieux, en série avec le générateur. Le débit minimal d’alimentation de la chaudière est assuré, même si les circuits se ferment, et l’eau froide de retour des radiateurs est mélangée à l’eau chaude venant de la chaudière.

Pompe de recyclage permettant un débit permanent dans la chaudière et le maintient du température minimale de retour.

Commande des chaudières en fonction de la température de départ et de retour

Une alternative pour éviter des retours de température trop froids est de choisir un régulateur qui permet une régulation de l’enclenchement des chaudières en fonction de la température de départ et en fonction de la température de retour : le brûleur s’enclenchera si la température de retour ou la température de départ est trop basse.

Ouverture progressive des circuits secondaires

Mais des risques subsistent le lundi matin, lorsque tous les circuits sont ouverts et envoient vers la chaudière de l’eau à 15°C ! … Condensations internes corrosives, chocs thermiques, … peuvent diminuer la durée de vie de la chaudière. On peut dès lors faire mieux : le(s) régulateur(s) de départ des circuits secondaires peuvent limiter leur ouverture de telle sorte que le mélange (by-pass + retour) ne descende jamais sous les 60°C. Le lundi matin, au démarrage de l’installation, les vannes ne laisseront passer qu’un faible débit d’eau vers les radiateurs pour que progressivement toute l’eau de l’installation se réchauffe. Cette fonction est intégrée aux régulateurs actuels.

Une sonde à l’entrée de la chaudière empêche la (ou les) vanne(s) de s’ouvrir si cette température descend au-dessous de 55°C, par une priorité sur l’action du régulateur en fonction de l’extérieur.

Si la chaudière est coupée complètement durant l’inoccupation du bâtiment, certains fabricants recommandent qu’au démarrage, la chaudière tourne dans « son propre jus » et monte en température, avant de s’ouvrir progressivement vers l’eau du circuit. Cela peut se faire au moyen d’un circulateur et d’une vanne 3 voies par chaudière.

Contrôle de la température retour au démarrage de la chaudière au moyen d’une vanne 3 voies et d’un circulateur par chaudière. Le circulateur sera temporisé à pour continuer à évacuer la chaleur de la chaudière après leur arrêt.

Régulation en température glissante avec limite basse

De plus, la température de départ de la régulation glissante peut avoir une limite basse afin de s’assurer d’une température de retour suffisante.

Conduite d’une chaudière en température glissante avec limitation de la température de départ de la chaudière, pour limiter les pertes de la chaudière et éviter les condensations dans la chaudière.

La régulation de la distribution

Découpage des circuits

A chaque « zone thermique homogène », son circuit spécifique.

C’est le critère essentiel pour une réalisation correcte de la régulation.
Idéalement, le découpage hydraulique coïncidera avec la répartition des locaux ayant des besoins similaires,

similaires au niveau des plages horaires d’occupation essentiellement,
similaires dans les sollicitations extérieures (soleil, vent,…), ce qui entraîne bien souvent un découpage par façade,
dans une moindre mesure, similaires au niveau du type d’équipement de chauffage et au niveau de l’inertie du bâtiment.

Exemple.

soit son occupation la distingue du reste de l’école (entraînements sportifs le soir, par exemple),
soit son type de corps de chauffe est différent (des aérothermes sont toujours alimentés par de l’eau à haute température).

En rénovation, on travaille généralement sur base de circuits de distribution existants. Dès lors, si le découpage des circuits correspond à des zones thermiquement homogènes (un circuit pour les classes, un pour la salle de sports, etc…), une régulation spécifique par zone s’implantera facilement.

Améliorer

Si par contre, des modifications nombreuses ont eu lieu depuis la conception du bâtiment et que les fonctions ne se superposent plus aux circuits initiaux, il faudra davantage user d’astuces …

Régulation de chaque circuit

Chaque zone thermique est dotée d’une régulation qui lui est propre. Le plus souvent, dans le cas d’un chauffage par radiateur, ce sera une vanne trois voies qui règle la température de l’eau de départ de chaque circuit.

Fonctionnement d’une vanne mélangeuse :
elle mélange l’eau chaude de la chaudière et l’eau froide de retour des radiateurs pour obtenir la température d’eau voulue.

Toute la difficulté consiste à trouver le « témoin » fidèle des besoins de la zone. C’est pourquoi, traditionnellement, on utilise la température extérieure car si la température extérieure descend, le besoin de chauffage augmente. Ce lien n’est que grossièrement valable et d’autres témoins doivent souvent être trouvés.
Par exemple, il est intéressant de choisir un régulateur dont le réglage de la courbe de chauffe peut être automatiquement ajusté (décalage automatique de la courbe) en fonction :

d’une sonde d’ensoleillement (pour un circuit alimentant une façade sud),
d’une sonde de vent (pour les immeubles de grande hauteur),
ou d’une sonde d’ambiance (nécessaire aussi pour gérer l’intermittence avec un optimiseur). cette dernière possibilité permettra de pallier les difficultés de réglage « manuel » de la courbe de chauffe.

Evidemment, on aura compris que ces différentes sondes, appelées « sondes de compensation » ne peuvent pas être utilisées si le circuit de chauffage dessert des locaux d’orientation différente ou avec des apports internes de chaleur différents.

Exemple : la réglementation thermique française

La réglementation thermique française RT 2000 impose des caractéristiques minimales à toute installation de chauffage équipant un bâtiment neuf. Il faut ainsi qu’une installation qui dessert une surface de plus de 400 m² comprenant plusieurs locaux, dispose d’un ou de plusieurs dispositifs centraux de réglage automatique de la fourniture de chaleur au minimum en fonction de la température extérieure. Un même dispositif ne peut desservir une surface de plus de 5000 m².

Différents corps de chauffe

Attention, le type de courbe de chauffe choisie dépend du comportement des corps de chauffe : la puissance émise par un radiateur ne variera pas de la même façon à une variation de température d’eau, qu’un convecteur ou qu’un chauffage par sol.

Certains régulateurs comportent donc la possibilité d’adapter la forme de la courbe de chauffe aux corps de chauffe choisis. C’est pourquoi, on ne peut mélanger sur un même circuit, régulé en fonction de la température extérieure, des convecteurs et des radiateurs.

Exemple.

Courbes de chauffe typiques en fonction du type de corps de chauffe.
Les pentes programmées sont de (70° / 25°) = 2,8 pour les radiateurs, de (60° / 28°) = 2,1 pour les convecteurs et de (35° / 25°) = 1,4 pour le chauffage par le sol. Pour les convecteurs, la courbure de la courbe de chauffe augmente lorsque la hauteur du convecteur diminue.

La régulation locale

Le bâtiment est découpé en zones. Chaque zone a son circuit, avec une température d’eau préparée en fonction de ses propres besoins (sonde extérieure, programmation horaire,…). Reste que chaque local peut avoir des besoins différents de celui de sa zone ! … De plus, la seule régulation en fonction de la température extérieure ne tient pas compte d’une série d’éléments perturbateurs :

renouvellement d’air variable du bâtiment en fonction du vent,
apports internes (occupants, bureautiques, .) variables en fonction des locaux,
apports externes (soleil, ombre d’un bâtiment voisin, .) variables,
l’impact d’une augmentation des pertes par ventilation sur la température intérieure est immédiat, celui d’une diminution de température extérieure, lent, du fait de l’inertie du bâtiment,
déséquilibre thermique entre les corps de chauffe,
…

Il est donc nécessaire de recourir à une régulation de l’ambiance local par local, en complément d’une régulation centrale en fonction des conditions extérieures :

pour assurant le confort dans tous les locaux,
sans surchauffe (et donc surconsommation) dans les locaux favorisés.

Améliorer

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Choix d’une vanne thermostatique

La solution la plus facile à mettre en œuvre est la vanne thermostatique. Celle-ci permet de limiter le débit dans les corps de chauffe pour ne pas dépasser une température de consigne. Cette solution est quasi obligatoire dans tout local bénéficiant d’apports de chaleur internes et/ou externes plus importants que les autres locaux.

Attention, une vanne thermostatique ne peut agir que dans le sens de la réduction ! Aussi, il sera utile d’ajuster la régulation centrale sur les locaux les plus exigeants (locaux de coin, locaux sous la toiture, locaux au nord, …).

Il n’est pas forcé de prévoir partout des vannes thermostatiques

Exemple.

Dans l’ensemble des locaux administratifs d’un hôpital, par exemple, les besoins sont homogènes. Une régulation centrale du circuit peut être suffisante et il peut être tenu compte des influences diverses par la présence de 2 ou 3 sondes d’ambiance. On parle d’une régulation centralisée sur sonde extérieure, avec compensation par sondes d’ambiance (dont on prend la valeur moyenne).

On peut régler la proportion d’influence entre sonde extérieure et sonde intérieure.

Vannes « institutionnelles »

Il existe deux objections importantes au placement de vannes thermostatiques sur les corps de chauffe :

Les occupants des bâtiments tertiaires ne savent pas comment on manipule une vanne thermostatique et parfois ne se sentent pas responsables de son réglage (exemple, les élèves d’une classe).
En fonction du type de public, les tentatives de détérioration peuvent être fréquentes.

Heureusement, le matériel disponible sur le marché permet de répondre à ces objections, grâce aux vannes dites « institutionnelles ». Ces vannes sont résistantes aux chocs. Leur organe de fixation est caché et la plage de réglage est bloquée.

Vanne institutionnelle : le réglage de la consigne n’est pas accessible à l’occupant, elle résiste aux chocs (même d’un ballon de basket .) et ne peut être facilement démontée.

Vannes avec préréglage du débit

Il est préférable de choisir un corps de vanne avec préréglage de débit incorporé. Certains fabricants ne commercialisent d’ailleurs plus que ces vannes.

En effet, ces vannes permettent de palier aux défauts d’équilibrage entre les corps de chauffe. Le réglage est plus facile avec ce type de matériel qu’avec les traditionnels tés de réglage dont on ne sait trop bien sur quelle position ils doivent être réglés.

Exemple.

Pour que la vanne thermostatique fonctionne correctement, le fabricant recommande une chute de pression dans la vanne de 0,1 bar (10 kPa ou 1 mCE).

Le débit correct de chaque radiateur est ainsi réglé et la vanne thermostatique travaille dans des conditions adéquates.

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Type de sonde thermostatique

Les vannes dont le bulbe thermostatique est rempli de gaz réagissent nettement plus vite à toute variation de température intérieure, le gaz ayant une inertie thermique moindre que les liquides. Les fluctuations de températures seront dès lors moindres, ce qui est favorable à une meilleure maîtrise des consommations. Les vannes équipées d’un gaz sont cependant plus chères.

Vanne équipée d’un gaz et vanne équipée d’un liquide.

Régulation de zone

S’il est possible d’isoler en bout de circuit, une zone comprenant plusieurs locaux présentant les mêmes apports de chaleur gratuits, on peut simplifier la régulation locale en utilisant une vanne de zone commandée par un thermostat d’ambiance (placé dans un endroit représentatif).

Régulation locale au départ d’un local témoin, avec une vanne de zone motorisée et un thermostat d’ambiance.

Exemple. Par exemple, le logement des médecins de garde pourrait avoir une régulation qui lui est propre sans forcément posséder son propre circuit depuis la chaufferie.

Dans ce cas, il faut que les occupants du local témoin soient conscients de leur impact sur le confort des autres locaux : il ne s’agit pas d’ouvrir les fenêtres, de fermer les vannes des radiateurs, de placer une armoire devant le thermostat, …
Attention, on ne peut pas mélanger dans un même local un thermostat d’ambiance et des vannes thermostatiques. En effet, imaginons que la consigne du thermostat d’ambiance soit supérieure à la consigne donnée aux vannes. Lorsque cette dernière est atteinte, la vanne va se refermer. Le thermostat d’ambiance sera, lui, toujours en demande et restera puisque les vannes empêchent la température de monter. Il en résultera :

Un fonctionnement permanent de la chaudière si le thermostat d’ambiance agit sur le brûleur (cas d’une installation de type « domestique »).
Une ouverture complète et permanente de la vanne de zone.

Avec pour conséquence, surchauffe et surconsommation dans les locaux sans vannes thermostatiques. À l’inverse, si la consigne du thermostat d’ambiance est inférieure à la consigne donnée aux vannes, le thermostat arrêtera la fourniture de chaleur et les vannes seront en permanence insatisfaites et donc ouvertes en grand. Elles deviennent donc inutiles.

S’il y a une régulation locale, la régulation centrale est-elle nécessaire ?

On pourrait penser que le travail de la vanne mélangeuse est superflu, qu’il suffit de préparer une seule température en sortie de chaudière et que les vannes thermostatiques feront le travail de modulation des débits et de la puissance fournie.
Ce raisonnement, parfois appliqué à tort dans les installations domestiques, est erroné.

Puissance émise par un radiateur lorsque son débit varie (100 % = débit nominal).

En effet, prenons un radiateur dont le régime normal équivaut à une entrée de l’eau dans le radiateur à 80° et une sortie à 60° (en plein hiver). Lorsque le débit du radiateur est freiné de moitié (50 %), la puissance du radiateur est encore de 80 % de sa valeur maximale. Pour diminuer la puissance du radiateur de plus de la moitié (moyenne de la saison de chauffe), il faut diminuer le débit en dessous de 20 %. Il faut travailler sur le dernier quart de la course de la vanne. Or celle-ci a une plage de travail de l’ordre de 0,3 .. 0,8 mm au total ! Si au mois d’avril, le radiateur est alimenté avec de l’eau trop chaude, la vanne va osciller (s’ouvrir et se fermer), « pomper » disent les spécialistes, et un sifflement désagréable apparaîtra. À noter que ce phénomène est amplifié si le circulateur est surdimensionné (c’est souvent le cas !).

Sans compter que les pertes de distribution sont plus importantes.

Puissance émise par un radiateur lorsque son débit et sa température d’eau varient (100 % = débit nominal).

Si on diminue la température de l’eau alimentant le radiateur, il est possible d’adapter sa puissance aux besoins tout en conservant une ouverture de la vanne suffisante pour son bon fonctionnement.

De plus, la régulation centrale est également nécessaire parce qu’elle permet une gestion globale des intermittences (nuit, week-end, vacances,…).

Soupape différentielle ou circulateur à vitesse variable

Attention : lorsqu’une vanne thermostatique se ferme, le débit d’eau est arrêté dans la branche qui va vers le radiateur. C’est comme lorsqu’un enfant bouche de son pouce l’embouchure du jet d’une fontaine, … les autres jets sortent plus fort ! en fait, c’est la pression qui monte dans le réseau et tous les autres radiateurs voient leur débit augmenter. Toutes les autres vannes vont se fermer un peu plus…

Imaginons que vers midi quelques vannes soient encore ouvertes : elles reçoivent toute la pression de la pompe, elles ne s’ouvrent que d’une fraction de millimètre… et se mettent à siffler !

Lorsque les vannes thermostatiques se ferment, la pression augmente dans le réseau. La soupape différentielle s’ouvre alors pour renvoyer directement une partie de l’eau chaude vers le retour.

Circulateur à vitesse variable.

Concevoir

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L’emplacement des capteurs

Le rôle d’un capteur est d’être un témoin fidèle … de ce qu’il est censé mesurer ! Ce n’est pas toujours le cas :

la sonde d’ambiance d’un local est parfois influencée par le soleil qui lui tombe dessus à certains moments,
la sonde placée sur la tuyauterie est parfois détachée et le contact ne se fait plus,
…

Par quelques graphiques, précisons les critères à respecter pour les sondes intérieures et extérieures.

Emplacement des sondes de température intérieures

A éviter :

La sonde ne peut être soumise à l’ensoleillement.

La sonde ne peut être influencée par une source de chaleur interne (éclairage, radiateur, …).

La sonde ne peut pas être placée sur un mur extérieur.

La sonde ne peut être placée contre une cheminée.

La sonde ne peut être placée dans un endroit clos, peu influencé par l’air ambiant

La sonde ne peut être placée dans un endroit clos, peu influencé par l’air ambiant (dans une niche, derrière une tenture, …).

Emplacement des sondes de température extérieures

S’il n’y a qu’une sonde pour le bâtiment, on la posera sur une façade nord-ouest ou nord-est.

Elle doit être placée à une hauteur de 2 m à 2 m 50 au-dessus du niveau du sol ou accessible à partir d’une fenêtre.

A éviter :

La sonde ne peut être soumise à l’ensoleillement direct.

La sonde ne peut être placée contre une cheminée.

La sonde ne peut être placée au dessus d’une fenêtre.

La sonde ne peut être placée au dessus d’une sortie de ventilation.

Emplacement des vannes thermostatiques

Pour qu’une vanne thermostatique assure correctement son rôle, elle doit mesurer une température la plus représentative possible de la température ambiante. Le tête de la vanne, comprenant l’élément thermostatique, ne doit pas être échauffé par le corps de chauffe. On peut repérer comme influences parasites :

les coins de murs,
l’air chaud s’élevant des tuyauteries ou du radiateur (vanne placée verticalement),
un radiateur épais (radiateur de plus de 16 cm de large),
des tablettes ou caches décoratifs (tablette située à moins de 10 cm du radiateur),
des tentures,
.

Si les conditions adéquates ne sont pas réunies, il sera nécessaire d’utiliser des vannes thermostatiques avec bulbe à distance.

Positionnements incorrects et corrects d’une vanne thermostatique.

Vanne thermostatique qui sera placée juste au-dessus d’un nouveau radiateur : jamais elle ne pourra travailler correctement.

L’intermittence et la dérogation

Pratiquer l’intermittence de chauffage en fonction de l’occupation ne peut conduire qu’à une économie d’énergie.
Celle-ci est entre autres fonction du type de régulation qui est appliquée.

Coupure complète

Le régulateur doit permettre une coupure complète de l’installation en période d’inoccupation. Au moment de la coupure, le régulateur doit :

fermer la ou les vannes de régulation,
arrêter le ou les circulateurs,
et éventuellement arrêter le brûleur (si la chaudière peut fonctionner en très basse température).

La consigne de nuit sera surveillée par une sonde d’ambiance qui relancera l’installation si nécessaire (par exemple, si la température descend sous 16° en semaine et 14° le week-end dans certaines zones comme l’administration).

Optimiseur

La technique qui maximalise l’économie réalisée est l’optimiseur auto-adaptatif. Le principe de base du travail de l’optimiseur consiste à couper au plus tôt et à relancer au plus tard, tout en conservant le confort intact. C’est ainsi que la température moyenne intérieure sera la plus basse et que donc les économies seront les plus importantes.

Pour ce faire, l’optimiseur adapte automatiquement le moment de coupure et de relance en fonction de la température extérieure (sonde extérieure), de la température intérieure (sonde d’ambiance), l’inertie du bâtiment et la surpuissance disponible à la relance.

Attention cependant, le fonctionnement correct de l’optimiseur est lié :

à la bonne conception des circuits hydrauliques,
à l’emplacement correct des sondes d’ambiance,
à la prise en compte de la puissance réellement disponible pour la relance (par exemple, si on bloque le fonctionnement d’une chaudière en fonction de la température extérieure),
à la gestion de la vitesse des circulateurs électroniques (par exemple, si les circulateurs diminuent automatiquement leur vitesse pour la nuit, l’optimiseur doit gérer ce changement de vitesse, sinon il ne disposera pas de la puissance envisagée pour la relance).

Si ces conditions ne sont pas remplies, l’optimiseur ne pourra pas calculer le moment de la relance et risque d’anticiper tellement celle-ci que le ralenti disparaîtra.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les dysfonctionnements hydrauliques, cliquez ici !

Dérogation

Dans les bâtiments où des activités sont organisées en dehors des heures d’occupation normales, il doit être possible d’étendre la durée de fonctionnement de l’installation.

Quel que soit le mode de dérogation appliqué, il est important que le système se remette de lui-même en fonctionnement automatique. Une dérogation dont la fin serait gérée manuellement par les occupants risque rapidement de conduire à des oublis.
On peut imaginer :

Une horloge annuelle : un gestionnaire peut encoder à l’avance les périodes d’occupation exceptionnelles au moyen d’une horloge. Ce système a comme avantage de centraliser la gestion auprès d’une seule personne responsable, ce qui évite les erreurs de manipulation et permet un suivi de l’activité du bâtiment.
Les inconvénients sont : la centralisation peut poser des problèmes en cas d’absence du responsable, une relance ou une suppression de la dérogation « improvisées » sont impossibles, de même qu’une modification en dernière minute, de la durée de chauffage programmée. Ce mode de gestion demande également souvent que la programmation soit possible depuis le bureau du gestionnaire (au moyen par exemple d’une GTC).
Un bouton poussoir : en utilisant un bouton poussoir, les occupants peuvent relancer l’installation pour une période donnée, par exemple 2 heures. Après cette période, le régulateur se remet tout seul en mode automatique. Cette fonction est intégrée d’office sur beaucoup de régulateur. Sur une installation existante, il est possible de l’intégrer au moyen d’un bouton poussoir et d’un relais temporisé raccordé au régulateur en by-passant la commande de l’horloge. Le gros avantage de ce système est de permettre une dérogation « improvisée » sans dépendre du gestionnaire. La relance se fait malheureusement pour des durées fixes (par exemple 2 heures) et ne permet pas une relance anticipée qui peut être nécessaire après une longue coupure.

Exemple.

D’autres informations peuvent permettre de passer d’un régime vers l’autre :

Un bouton-poussoir placé à l’entrée de la salle de sports, ou de la salle des fêtes, peut enclencher le chauffage et un détecteur de présence peut l’interrompre parce qu’aucune présence n’a été détectée dans le dernier quart d’heure.
Dans une école d’Habay-La-Neuve, c’est le prof de gym qui enclenche l’installation de chauffage de la grande salle de sports en tournant la clef dans la porte d’entrée (un contact électrique enclenche un relais) et qui l’arrêtera en refermant derrière lui. Le temps de passage dans le vestiaire (dont le chauffage est programmé classiquement) est suffisant pour remettre la salle en température.

L’essentiel est de trouver un témoin fidèle de l’occupation (l’éclairage ? l’ouverture d’une porte ? d’un sas ? …). Bien sûr, pour diminuer le temps de remise en température, ce type d’action sous-entend soit une faible inertie des parois, soit une température de « veille » pas trop différente de celle de fonctionnement.

Rappelons qu’envisager des possibilités de dérogation peut également influencer le découpage hydraulique choisi : il faut essayer de circonscrire les activités « exceptionnelles » sur un même circuit de distribution de manière à réduire au maximum la zone chauffée.

Fonctions annexes

Le régulateur choisi peut intégrer les fonctions complémentaires suivantes :

La programmation horaire : idéalement, le régulateur doit permettre, en fonction des besoins, d’encoder des programmes de fonctionnement journaliers (coupure de nuit), hebdomadaires (coupure de week-end) et annuels (coupure de vacances).
La température d’inoccupation : en période de coupure, on a toujours intérêt à abaisser au maximum la température de consigne. Cependant, une température inférieure à environ 9°C risque de poser des problèmes de condensation dans les locaux. De plus, en fonction de la surpuissance de l’installation, un abaissement de température excessif peut poser des problèmes de relance pour les températures extérieures extrêmes. Le régulateur peut alors remonter automatiquement la température de nuit en fonction de la température extérieure.

Exemple.

Par exemple, lorsque la température extérieure descend au-dessous de 5°C, la température de consigne de nuit augmente de 0,7°C par °C extérieur.

Si la température extérieure est de – 5°C, la consigne de nuit sera réglée automatiquement à :

9 [°C] + 0,7 [°C] x (5 [°C] – (- 5 [°C])) = 16 [°C]

La compensation de l’effet de paroi froide : lors de la remontée en température, quand on atteint la température de consigne, le régulateur peut continuer à envoyer toute la puissance, pendant un temps programmé, pour éviter un inconfort du fait du rayonnement froid des parois du local non complètement réchauffées.

Analogique ou digital ?

Nous vivons une période charnière où deux types d’équipements de régulation coexistent : la régulation analogique traditionnelle et la régulation numérique (encore appelée régulation digitale ou DDC, Direct Digital Control).

Régulateurs analogique et digitaux.

L’évolution des technologies nous entraîne vers l’installation d’équipements numériques. Tous les arguments ne jouent cependant pas en ce sens :

Pour le digital

Un raisonnement de bon sens nous porterait à dire : achetons dès aujourd’hui du numérique, demain nous pourrons centraliser toute la gestion des équipements et, par exemple, la gérer à distance par modem (quel bonheur de pouvoir de chez soi contrôler l’origine de la panne signalée par un enseignant, plutôt que de devoir aller voir sur place… souvent pour rien).

L’ennui, c’est qu’actuellement les protocoles de communication ne sont toujours pas compatibles : la marque X parle chinois et la marque Y parle arabe, impossible de les mettre sur le même bus ! On attend une uniformisation du même type que celle qui a eu lieu dans le domaine informatique (PC IBM compatible, DOS Microsoft). Actuellement, choisir une marque de régulateur, c’est pratiquement se résoudre à rester dans la même marque dans le futur pour assurer la compatibilité des connexions !

Contre le digital

Le régulateur numérique reste souvent une « boîte noire ». Dans la pratique, nous constatons souvent une difficulté de lecture des paramètres de ces régulateurs par le gestionnaire.

Aucun contrôle de la régulation n’est alors possible et une intervention du technicien d’exploitation devient (très) difficile. Si un mode d’emploi clair explique le paramétrage (à exiger donc !), c’est gérable, mais encore faut-il que ce mode d’emploi ne se perde pas. Le seul recours est alors de faire appel au chauffagiste. En cas de changement de ce dernier, il est fort probable que le paramétrage soit perdu et le régulateur déconnecté par le gestionnaire (cas vécu).

En conclusion, la régulation numérique permet des possibilités de régulation quasi illimitées. Cependant, nous constatons sur le terrain que plus le schéma de régulation est complexe et plus le paramétrage des régulateurs est « obscur », plus le risque de voir la régulation incontrôlable et incontrôlée est grand.

On risque donc d’obtenir le résultat inverse de celui souhaité, avec à l’extrême un retour en mode manuel.

Cette conclusion est évidemment à nuancer en fonction du type de bâtiment et de structure de gestion technique des équipements : un hôpital n’est pas une école primaire.

Fonctions annexes

Arrêt des circulateurs

Si une vanne se ferme ou si le brûleur s’arrête, signifiant l’absence de besoin de chauffage, il est inutile de maintenir les circulateurs en fonctionnement.

Cela doit être prévu dans la régulation, de même qu’une temporisation (d’environ 6 minutes) à l’arrêt pour permettre une évacuation complète de la chaleur contenue dans l’eau.

On peut également prévoir la commutation automatique des pompes jumelées lorsqu’une tombe en panne et également à intervalle régulier (toutes les 150 h par exemple).

Détection des pannes

Il peut être également très utile de choisir des régulateurs capables de détecter eux-mêmes et d’afficher les différentes pannes pouvant apparaître dans les équipements de mesure et les fonctions de régulation.

Exemples.

court-circuit ou coupure dans le câblage des sondes,
écart trop important de la température de départ,
modification trop rapide ou écart trop grand de la température ambiante,
..

Communication

La gestion à distance des équipements (modification des paramètres, repérage des pannes, mise en dérogation, …) apporte un plus dans la conduite des installations.

Pour qu’à terme, l’installation puissance être raccordée à un système de gestion technique centralisée (GTC), il faut dès le départ choisir un matériel dit « communiquant » (et pour être à l’abri des problèmes de protocole de communication, de la même marque que les autres régulateurs).

Suivi des consommations

La mise en place d’une nouvelle régulation constitue un moment clé pour l’implantation de compteurs dans l’installation. On peut envisager ainsi :

Le comptage de la chaleur délivrée vers une zone du bâtiment, en plaçant un compteur d’énergie thermique. Il va mesurer le débit d’eau qui alimente la zone et l’écart de température entre l’entrée et la sortie. Un petit processeur fera alors le calcul et affichera les kWh consommés. Ceci part d’un principe de management très efficace : décentraliser les budgets auprès des consommateurs finaux. Si la section primaire de l’école occupe une aile du bâtiment, et qu’un circuit distinct l’alimente (ou s’ils sont situés sur la fin du circuit), le compteur thermique leur donnera leur propre consommation. Leur motivation dans la gestion des consommations sera renforcée et remboursera rapidement l’investissement dans le compteur, sans compter l’absence de conflits liés à la répartition arbitraire. Mieux ! Pour un prix de l’ordre de 750 €, il existe des vannes deux voies dont l’ouverture est commandée par un thermostat d’ambiance, et qui comptent simultanément l’énergie véhiculée (ce sont des vannes qui assurent généralement la régulation et la répartition des frais de chauffage dans les immeubles à appartements multiples).
Le comptage de la consommation de fuel, par un simple compteur fuel sur la vanne magnétique de la ligne gicleur : cela permet de faire un suivi régulier des consommations et de détecter une anomalie de fonctionnement, ce que la jauge ne permet pas.
Le comptage de l’eau sanitaire : vu l’augmentation rapide du coût de l’eau, il devient un plus dans la surveillance des fuites et autres chasses d’eau cassées.
Le comptage de l’appoint d’eau du circuit de chauffage : on rencontre parfois des installations où le concierge ajoute chaque jour un appoint d’eau sans que personne ne s’inquiète. Et pourtant, l’eau fraîche régulièrement ajoutée apporte également beaucoup d’oxygène en suspension, oxygène qui est un des principaux agents de corrosion. Avec un petit compteur de débit placé sur le tuyau de raccordement de l’eau de ville vers le réseau de chauffage, une évaluation du problème est possible …
Le comptage des degrés-jours : sur base des relevés de la sonde extérieure, le régulateur peut fournir les degrés-jours, chiffre indicateur du froid qu’il fait. Cela permet une gestion efficace des consommations par le rapport consommation/degrés-jours.

Gérer

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Suivi des paramètres de régulation

En pratique, il n’est pas rare de rencontrer des installations de régulation dont personne ne connaît très bien le mode fonctionnement…

Les schémas sont perdus, les modes d’emploi sont introuvables, …

Il sera donc toujours utile de prévoir dès le début de la nouvelle installation la mise en place de son suivi :

La présence d’une copie des schémas hydrauliques et des schémas de régulation dans la chaufferie.
L’indication des caractéristiques de tous les appareils (lorsqu’un circulateur tombe en panne, on le remplace provisoirement par celui disponible en réserve, le provisoire devient définitif,… et on a perdu toute référence du circulateur correct !).
La présence d’un carnet de bord qui signale le réglage initial des paramètres et les modifications réalisées durant la vie de l’installation, outil qui aide le petit nouveau qui vient remplacer celui qui part à la pension !

Ces conseils semblent scolaires, … ils sont pourtant vraiment très utiles en pratique.

Gestion Technique centralisée (GTC) ?

Que peut apporter une GTC ?

Local de gestion centralisée au Collège St Paul à Godinne.

La motivation paraît double :

Organisationnelle avant tout. Il s’agit d’améliorer l’efficacité de la gestion des hommes chargés de la maintenance, de réduire les déplacements inutiles, de mieux préparer le matériel nécessaire pour l’intervention, voire de mieux suivre le travail effectif de chaque ouvrier. L’amélioration du confort dans les bâtiments s’ensuivra par une gestion très rapide des alarmes : une anomalie sera corrigée avant même que l’occupant ne s’en aperçoive (donc pas de plaintes !). ce type de gain est difficilement chiffrable …

Énergétique ensuite. L’intelligence restant au niveau de la chaufferie, la télégestion n’assure qu’un transfert de l’information. A première vue, l’amélioration semble nulle par rapport à une régulation locale correcte. Cependant l’expérience des gestionnaires ayant fait le choix d’une GTC montrent que ce poste est plus important qu’on pourrait le penser a priori.
En effet, il apparaît que :

Dans les 6 mois qui suivent l’installation, de nombreuses mises au point sont effectuées grâce aux historiques transmis par la télégestion (comportement du système la nuit, le W-E, …). À titre d’exemple, on peut citer l’adaptation de la courbe de chauffe d’un bâtiment ou le repérage d’un défaut sur une sonde, actions très facilitées par la présence d’une télégestion.
Les installations sont mises en dérogation manuelle plus souvent qu’on ne le croit. Le rôle « d’espion » permanent de la télégestion permet des économies réelles, quoique difficilement chiffrables. En fait, l’économie dépendra de la situation initiale. Sur un bâtiment en chauffage quasi continu, 30 % d’économie sont possibles. Mais au départ d’un bâtiment muni d’une régulation correcte et régulièrement vérifiée, on ne peut espérer plus de 5 % d’économie d’énergie supplémentaire par l’installation d’une télégestion.

À ceci, viennent s’ajouter des besoins complémentaires éventuels qui améliorent la rentabilité de l’opération : le contrôle des accès, la prévision du remplissage des cuves, le suivi des consommations d’eau, …

Exemple.

Dans l’institution de Monsieur M., un supplément de 10 000 € a été dépensé en consommation d’eau l’an dernier, suite à des fuites non détectées. Un programme de télégestion peut déclencher un message d’alarme si un compteur d’impulsion l’informe des consommations anormales.

Quelle GTC ?

Le principal critère de choix entre une GTC réalisée avec un système propriétaire lié à une seule marque pour les régulateurs et la supervision ou un système plus ouvert permettant l’intégration d’appareil de marque différente mais utilisant des « standards » de communication, se situe au niveau de l’ampleur du bâtiment et des équipements à gérer.

Dans un bâtiment de taille moyenne (par exemple, une école) un système propriétaire pour ne gérer que les installations de chauffage conviendra tout à fait.

Dans un bâtiment de taille plus importante où l’on veut étendre le système de gestion à d’autres systèmes que le chauffage (éclairage, stores, intrusion, incendie, …), on sera presque obligé de se tourner vers un système utilisant les standards « LON », « EIB », « KONNEX », …

Dans tous les cas, il faut être attentif lorsque l’on se lance dans un projet de GTC à différents critères de choix. Notamment :

l’existence d’une liste de prix clairement publiée et complète,
un engagement éventuel sur des prix durant x années lors de l’acquisition du système de supervision (on pourrait imaginer une adjudication pour tous les bâtiments existants, avec contrat à long terme (10 ans) sur un pourcentage de variation de prix),
la fiabilité dans le temps de la société de régulation,
l’accès à l’information sur le fonctionnement des systèmes (mode d’emploi, formation, … ),
le besoin éventuel de recourir à un contrat de maintenance (ces deux derniers points sont liés à la lisibilité des messages par le personnel de maintenance),
les possibilités d’adaptation des programmes de gestion des équipements si ceux-ci sont modifiés (par exemple, le remplacement d’une chaudière par deux plus petites en cascade nécessite-t-il une reprogrammation par le constructeur ?),
la lisibilité des informations prévues par le logiciel de supervision. Le prix annoncé comprend-t-il un synoptique de l’installation ou simplement un listing des états et valeurs des entrées/sorties ?

Quel que soit le choix réalisé, il est essentiel d’avoir en tête que le coût le plus élevé sera celui accordé au software.

Tout programme spécifique (mise au point d’une communication entre deux régulateurs de protocole différents, par exemple) sera hors de prix par rapport à l’acquisition d’un hardware compatible …

Préalablement à la consultation des différents constructeurs, il est utile de réfléchir :

aux techniques que l’on souhaite surveiller dans chaque bâtiment (chauffage, éclairage, eau, incendie, …),
aux informations qu’il sera nécessaire de renvoyer vers le poste de contrôle pour chacune de ces techniques,
et donc au nombre d’entrées et de sorties à prévoir pour chaque application. Ce seront ces « points » qui définiront la taille du système et donc son coût.

Exemple des points envisageables dans une chaufferie pour sa télégestion.

Signalisations TS

Marche/arrêt : pompes, brûleurs, ventilateurs, surpresseurs
Fin de course : vannes

Alarmes TA

Disjoncteur : général, pompes, brûleurs, ventilateurs.
Dépassement de limite : température de fumées, niveau de cuve fuel, température chaudière, température ECS. température eau départ, température eau retour, pression eau, pression gaz, débit.
Anomalies : brûleur, incendie, fuite gaz, fuite d’eau.
Intrusion : ouverture porte local, ouverture porte coffret.

Comptage d’impulsion TCI

Débits : fuel, gaz, vapeur, eau.
Énergie : électrique, thermique consommée, thermique produite.

Comptage horaire THI

Fonctionnement : pompes, brûleurs, ventilateurs, surpresseurs.

Mesures TM

Température eau : départ chauffage, retour chauffage, écart départ-retour, boucle ECS, ballon ECS.
Température air : extérieur, locaux témoins.
Autres températures : fumées.
Pressions : eau, vapeur, gaz.
Niveaux : fuel.

Commandes TC

Marche/arrêt : pompes, brûleurs, ventilateurs, ralenti chauffage, boucle ECS.
Ouverture/fermeture : vannes.

Réglages TR

Consignes de régulation : température de départ, température d’ECS, température ambiante, courbe de chauffe.
Position : vanne.

On vérifiera également si le logiciel de supervision est prévu pour créer une alarme sur base des informations transmises. Par exemple, lire les consommations d’eau constitue une première étape, mais pouvoir définir les paramètres qui entraînent une alarme dans un logiciel de gestion standard sera tout aussi important (exemple : une alarme est déclenchée si la consommation de nuit dépasse x m³). Si ce logiciel doit être réalisé à la carte, la démarche risque d’être coûteuse.

Exploitation de la GTC

La mise en place d’un système de télégestion entraîne également une modification de la distribution des tâches au sein de l’équipe technique. Si l’organisation est assurément améliorée, c’est notamment parce qu’une personne du cadre assure un suivi régulier des installations. Celle-ci doit avoir une compétence minimale en HVAC et une connaissance physique des installations gérées pour pouvoir interpréter les mesures et les pannes constatées. Par exemple, la baisse de la température de l’ambiance peut provenir de diverses causes.

Si son rôle se limitait à répercuter le message d’alarme à l’équipe de maintenance, une part de l’intérêt de l’opération serait perdue …

Une efficacité accrue de l’équipe d’intervention se réalise donc moyennant un investissement plus important du staff de maîtrise.

Investir plus tard ?

Dans tous les cas, le problème de télégestion doit être posé. Même si aucune réalisation n’est envisagée à court terme, il est utile d’investir actuellement dans du matériel DDC « communiquant », avec la perspective qu’une gestion centralisée puisse avoir lieu dans le futur.

Études de cas	La conduite des bâtiments de la ville de Mons.
Études de cas	La rénovation de la régulation au Collège St Paul à Godinne.

Synthèse : les 6 principes de base

Principe de régulation d’une installation de chauffage équipée de deux chaudières à grand volume d’eau et pouvant travailler en très basse température (ou chaudière à condensation).

>	Les chaudières sont régulées en cascade par action sur leur brûleur, leur vanne d’isolement et leur circulateur éventuel.
>	La température des chaudières suit au plus près la température des circuits secondaires de distribution (sauf si chaudière ne pouvant descendre en température, production instantanée d’eau chaude sanitaire combinée ou collecteur primaire bouclé).
>	Chaque zone d’occupation et de besoin homogènes dispose de son propre circuit de distribution dont la température d’eau est régulée en fonction d’un thermostat d’ambiance ou le plus souvent d’une sonde extérieure.
>	Chaque circuit dispose un thermostat d’ambiance qui permet de gérer la température d’inoccupation et éventuellement d’ajuster le réglage de la courbe de chauffe dans le cas d’une régulation en fonction de la température extérieure.
>	Les locaux profitant d’apports de chaleur plus importants que les autres sont équipés de vannes thermostatiques le plus souvent « institutionnelles ».
>	L’intermittence est gérée par un optimiseur qui assure une coupure complète des circuits de distribution et éventuellement des chaudières et calcule automatiquement le moment de la coupure et de la relance en fonction des températures intérieures et extérieures.

Cas particulier des petits bâtiments

On définit comme petit bâtiment, un bâtiment dont le circuit de chauffage est unique et directement alimenté par la chaudière. Ce mode de conception s’apparente aux installations domestiques.

Si on choisit une chaudière très basse température (ou à condensation), ce que nous recommandons, la régulation centrale agira directement sur la chaudière :

Un thermostat d’ambiance commande le brûleur et le circulateur. Le fonctionnement de ce dernier est temporisé pour anticiper l’allumage du brûleur (et éviter un allumage sans circulation) et, à l’arrêt, pour évacuer la chaleur résiduelle contenue dans l’eau. En dehors des demandes du thermostat, l’ensemble de l’installation est mise à l’arrêt. Le thermostat permettra un ralenti grâce à deux températures de consignes différentes. Des vannes thermostatiques affinent le réglage de température dans les locaux ne comprenant pas le thermostat d’ambiance s’ils présentent des apports de chaleur plus importants que le reste du bâtiment ou demandent une température de consigne moindre.
Une sonde extérieure qui adapte la température de l’eau de la chaudière. Dans ce cas, le circulateur fonctionne en continu durant la saison de chauffe. Ce système est utilement complété par une sonde d’ambiance pour gérer la température en période de ralenti (le circulateur peut être arrêté lors de la coupure). Des vannes thermostatiques dans chaque local doivent prendre en compte les apports de chaleur particuliers.

Nous ne disposons pas de données chiffrées neutres qui nous permettrait de départager ces deux solutions d’un point de vue énergétique (la combinaison des 2 est aussi envisageable). La première solution est plus classique mais demande de trouver un local témoin représentatif.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Organiser la maintenance du chauffage

Entretien des chaudières

Obligation

L’arrêté royal du 29 janvier 2009 impose que toute chaudière fonctionnant à un combustible liquide ou solide fasse l’objet d’un entretien annuel par un technicien qualifié. Avec ce nouvel arrêté, les chaudières fonctionnant au gaz font l’objet d’une obligation d’entretien triannuel.

Nettoyage de la chaudière

La présence de suie dans la chaudière diminue l’échange entre les fumées et l’eau : 1 mm de suie sur la surface de l’échangeur équivaut à une perte de rendement de combustion de 4 à 8 %.

L’encrassement rapide justifie que l’on procède à plusieurs nettoyages par an. Il faut cependant en rechercher la cause et la solutionner. Cela peut être :

un mauvais réglage du brûleur (indice de Bacharach élevé),
une inadéquation entre le brûleur et la chaudière,
un surdimensionnement de la chaudière et du brûleur.

Pour en savoir plus sur l’évaluation de ces paramètres, cliquez sur :

Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique des chaudières.
Évaluer	Interpréter la fiche d’entretien d’une chaudière.

Réglage de la combustion (pour les chaudières à brûleur pulsé fuel ou gaz)

Le réglage de la combustion s’effectue en agissant sur le volet d’air du brûleur et, si possible, sur la position de l’accrocheur de flamme et de la ligne gicleur au niveau de la tête de combustion du brûleur.

C’est principalement ce réglage qui détermine la qualité de la combustion dans la chaudière.

Réglage d’un brûleur avec mesure en parallèle du rendement de combustion.

Pour les grosses installations deux éléments peuvent justifier que l’on procède à plusieurs contrôles de combustion et réglages par an (idéalement 1 par trimestre) :

Premièrement, le volume d’oxygène contenu dans l’air diminue en hiver.

Variation du taux d’oxygène contenu dans l’air en fonction des conditions atmosphériques extrêmes (hiver ensoleillé – été pourri)
	Hiver	Été
Pression atmosphérique [mbar]	1 043	983
Température [°c]	– 5	20
Humidité relative [%]	0	100
m³ d’O2 dans 1 m³ d’air comburant	0,2196	0,1849
Différence été/hiver	19 %

Effectuer un réglage au changement de saison permet d’éviter d’augmenter exagérément l’excès d’air pour éviter la formation d’imbrûlés en hiver, ce, au détriment du rendement de combustion.

Deuxièmement, un déréglage est toujours possible (usure des pièces, vibrations, aspiration des poussières perturbant le ventilateur ou encrassant la tête de combustion, …

Exemple.

Gagner 1 % de rendement sur la totalité de la saison de chauffe, grâce à un suivi saisonnier du réglage est tout à fait réaliste.

Par exemple, pour une installation consommant 200 000 litres de fuel par an, cela équivaudrait à une économie d’environ :

0,01 x 200 000 [litres fuel/an] = 2 000 [litres fuel/an]

Pour une heure de main d’œuvre par réglage.

Détérioration mécanique des chaudières

Certaines détériorations mécaniques des chaudières ont une influence sur leur efficacité énergétique et à ce titre doivent être réparées. Par exemple :

La dégradation de l’isolant augmente les pertes à l’arrêt.
La détérioration de l’isolation réfractaire à l’intérieur du foyer (porte foyère, fond de la chaudière) met en péril la tenue mécanique de la chaudière mais augmente aussi les pertes directes vers l’ambiance lorsque le brûleur est en fonctionnement (pertes par parois sèches).

Isolant d’une porte foyère détérioré : la chaleur dégagée a fait fondre le capotage et l’isolation acoustique d’un tout nouveau brûleur.

La déformation de la tête de combustion du brûleur ou son encrassement ne permet plus un réglage correct de la combustion et diminue le rendement.
La mobilité et le réglage du régulateur de tirage placé sur la cheminée doit être vérifiée car conditionne l’échange de chaleur dans la chaudière.
La fermeture correcte du clapet d’air à l’arrêt du brûleur est également un poste à vérifier.

Contrôle des paramètres de régulation

Il n’est pas rare de rencontrer des installations fonctionnant 24h sur 24 parce qu’elles ont exceptionnellement été mises en dérogation un jour et que personne ne s’est soucié de rétablir le mode « automatique ».

Un autre exemple : qui se soucie de vérifier l’exactitude des horloges de régulation, notamment lors des deux changements d’heures annuels ?

Ces éléments peuvent être la source d’une surconsommation importante (par exemple, supprimer l’intermittence du chauffage peut provoquer une augmentation de 10 .. 25 % de la consommation).

Il est donc important de vérifier régulièrement le réglage correct des paramètres de la régulation pour éviter toute dérive. Notons que ces dernières sont repérables lorsque l’ont tient une comptabilité énergétique précise pour son bâtiment.

Gérer	Pour en savoir plus sur la mise en place d’une comptabilité énergétique et les interprétations que l’on peut en tirer.
Évaluer	Évaluer l’efficacité énergétique de la régulation.

Contrôler le vase d’expansion et supprimer les fuites

L’ajout d’eau permanent dans la chaudière est synonyme d’apport de calcaire et d’oxygène agressif. La détérioration par corrosion de l’ensemble de l’installation peut être rapide : dégradation de la tuyauterie, de la robinetterie, des corps de chauffe, des chaudières, production de boues et blocage des vannes, bouchage des échangeurs, des chaudières, …

L’entartrage des chaudières (aux endroits les plus chaud) constitue également une isolation et entrave la transmission de chaleur. Il en résulte un échauffement excessif des matériaux et une surconsommation qui peut être considérable, selon l’épaisseur de la couche de tartre.

Il est donc important de repérer la cause du manque d’eau et d’y remédier le plus rapidement possible.

Relever le compteur de remplissage automatique

La première chose à faire est de surveiller attentivement la consommation en eau d’appoint. Pour cela, il peut être indispensable de placer un compteur d’eau sur le système de remplissage. Cela est obligatoire lorsque l’installation est munie d’un groupe de remplissage automatique. En effet, une fuite permanente peut longtemps passer inaperçue. La maintenance doit alors comprendre un relevé régulier du compteur pour repérer rapidement toute dérive.

La situation peut être considérée comme anormale et dangereuse pour l’installation si la quantité d’eau ajoutée annuellement dépasse :

1 litre par kW installé

Il est également important de faire des comparatifs à intervalles réguliers.

Contrôle régulier du vase d’expansion

La première chose à vérifier est le vase d’expansion.

Un vase d’expansion peut être mal dimensionné.

Dans ce cas, de l’eau risque d’être évacuée régulièrement par la soupape de sécurité de la chaudière.

Il peut également être percé et ne plus remplir son rôle.

Il faut donc vérifier régulièrement la présence d’air dans le vase : le côté contenant l’air doit sonner « creux » lorsque l’on tape dessus.

Il faut savoir qu’un vase d’expansion à pression variable, se dégonfle avec le temps (c’est comme un pneu de voiture). Il faut donc vérifier régulièrement sa pression de gonflage. Pour cela, il faut isoler le vase, le vidanger, vérifier sa pression à vide et le regonfler si nécessaire (un vase d’expansion dispose d’une pipette semblable à celles des roues de voiture).

La pression à respecter doit être égale à :

P_gon[bar] = (h [m] / 10) + 0,3 [bar],

avec un minimum à respecter de 0,5 bar

Où,

h est la différence de hauteur [m] entre le vase d’expansion considéré comme étant au point le plus bas de l’installation et le point le plus haut de l’installation.

Repérer les fuites

Il faut faire la chasse aux fuites. Des traces de fuites peuvent être repérées (trace de coulées, présence d’eau) :

au niveau des soupapes de sécurités,
au niveau des joints ou des presse-étoupes,
au niveau des corps de chauffe,
au niveau de la chaudière.

Attention il faut être attentif car certaines fuites peuvent rester longtemps invisibles, par exemple, par ce que l’eau coule sous un isolant.

Contrôle de l’eau

Dans un souci de pérennité de l’installation, il est également très utile de faire analyser, une fois par an, la qualité de l’eau d’une installation de chauffage par un laboratoire spécialisé : contrôle de l’acidité, de la dureté, de la conductivité.

Par exemple, un pH de 7,5 avec une ancienne installation est synonyme d’un percement rapide. Si c’est dans une conduite enterrée …

Cela permet d’évaluer les risques de corrosion interne et l’état des surfaces inaccessibles.

Un tel compteur peut évidemment aussi être exploité dans une installation à alimentation en eau manuelle.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir les corps de chauffe

Convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol ?

Les corps de chauffe se différencient par le mode d’émission de chaleur

convection pour les convecteurs,
rayonnement pour le chauffage par le sol,
convection et rayonnement pour les radiateurs.

Mode d’émission de chaleur des corps de chauffe.
Par exemple, un radiateur traditionnel à ailettes émet environ 70 % de sa chaleur par convection et 30 % par rayonnement. Ce rapport est de 50 % / 50 % pour un radiateur à panneaux sans ailettes.

Confort

Le « rayonnement doux » (c’est-à-dire à basse température) est le mode d’émission le plus confortable

sensation de confort globale la meilleure,
homogénéité des températures (peu de stratification des températures, pas de fort rayonnement sur une face du corps).

C’est ainsi que des grands radiateurs fonctionnant à basse température et le chauffage par le sol se démarquent légèrement des autres types de corps de chauffe.

Par exemple, une étude menée en France par le « GREC » (Groupe de recherche sur les émetteurs de chaleur) montre que faire fonctionner un radiateur en basse température (augmentant ainsi la part d’émission par rayonnement par rapport à la convection) diminue de 0,5 à 7,5 % le nombre d’insatisfaits. Un niveau plus bas de température de fonctionnement suppose un investissement et un encombrement supérieur. En contrepartie, la basse température d’émission présente aussi des avantages en terme de consommation de la chaudière.

Consommation

Convecteur ou radiateur ?

Un convecteur suppose une température de fonctionnement plus élevée que des radiateurs, ce qui implique des pertes de distribution et de production légèrement plus importantes (une chaudière à condensation est par exemple moins efficace avec des convecteurs).

Courbe de chauffe type pour des convecteurs, des radiateurs et du chauffage par le sol.

Cette différence de température de fonctionnement implique également que l’on ne peut raccorder des radiateurs et des convecteurs sur un même circuit de distribution. Chacun demande une régulation de température spécifique. De plus, la transmission de chaleur via de l’air entraîne inévitablement une certaine stratification des températures.

Cela oblige d’augmenter la température moyenne de la pièce pour un même confort au niveau des occupants. L’impact est cependant faible pour les locaux d’une hauteur sous plafond de 2,5 .. 3 m. Il n’en va pas de même pour les locaux de plus grande hauteur. Surtout s’ils sont très mal isolés puisque pour fournir une puissance plus élevée, la température de l’air sera plus élevée.

Exemple. On observe un gradient vertical de :

Pour les radiateurs : 0°C/m (bâtiments très bien isolés) à 0,8°C/m (bâtiments anciens.
Pour les convecteurs : 0,5°C/m (bâtiments très bien isolés) à 1,2°C/m (bâtiments anciens).
Pour les planchers chauffants : 0°C/m (pour tout type de bâtiment).

Exemple de stratification des températures avec un chauffage par radiateur et un chauffage par convecteur, dans un local mal isolé (source : « Les émetteurs de chaleur » du Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur de l’ADEME).

En conclusion, un convecteur n’est choisi par rapport à un radiateur que parce qu’il est moins cher et moins inerte. Il répond ainsi rapidement à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion).

Lorsqu’il s’agit de locaux climatisés au moyen de ventilos-convecteurs (convecteurs avec ventilateur intégré), on ne dédouble évidemment pas les systèmes. L’émission de froid et de chaud est réalisée par le même appareil.

Chauffage par le sol

Par rapport aux radiateurs et aux convecteurs, le chauffage par le sol est plus difficile à situer. Il présente des grandes qualités et des grands défauts.

Sa consommation est fonction de sa situation :

Si le plancher chauffant est situé au-dessus d’une cave, d’un vide ventilé ou du sol, il présentera des pertes vers le bas qui peuvent devenir importantes cette perte peut rapidement dépasser 10 .. 20 % de la puissance émise, en fonction de l’isolation sous le plancher. Dans ce cas, le chauffage par le sol est clairement plus énergivore que le chauffage par radiateurs ou convecteurs.

Chauffage par le sol (au rez-de-chaussée) avec isolation insuffisante (seulement 2 cm de polystyrène expansé).

Calculs

Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au dessus d’une cave, en fonction du degré d’isolation : cliquez ici !

Si le plancher chauffant est situé entre 2 étages occupés, cette perte peut être négligée. Le chauffage par le sol peut alors être énergétiquement plus intéressant. Dans ce cas, les études du GREC le présentent comme 10 % moins consommateur. Cela s’explique par le fait que, puisque la température moyenne des parois (dont fait partie le sol) est plus élevée, la température de l’air ambiant pourra être plus basse, pour obtenir un confort équivalent.

Le chauffage par le sol sera alors d’autant plus intéressant s’il est associé à une chaudière à condensation. En effet la température de retour de l’eau dans un chauffage par le sol ne dépasse pas 40°C et permet donc la condensation toute l’année.

Nous tenons cependant à nuancer l’économie possible, présentée ci-dessus. Nous ne pouvons cependant pas quantifier cette nuance :

Par son inertie thermique importante, le chauffage par le sol peut conduire à des surchauffes (et donc des surconsommations) plus importantes que les autres systèmes. En effet, c’est l’entièreté de la dalle de sol qui est chaude. Celle-ci ne peut donc réagir instantanément à l’apparition d’apports de chaleur gratuits importants et, de plus, elle a perdu une bonne partie de sa capacité à absorber la chaleur excédentaire.

Ce phénomène est quelque peu contrecarré par les propriétés d’autorégulation du système : l’émission de chaleur du plancher diminue d’elle-même lorsque la température de l’air augmente et se rapproche de celle du sol (de l’ordre de 24°C). Mais avant que l’émission de chaleur devienne négligeable, la surchauffe se fera ressentir.

L’inertie thermique importante du système, réduit le gain que l’on pourrait réaliser en pratiquant une intermittence du chauffage en période d’inoccupation.

Exemple. La dalle de sol, au pied d’une baie vitrée est un régulateur de l’apport solaire : il emmagasine le rayonnement solaire durant la journée et le restitue (avec un déphasage) en soirée. C’est ce qui fait la différence entre un bâtiment massif et une caravane (ou une voiture).

Comparaison entre la chaleur instantanée due à l’ensoleillement et la chaleur réellement restituée au local, pour des bâtiments à forte et faible inertie.

Si ce « réservoir », ce « ballon tampon », est déjà en partie préchauffé par le système de chauffage, il ne peut guère remplir son rôle. Si encore, on pouvait prévoir l’arrivée du soleil … Mais le chauffage de la dalle devant être démarré 4 heures avant l’usage du local, il est impossible de prédire la présence du soleil. Un compromis ? Il est peut-être possible de diviser la dalle de sol en deux partie : un réseau alimentant la zone proche de la façade et un réseau plus intérieur au bâtiment. En mi-saison, seule la zone intérieure serait alimentée, gardant « au frais » le plancher susceptible d’être ensoleillé. Nous n’avons jamais rencontré une telle solution, qui reste donc théorique. On peut aussi dédoubler les systèmes : le chauffage par le sol peut assurer un chauffage de base et un chauffage par radiateurs ou convecteurs en complément, qui peut réagir rapidement à un apport de chaleur subit. Mais dans ce cas, on perd un des avantages du chauffage par le sol qui est l’absence d’encombrement (pas de corps de chauffe visible) et augmente les coûts déjà importants (le chauffage par le sol entraîne à lui seul un surcoût de 20 %).

Par exemple, le chauffage par le sol ne convient absolument pas pour une école dont le temps d’inoccupation et les apports de chaleur gratuits (élèves, ensoleillement) sont importants. Pas plus pour un restaurant. Il ne convient pas non plus pour tout local fortement ensoleillé.

Par contre, il convient tout à fait dans les locaux de grande hauteur (atrium, local avec mezzanine, …) pour lesquels la stratification des températures devient importante dans le cas d’un chauffage par convection.

Chauffage par le sol dans un grand hall.

En conclusion

Le chauffage par le sol est intéressant (tant au niveau du confort que de la consommation)

dans des locaux situés au-dessus de locaux chauffés,
non soumis à des apports de chaleur importants et variables (occupants, soleil, …),
à usage continu (de type hébergement).

Le chauffage par convecteur convient dans des locaux à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion).

Dans tous les autres cas, le chauffage par radiateurs est le meilleur compromis confort/consommation.

Le chauffage par le plafond ?

Cela existe !

Le principe de l’émission de chaleur est semblable à celui des planchers chauffants. Comme 90 % de la transmission de chaleur se fait par rayonnement, la stratification des températures dans le local reste réduite et les performances énergétiques bonnes.

Généralement, il s’agit de plafonds électriques. Mais il est également possible de combiner plafond refroidissant et plafond chauffant dans un même système. Cela permet d’éviter un dédoublement des systèmes et tout encombrement au sol lorsque l’on choisit une climatisation par plafond froid. A priori (nous ne disposons pas de résultats de mesure neutres), l’efficacité énergétique obtenue doit être semblable à celle des planchers chauffants (rayonnement, eau à basse température).

En pratique, une technique consiste à découper le plafond en plusieurs zones. Seule la bande de plafond proche de la façade sera alors alimentable en eau chaude. La puissance émise est suffisante pour chauffer des bureaux présentant des charges internes non négligeables.

D’après la littérature, le plafond chauffant donne des résultats semblables au chauffage par le sol, en ce qui concerne le confort et la consommation. Il présente, cependant une inertie moindre qui lui permet de réagir plus rapidement aux apports de chaleur gratuits. L’intermittence est également plus aisée, pour peu que l’on augmente la température de l’eau au moment de la relance, avant l’arrivée des occupants. Cela se justifie par le peu de surpuissance disponible par m² de plafond si on travaille à température de régime (puissance de l’ordre de 75 .. 90 W/m²).

Le chauffage par le système de ventilation mécanique ?

Dans les anciens immeubles de bureaux non isolés, la puissance nécessaire au chauffage est telle que le débit de ventilation hygiénique est insuffisant si on veut assurer avec celui-ci un chauffage aéraulique. La séparation des fonctions « ventilation hygiénique » et « chauffage » s’impose d’autant plus que le bâtiment est peu isolé et que les apports internes de chaleur (machines, éclairage, …) sont faibles.

Si on veut combiner ventilation et chauffage, un recyclage partiel de l’air doit être organisé pour augmenter les débits pulsés, ce qui surdimensionne les équipements de ventilation.

Par contre, dans les bâtiments de bureaux plus modernes, bien isolés, fortement équipés (ordinateur, imprimante personnelle), la puissance de chauffage nécessaire se réduit fortement, et avec elle, les débits d’air nécessaires pour un chauffage aéraulique. Dans ce cas, il peut être logique d’envisager la combinaison du chauffage et de la ventilation au sein d’un système double flux flux. Il n’y a plus alors d’autres sources de chauffage.

Exemple.

Prenons un bureau au sein d’un immeuble. La largeur de façade du bureau est de 4 m , pour une hauteur de 3 m. La profondeur du local est de 5 m. Le bureau est entouré (au-dessus, en dessous et sur les côtés d’autres bureaux. La façade est composée de vitrages sur une hauteur de 2 m et de maçonnerie pour le mètre restant. La température intérieure de consigne est de 20°C.

Le débit d’air neuf recommandé est de 2,9 m³/h.m², soit pour ce bureau de 60 m³, 58 m³/h ou un renouvellement d’air de 1 vol/h.

En imaginant que la température de l’air pulsé soit au maximum de 35°C, la puissance calorifique maximum transportée par l’air de ventilation est de :

0,34 [W/(m³/h).K] x 58 [m³/h] x (35 [°C] – 20 [°C]) = 296 [W]

Puissance et débit nécessaire pour assurer le chauffage par – 9°C extérieurs
Type de façade	Puissance de chauffage	Débit d’air nécessaire (température de pulsion = 35°C)
Mur non isolé, simple vitrage	1 682 [W]	330 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage	673 [W]	132 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage HR	394 [W]	77 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage HR et 10 W/m² d’éclairage	194 [W]	38 [m³/h]

On voit que pour un bâtiment non isolé, il faut multiplier le débit d’air hygiénique par 5 si on veut combiner chauffage et ventilation. Cette majoration n’est plus nécessaire pour des bâtiments bien isolés avec un minimum d’apport de chaleur interne (éclairage, bureautique, ….).

Attention, si, pour assurer une puissance de chauffage suffisante, une majoration du taux de brassage d’air est nécessaire, elle doit se faire par recyclage d’une partie de l’air extrait. Le risque est de majorer le débit d’air neuf. C’est à proscrire car cela entraîne une augmente de la consommation non négligeable dans un bâtiment bien isolé.

Pour optimaliser la relance matinale du système de chauffage aéraulique, il faut prévoir la possibilité de travailler en tout air recyclé, l’apport d’air n’étant enclenché qu’à l’arrivée des occupants.

Dimensionnement des corps de chauffe

Actuellement les chaudières les plus performantes sur le marché sont les chaudières gaz à condensation.

La quantité de fumée condensée et donc, le rendement de celles-ci augmente lorsque la température de l’eau de l’installation diminue. Pour assurer une température d’eau minimale durant l’ensemble de la saison de chauffe, on a donc tout intérêt à dimensionner les radiateurs à un régime de température de 80/60 au lieu du 90/70 traditionnel, malgré une augmentation de la surface des radiateurs d’environ 26 % et un surcoût (sur le matériel) du même ordre.

Rappelons également que le chauffage par rayonnement à basse température est plus confortable.

Exemple.

Le coût global d’une installation de chauffage de 400 kW dans un nouveau bâtiment est de l’ordre de 120 000 .. 180 000 €.

Ce coût peut être comparé au surcoût de choisir des radiateurs dimensionnés en régime 70°/50° : environ 6 000 €.

> Quel est le gain réalisable sur le rendement de la chaudière à condensation ?

Lorsque les radiateurs sont dimensionnés en régime 90/70 (sans surdimensionnement), la température moyenne de retour des radiateurs sur l’ensemble de la saison de chauffe est de l’ordre de 43°C (avec une régulation en température glissante). Avec des radiateurs dimensionnés en régime 70/50, cette même température sera d’environ 33°C.

Pour une chaudière à condensation performante dans laquelle la température des fumées à la sortie est supérieure de 3°C à la température de retour de l’eau, le graphe suivant montre qu’en diminuant la température moyenne de l’eau de retour de 10°C, le rendement moyen de la chaudière à condensation augmente de 6 %.

Rendement utile d’une chaudière gaz en fonction de la température des fumées et de l’excès d’air (n = 1,3 équivaut à un excès d’air de 30 %). Pour un excès d’air de 20 %, une température de retour 43° C (équivalent à une température de fumée de 46°C) équivaut à un rendement utile de 97 %, une température de retour de 33°C (équivalent à une température de fumée de 36°C), à un rendement utile de 103 %.

Sur une consommation de l’ordre de 50 000 m³ de gaz, cela équivaut à une économie de l’ordre de 3 000 m³ de gaz par an ou environ 680 €/an.

Le même principe peut être appliqué aux autres utilisateurs comme les batteries à eau chaude dans les groupes de traitement d’air, les ventilos-convecteurs ou encore la production d’eau chaude sanitaire.

Ces équipements travaillent généralement à plus haute température. Il est conseillé de les surdimensionner pour diminuer leur température de fonctionnement, par exemple en leur appliquant un régime de fonctionnement 70°/40° (batteries à eau chaude, échangeurs à plaque fonctionnant avec une température d’entrée de 70° et une température de sortie de 40°). Cette pratique qui, pour les batteries, n’est pas encore rentrée dans les habitudes, conduit à un surinvestissement rapidement rentabilisé en exploitation.

Raccordement hydraulique des corps de chauffe.

Dimensionnement des corps de chauffe.

Emplacement des corps de chauffe et rendement d’émission

Lorsque l’on place un radiateur le long d’une paroi extérieure, une partie de la chaleur émise est directement perdue vers l’extérieur :

le dos du radiateur rayonne directement vers la façade,
la température de l’air au dos du radiateur est plus élevée,
de l’air chaud lèche généralement les vitrages (radiateur en allège) ce qui augmente leur perte.

Anciennement, les corps de chauffe étaient, quand même, placés le long des façades pour compenser le rayonnement froid des murs extérieurs non isolés et des simples vitrages.

Ce choix ne se justifie plus aujourd’hui puisque l’isolation des murs et la présence des doubles vitrages (vitrages haut rendement) ont entraîné une augmentation

Il devient dès lors judicieux de placer les corps de chauffe le long des murs intérieurs, supprimant ainsi entièrement les pertes. Le gain réalisable est de l’ordre de 1 à 2 % sur le rendement d’émission et donc sur la consommation globale.

Il faut absolument éviter est le placement (malheureusement encore rencontré dans des bâtiments neufs) de radiateurs devant des vitrages (vitrages descendant jusqu’au plancher).

Emplacement des corps de chauffe.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer les chaudières

Améliorer le réglage de la combustion

Le réglage correct du débit d’air comburant est une donnée essentielle pour optimaliser le rendement de combustion du brûleur. La pratique montre qu’un léger excès d’air est nécessaire pour atteindre le rendement maximum. Il faut donc trouver cet optimum en réglant le registre d’air tout en mesurant le rendement et en surveillant l’apparition d’imbrûlés.

Attention, le volume d’oxygène contenu dans l’air diminue en hiver. C’est pourquoi les responsables de chaufferie ont tendance à régler les brûleurs à air pulsé avec des excès d’air plus élevés, de manière à éviter la formation d’imbrûlés quelle que soit la saison, ce, au détriment des performances de la combustion.

C’est aussi, ce qui peut justifier que, pour les installations d’une certaine puissance, plusieurs réglages annuels soient effectués.

Réglage d’un brûleur avec analyse en direct des fumées.

Gérer

Pour en savoir plus sur l’intérêt de procéder à plusieurs réglages par an.

Améliorer l’évacuation des fumées

Réguler le tirage

Un tirage de la cheminée trop important (> 15 .. 20 Pa) a des incidences sur le rendement de combustion de la chaudière :

augmentation de la vitesse des fumées et augmentation de la température de celles-ci;
augmentation de l’excès d’air (notamment parasite) et diminution de la teneur en CO₂ des fumées.

Un tirage trop faible (< 10 PA) ou fluctuant sera source d’imbrûlés.

Pour remédier a ces problèmes, il faut bien souvent équiper la buse d’évacuation des fumées d’un régulateur de tirage ou, s’il est déjà présent, procéder à un nouveau réglage.

Régulateur de tirage.

Notons que la présence d’un régulateur de tirage limite également les problèmes de condensation dans la cheminée :

Les fumées sont diluées par de l’air frais. La teneur en vapeur d’eau du mélange diminue par rapport aux fumées pures. La température à partir de laquelle cette vapeur d’eau va se condenser va donc s’abaisser.

La température du mélange aspiré par la cheminée diminuant, l’échange de chaleur entre les parois de la cheminée et les fumées diminue et donc proportionnellement, les fumées se refroidissent moins.

Le débit total véhiculé par la cheminée augmentant, à échange vers les parois égal, la chute de température de mélange sera plus faible.

À l’arrêt de la chaudière, dans les grandes cheminées, le tirage sera tel que le régulateur de tirage conservera une certaine ouverture, créant un courant d’air permanent asséchant la cheminée.

Isoler la buse de raccordement à la cheminée

Isoler la buse de raccordement entre la chaudière et la cheminée ralentit le refroidissement des fumées et donc les risques de condensation des fumées dans la cheminée.

En soi l’isolation de la buse n’améliore pas le rendement mais indirectement lorsqu’un problème de condensation apparaît dans la cheminée, le réflexe du technicien est malheureusement parfois de bloquer en position ouverte, le clapet d’admission d’air du brûleur et, par conséquent, le rendement s’en ressent. Il vaudrait beaucoup mieux placer un régulateur de tirage et isoler la buse de raccordement.

Exemple :

Pour une surface de buse de 6 m², et une température de fumée à la sortie de la chaudière de 160°C, la température au niveau de la souche de cheminée sera de 120°C, soit une chute de température de 40°C.

Cette chute de température peut être réduite à 5°C si la buse de raccordement est isolée avec une épaisseur de 5 cm de laine minérale.

Modifier la régulation du brûleur

Il est fréquent de rencontrer des brûleurs performants (anciens ou récents) dont les avantages ne sont pas exploités réellement.

Les deux exemples les plus flagrants sont :

la non-fermeture à l’arrêt du volet d’air motorisé,
l’absence de régulation en cascade des brûleurs 2 allures.

Visualisation du positionnement du volet d’air motorisé d’un brûleur 2 allures :
on peut y constater la fermeture à l’arrêt et le passage de première en deuxième allure.

Faire corriger ces deux points par un technicien spécialisé permet d’importantes économies.

Fermeture du volet d’air motorisé à l’arrêt

La fermeture du volet d’air implique que l’alimentation électrique de son servomoteur ne soit pas coupée à l’arrêt du brûleur. Il faut donc que le chauffagiste corrige le raccordement électrique de ce dernier pour qu’il corresponde aux prescriptions du fabricant.

Bornier de raccordement électrique d’un brûleur et servomoteur permettant la fermeture du clapet d’air à l’arrêt. Sur les brûleurs domestiques (moins de 40 kW), celui-ci n’est qu’en option.

Le gain qui en résulte peut être important si on estime que l’on supprime les pertes par balayage, grâce à cette amélioration.

Évaluer

Évaluer les pertes par balayage.

Notons que certains installateurs préfèrent forcer l’ouverture permanente du clapet d’air pour maintenir un balayage dans la cheminée et éviter les problèmes de condensation.

Ce raisonnement est à proscrire parce qu’il engendre, comme on l’a vu, des pertes importantes pour la chaudière. Si des problèmes de condensation se présentent, c’est au niveau de la cheminée qu’il faut agir, en revoyant son dimensionnement ou en ouvrant la trappe de ramonage ou le régulateur de tirage.

Concevoir

Concevoir une cheminée.

Régulation des brûleurs en cascade

Par facilité et économie d’investissement, certains brûleurs 2 allures sont raccordés sans réelle régulation en cascade.

Pour être régulé en cascade, un brûleur 2 allures a en général besoin soit de 2 aquastats (sur le départ ou sur le retour), chacun de ceux-ci commandant une allure, soit de relais temporisés, soit d’un régulateur de cascade (module de gestion de cascade travaillant au départ d’une sonde de départ).

Armoire de gestion de cascade précâblée incluant les relais temporisés.

Si le brûleur n’est commandé que par un aquastat et que la commande de la première allure est « pontée » (comme disent les fabricants de brûleurs), celui-ci se comportera comme un brûleur démarrant en petite allure et enclenchant d’office la grande allure rapidement. Le brûleur fonctionne donc la plupart du temps à pleine puissance et on perd l’intérêt de disposer d’un matériel capable d’adapter sa puissance aux besoins, à savoir l’augmentation du temps de fonctionnement du brûleur, la diminution des pertes à l’arrêt et l’augmentation du rendement de combustion).

Concevoir

Intérêt d’un brûleur 2 allures ou modulant

Pour exploiter correctement un brûleur deux allures et réduire ainsi les pertes et émissions polluantes, il faut compléter la régulation existante par des relais temporisés ou un module de gestion de cascade. Celui-ci permet de gérer en fonction des besoins de puissance, le fonctionnement en cascade de plusieurs chaudières équipées de brûleurs à deux allures.

Attention, les fabricants de chaudières recommandent souvent la puissance minimale en dessous de laquelle la première allure du brûleur ne peut pas descendre sous peine de voir apparaître des condensations dans la chaudière. Cette puissance est généralement de l’ordre de 60 % (voire 80 %) de la puissance nominale de la chaudière. La puissance développée par le brûleur en première allure doit donc absolument être vérifiée, comparée aux exigences du fabricant et augmentée si nécessaire.

Études de cas

Audit d’une installation de chauffage.

Améliorer la régulation en cascade des chaudières

Réguler en cascade des chaudières fonctionnant en parallèle

Réguler des chaudières en cascade a deux intérêts :

Limiter les pertes à l’arrêt des chaudières dont la puissance n’est pas nécessaire pour couvrir les besoins. Autrement dit, isoler hydrauliquement les chaudières mises à l’arrêt, évite le maintien en température de la chaudière.

Limiter la puissance mise en œuvre pour augmenter le temps de fonctionnement des brûleurs et limiter les pertes et les émissions polluantes au démarrage et à l’arrêt du brûleur (comme pour la régulation en cascade des brûleurs 2 allures).

Exemple :

Ces deux chaudières de 350 kW sont équipées d’un brûleur 2 allures mais qui en réalité travaille toujours à pleine puissance.

Les deux chaudières fonctionnent en parallèle et sont maintenues en température durant toute la saison de chauffe (5 800 h/an).

Leur surdimensionnement par rapport aux besoins maximaux est de l’ordre de 20 %. Le rendement utile des chaudières est estimé à 90,3 % (rendement de combustion mesuré : 91 %).

Les brûleurs sont équipés d’un volet d’air motorisé mais qui est maintenu en permanence ouvert. Le coefficient de perte à l’arrêt qui en résulte est estimé à 2 % (0,5 % pour les pertes vers l’ambiance et 1,5 % de pertes par balayage).

Le rendement saisonnier de l’installation est estimé à 85,5 % et la consommation annuelle est de 123 800 litres de fuel par an.

Examinons le gain possible en améliorant la régulation en cascade de brûleurs et des chaudières.

Pour effectuer le calcul dans votre propre situation et évaluer le potentiel d’amélioration,

Calculs	sur base du climat moyen de Uccle, !
Calculs	sur base du climat moyen de St Hubert, !

La première action à envisager est de supprimer le balayage d’air dans la chaudière à l’arrêt en modifiant le raccordement électrique des brûleurs. Le coefficient de perte à l’arrêt passe ainsi de 2 % à 0,5 %.

Le rendement saisonnier atteindrait alors la valeur de 89 %, soit un gain de :

123 800 [litres/an] x (1 – 85,5 [%] / 89 [%]) = 4 868 [litres/an]

À partir de ce moment, les autres actions ont moins d’intérêt.

Si on régule en cascade les 2 allures des brûleurs, le rendement monte à 91,3 %, soit un gain complémentaire de :

(123 800 [litres/an] – 4 868 [litres/an]) x (1 – 89 [%] / 91,3 [%]) = 2 996 [litres/an]

Grâce à la diminution des temps d’attente des chaudières et l’amélioration du rendement de combustion en petite allure (on estime que le rendement de combustion augmente de 2 % en 1ère allure). On ne tient pas compte ici de la diminution de l’encrassement de la chaudière parallèle à la diminution du nombre de démarrages, gain non chiffrable.

Enfin, si on régule l’ensemble de l’installation en cascade avec isolation hydraulique de la chaudière à l’arrêt, le rendement saisonnier serait de 91,8 %, soit un gain complémentaire de :

(123 800 [litres/an] – 4 868 [litres/an] – 2 996 [litres/an]) x (1 – 91,3 [%] / 91,8 [%]) = 631 [litres/an]

grâce à la suppression des pertes à l’arrêt de la chaudière non nécessaire.

Gain total : 4 868 [litres/an] + 2 996 [litres/an] + 631 [litres/an] = 8 495 [litres/an] ou 1 797 [€/an] à 0,2116 [€/litre]

Si la technologie des anciens brûleurs est telle qu’il n’est pas possible de supprimer les pertes par balayage, sans changer de brûleur, le gain réalisé régulant en cascade les allures des brûleurs et en réalisant une véritable cascade de chaudières serait différent.

On passerait d’un rendement de 85,5 % à un rendement de 88,5 % en modifiant la régulation des brûleurs, puis à un rendement de 90,4 % par une régulation complète de l’ensemble avec isolation hydraulique de la chaudière à l’arrêt.

Les gains successifs seraient de :

123 800 [litres/an] x (1 – 85,5 [%] / 88,5 [%]) = 4 196 [litres/an]

(123 800 [litres/an] – 4 196 [litres/an]) x (1 – 88,5 [%] / 90,4 [%]) = 2 514 [litres/an]

Gain total : 4 196 [litres/an] + 2 514 [litres/an] = 6 710 [litres/an] ou 1 420 [€/an] à 0,2116 [€/litre]

À titre de comparaison, le devis remis pour le module de gestion de cascade de cette installation était de 1 375 € HTVA.

Améliorer la régulation en cascade existante

La régulation en cascade des chaudières n’a un sens que si les chaudières mises à l’arrêt sont déconnectées du réseau hydraulique au moyen d’une vanne motorisée. Cette précaution n’est cependant pas suffisante pour éviter que toutes les chaudières ne restent à haute température toute l’année. Il faut, en plus, être attentif à ce que la cascade respecte deux principes minimaux :

Interdiction de fonctionnement d’une chaudière en fonction de la température extérieure. Cette fonction permet de ne pas appeler systématiquement toutes les chaudières au moment des remontées en température et d’éviter des démarrages de trop courte durée en mi-saison. Par exemple, si à chaque relance, toutes les chaudières sont mises en route, les chaudières devenues inutiles en journée mettront un temps certain à se refroidir.

Une temporisation suffisante à l’enclenchement des chaudières pour éviter les démarrages intempestifs et inutiles de toutes les chaudières, quelle que soit la saison.

Couper manuellement une chaudière inutile dans une installation surdimensionnée

Bien souvent, les anciennes installations sont fortement surdimensionnées. Pour s’en convaincre, il suffit d’écouter un bon nombre de responsables techniques qui précisent qu’une des chaudières de leur installation ne se met jamais en route. Dans ce cas, il peut être simple de couper carrément une des chaudières au moyen d’une vanne manuelle. Cette chaudière ne serait alors remise en route que par de grands froids exceptionnels.

Évaluer

Pour évaluer l’importance du surdimensionnement des chaudières.

Exemple :

Dans une installation de 2 chaudières de 500 KW, une des chaudières est inutile.

Les pertes à l’arrêt de cette chaudière sont estimées à 2 %. En mettant à l’arrêt la chaudière inutile au moyen dune vanne d’isolement manuelle, on peut gagner (avec un rendement utile de la chaudière de 86 %) :

2 [%] x 500 [kW] x 5 800 [heures/an] / 0,86 = 67 442 [kWh/an] ou 6 744 [litres de fuel ou m³ de gaz par an]

Précautions

Pour éviter la corrosion de la chaudière mise à l’arrêt, il est conseillé de la laisser « sous eau » et de prévoir une passivation de l’eau de l’installation après analyse. Une telle analyse, qui par ailleurs ne peut être que bénéfique pour l’ensemble de l’installation, peut par exemple, être réalisée par le CSTC.

La « déconnection hydraulique » d’une chaudière inutile va entraîner une diminution du débit d’eau dans le circuit primaire. Cela peut poser un problème de confort dans le cas d’un circuit primaire bouclé. Pour éviter ce problème, il faudra vérifier que la température de la ou des chaudières restées en fonctionnement soit suffisamment supérieure à la température demandée aux circuits secondaires (ce qui est généralement le cas avec des anciennes chaudières maintenues sur leur aquastat).

Attention, si une chaudière est mise longtemps à l’arrêt, il est possible que des oiseaux nichent ou simplement tombent dans la cheminée, bouchant cette dernière. Il faut y être attentif lors de la remise en route.

Il faudra respecter les prescriptions garantissant le bon fonctionnement de la régulation en cascade.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les problèmes hydrauliques susceptibles d’apparaître avec les circuits primaires bouclés.

Diminuer la puissance du brûleur

Lorsqu’une chaudière est manifestement surdimensionnée, il n’est pas utile de lui adjoindre un brûleur 2 allures. Autant diminuer, de façon permanente, la puissance en modifiant les caractéristiques du brûleur (à l’exception des brûleurs gaz atmosphériques) :

pour les chaudières fuel : en modifiant les caractéristiques du gicleur (débit du gicleur/ pression de pompe),
pour les chaudières gaz : en diminuant la pression de gaz.

Attention, les fabricants de chaudières recommandent souvent la puissance minimale en dessous de laquelle la puissance du brûleur ne peut pas descendre sous peine de voir apparaître des condensations dans la chaudière (lors des relances, lorsque la température de l’eau diminue, …). Cette puissance est généralement de l’ordre de 60 % (voire 80 % pour certaines chaudières) de la puissance nominale de la chaudière.

Cette contrainte montre la limitation de cette amélioration. En effet, si on diminue trop la puissance du brûleur, on risque de mettre en péril la chaudière (corrosion par l’acide, principalement avec le fuel).

Si la chaudière est manifestement surdimensionnée, mieux vaut rechercher une solution plus globale et envisager le remplacement de la chaudière.

Évaluer

Pour évaluer l’importance du surdimensionnement des chaudières.

Remplacer le brûleur

Certains anciens brûleurs pulsés (gaz ou fuel) ne permettent plus un réglage correct de la combustion et l’obtention d’un rendement de production suffisant. Cela est notamment dû au fait que l’usure mécanique des pièces qui ne permet plus un dosage correct entre l’air et le combustible.

Évaluer

Évaluer les paramètres de la combustion.

Il en résulte une production d’imbrûlés plus importante, un encrassement et donc une perte de rendement plus rapide. Cela peut aller jusqu’à l’arrêt du brûleur trop encrassé.

L’âge du brûleur est également source de pannes plus fréquentes des différents organes qui à elles seules justifient le remplacement.

Nouveau brûleur et vieille chaudière ?

Est-il judicieux de remplacer uniquement le brûleur dune chaudière obsolète ?

Non,	si la chaudière est manifestement au bout du rouleau et que son surdimensionnement est manifeste. Dans ce cas, il faut envisager le remplacement de l’ensemble.
Oui,	si on prend en considération le gain énergétique que l’on peut déjà réaliser par cette action et si on s’assure de pouvoir récupérer le nouveau brûleur en cas de remplacement futur de la chaudière.

Beaucoup de gestionnaires se posent la question de la durée de vie restante d’une ancienne chaudière. Il est impossible de donner une réponse précise à cette question. Cela dépend du mode de fonctionnement de la chaudière depuis son installation. Par exemple, la fonte « enregistre » les contraintes qu’elle a subies durant toute sa vie. Fragilisée, elle « lâchera » un jour. On ne peut dire quand, car on ne peut chiffrer ces contraintes.

Evidemment, des taches flagrantes de corrosion interne sont un signe de détérioration future.

C’est pourquoi, plus que de miser sur la « survie » ou la « mort future » dune chaudière, il faut programmer son remplacement par souci d’économie d’énergie ou dans le cadre du programme d’investissement lié à la maintenance du bâtiment.

Améliorer

Remplacer la chaudière.

Le gain

Gain sur le rendement de combustion

Les nouveaux brûleurs assurent une meilleure combustion que les anciens, notamment avec une production moindre de NOx. Cependant, si la chaudière ne change pas, la qualité de l’échange entre les fumées et l’eau reste identique.

De plus, chaque chaudière est développée pour un nombre limité de brûleurs, de manière à optimaliser l’échange de chaleur. En plaçant un nouveau brûleur sur une vieille chaudière, on peut, dès lors, conserver des températures de fumée assez élevées.

On n’obtient donc pas une amélioration du rendement de combustion aussi importante que si on remplaçait l’ensemble de l’installation.

En première approximation, on peut miser sur une augmentation du rendement de combustion de 1 .. 2 points.

Par exemple, pour une chaudière ayant un rendement de combustion de 88 %, on peut espérer que le remplacement du brûleur permette d’atteindre un rendement de 90 %.

Gain sur les pertes par balayage

Le gain réalisé en plaçant un nouveau brûleur se situe également au niveau de la suppression de pertes par balayage de la chaudière.

En effet, les nouveaux brûleurs possèdent la plupart du temps un clapet d’air qui se referme lorsque le brûleur est mis à l’arrêt. Ce clapet a pour effet de supprimer le courant d’air qui parcourt la chaudière lorsque le brûleur est arrêté.

Les pertes par balayage que ce courant d’air engendre sont souvent de l’ordre de 1 .. 1,5 % de la puissance installée.

Comme on l’a vu ci-dessus, il faut cependant faire attention, si le nouveau brûleur est équipé d’un clapet d’air motorisé (la présence d’un servomoteur pour manœuvrer le clapet d’air est indiquée dans la documentation technique du brûleur). En effet, il arrive (souvent) que le mode de régulation appliqué à la chaudière ne permette pas au clapet de se refermer à l’arrêt du brûleur.

Exemple.

Beaucoup d’anciennes chaudières sont maintenues en température par un aquastat. Lorsque la température de consigne est atteinte, le brûleur est mis à l’arrêt par coupure de son alimentation électrique. Or si cette dernière est totalement coupée, le servomoteur du clapet d’air est inopérant et le clapet ne peut se refermer.

Pour éviter cela, il faut être attentif au mode de

raccordement du nouveau brûleur.

Exemple.

Considérons une chaudière de 350 kW de 1981, équipée d’un ancien brûleur sans fermeture à l’arrêt du clapet d’air. La consommation annuelle de cette installation est de 60 000 litres de fuel par an.

Les pertes à l’arrêt de cette chaudière sont estimées à 0,5 % de pertes vers l’ambiance et à 1,5 % de pertes par balayage.

Le rendement de combustion mesuré est de 87 %.

En plaçant un nouveau brûleur, on peut espérer une augmentation du rendement de combustion à 89 % et on supprime les pertes par balayage.

Le rendement saisonnier de production calculé passerait alors de 82,1 % à 87,7 % (si la chaudière ne produit pas d’eau chaude sanitaire en été).

Le gain énergétique s’élève donc à :

60 000 [litres de fuel] x (1 – 82,1 [%] / 87,7 [%]) = 3 831 [litres fuel/an] ou 1 245 [€/an] (à 0,325 €/litre)

pour un coût de : 3 625 € (HTVA).

Pour effectuer le calcul dans votre propre situation et évaluer le potentiel d’amélioration,

Calculs

sur base du climat moyen de Uccle,

cliquez ici !

Calculs

sur base du climat moyen de St Hubert,

cliquez ici !

Colmater et réisoler la chaudière

Voilà le type d’action que l’on peut mener en attendant de préparer le projet de remplacement d’une très ancienne et peu performante chaudière.

Colmater les entrées d’air

Les entrées d’air parasite (entre les éléments d’une chaudière en fonte, au niveau de la porte foyer, ou encore par le regard des anciennes chaudières au charbon converties) sont synonymes :

De pertes de rendement de combustion par augmentation parasite de l’excès d’air. Les inétanchéités peuvent être telles que, quel que soit le réglage du brûleur, il est impossible d’atteindre un pourcentage de CO₂ suffisant dans les fumées et donc un bon rendement de combustion.

De pertes par balayage parasite du foyer lorsque le brûleur est à l’arrêt.

Pour remédier à cela, il suffit de colmater les trous au moyen d’un mastic réfractaire, opération qui peut facilement se faire par du personnel interne à l’établissement.

Réisoler la jaquette

Dans beaucoup d’anciennes chaudières, il est possible de démonter l’enveloppe extérieure (la jaquette) et d’insérer sous celle-ci un nouvel isolant ou un isolant complémentaire en laine minérale.

Exemple.

Placement de nouveaux panneaux isolants sous la jaquette dune ancienne chaudière.

en passant d’une épaisseur d’isolant de 3 cm (en bon état !) à une épaisseur d’isolant de 5 cm, on diminue de 40 % la perte de chaleur par les parois de la chaudière. Le gain est de 90 % pour les zones de la paroi où l’isolant a disparu.

Soit un gain d’environ 13 litres de fuel par an et par m² de paroi pour une chaudière maintenue à 70°C durant la saison de chauffe pour un coût des matériaux de l’ordre de 5 €/m² (le gain est de 200 litres/m² de paroi, par an pour les parties non isolées au départ).

Diminuer la température de fonctionnement des chaudières

Diminuer la température de fonctionnement des chaudières maintenues en permanence en température élevée permet de réduire leurs pertes à l’arrêt.

Ainsi, en fonction de la saison, ou en permanence si les chaudières sont surdimensionnées, on peut modifier manuellement la température de consigne de l’aquastat de chaudière.

On peut aussi imaginer que la chaudière soit régulée totalement en température glissante en fonction de la température extérieure.

Gain

Les pertes à l’arrêt dépendent de la différence de température entre la chaudière et la chaufferie.

Exemple.

considérons une chaudière de 350 kW de 1981, équipée d’un ancien brûleur sans fermeture à l’arrêt du clapet d’air. La consommation annuelle de cette installation est de 60 000 litres de fuel par an.

Les pertes à l’arrêt de cette chaudière sont estimées à 0,5 % de pertes vers l’ambiance et à 1,5 % de pertes par balayage, la chaudière fonctionnant en permanence à une température moyenne de 80°C.

En diminuant la température de la chaudière de 10°C en moyenne sur la saison de chauffe, on diminue les pertes à l’arrêt dans le rapport (pour une température de chaufferie de 20°C) :

[(70 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C])]^1,25= 0,8

Le gain s’élève à :

(1 – 0,8) x 0,02 x 350 [kW] x 4 000 [h/an] = 5 600 [kWh]/an ou 560 [litres/an]

où 4 000 [h/an] = le temps d’arrêt de la chaudière durant la saison de chauffe pour une chaudière non surdimensionnée.

Si la chaudière était totalement régulée en température glissante la température moyenne sur la saison de chauffe serait de l’ordre de 43°C. Dans ce cas les pertes seraient réduites d’un facteur :

[(43 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C])]^1,25= 0,3

Le gain s’élèverait à :

(1 – 0,3) x 0,02 x 350 [kW] x 4 000 [h/an] = 19 600 [kWh]/an ou 1 960 [litres/an]

Un deuxième gain se situe au niveau des pertes du collecteur primaire, maintenu à la température des chaudières.

Exemple.

Une chaudière alimente un collecteur primaire DN 50 de 20 m (aller-retour), isolé par 4 cm de laine minérale.

Actuellement, le collecteur est maintenu à une température moyenne (aller-retour) de 70°C.

Si le collecteur est alimenté en température glissante sans limite basse, la température moyenne du collecteur durant la saison de chauffe sera d’environ 43°C.

Pour chacun des deux cas, la perte de distribution en chaufferie (température ambiante de 15°C) s’élève à :

Cas de la température fixe : 0,271 [W/m.°C] x 20 [m] x (70 [°C] – 15 [°C]) x 5 800 [heures/an] = 1 729 [kWh/an] ou 173 [litres fuel/an] ou 173 [m³ gaz/an]

Cas de la température glissante : 0,271 [W/m.°C] x 20 [m] x (43 [°C] – 15 [°C]) x 5 800 [heures/an] = 880 [kWh/an] ou 88 [litres fuel/an] ou 88 [m³ gaz/an]

Évaluer

Pour évaluer les pertes du réseau de distribution.

Précautions

Problèmes hydrauliques

Attention, dans certains types de circuits primaires (boucles fermées, bouteilles casse-pression), la régulation en température glissante de la chaudière peut conduire à des problèmes d’inconfort dans certains circuits. Avant de se lancer dans l’investissement d’un régulateur climatique, un essai manuel peut être effectué pour évaluer le risque encouru.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les problèmes d’inconfort liés à l’hydraulique et à la régulation en température glissante des chaudières.

Condensations internes

Toutes les chaudières (nouvelles ou anciennes) ne peuvent travailler avec une basse température d’eau. Certaines risquent de se détériorer du fait des condensations internes de fumées qui peuvent apparaître. Ce problème est encore plus présent pour les chaudières fonctionnant au fuel puisque dans ce cas les condensats sont plus acides.

Les anciennes chaudières en fonte ne posent pour cela, aucun problème étant donné :

Le mauvais échange de chaleur au niveau du foyer, qui empêche à la température des fumées de descendre trop bas.
L’épaisseur de la fonte qui ne risque guère de percer en cas de corrosion.

Ce n’est pas le cas pour les anciennes chaudières en acier qui, elles, sont sensibles à la corrosion.

Anciennes chaudières en fonte.

Il est évident que les chaudières modernes très basse température s’accommodent très bien de ce type de régulation.

Il faut également faire attention dans le cas des anciennes chaudières avec des rampes gaz (brûleurs gaz atmosphériques) sur lesquelles de l’eau de condensation des fumées risque de couler, causant de la corrosion et une production importante de suie.

Si un doute subsiste sur les capacités de la chaudière à résister à ce mode de fonctionnement, le plus simple est d’interroger le fabricant de la chaudière ou son fournisseur : « est-ce que la chaudière dont je dispose peut être régulée en température glissante, sachant que cela impliquera par moment un fonctionnement à très basse température ».

Le maintien en température élevée des anciennes chaudières est également parfois inévitable en présence dune production d’eau chaude sanitaire combinée à la chaudière.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Dimensionner une chaudière et ses auxiliaires

Dimensionnement des chaudières à condensation

Le principe

La puissance de la production de chaleur est déterminée en fonction des besoins de chaleur du bâtiment. Sur base du besoin de chaleur, l’objectif du dimensionnement de la ou des chaudières est de lui/leur permettre de travailler à charge partielle un maximum de temps pendant la période de chauffe. En effet, le fonctionnement à charge partielle permet aux chaudières à gaz ou au fuel de produire de la chaleur avec un meilleur rendement de combustion.

Concevoir

Pour plus de renseignements sur le dimensionnement des installations de chauffage.

Quelle puissance pour les chaudières ?

Avec les chaudières modernes dont le coefficient de perte à l’arrêt est extrêmement réduit (… 0,2 % … de la puissance chaudière), en adaptant la puissance du brûleur aux besoins réels, le rendement s’améliore. En effet, dans ce cas, la surface d’échange de la chaudière augmentant par rapport à la puissance de la flamme, la température de fumée à la sortie de la chaudière sera plus basse et le rendement de combustion plus élevé. Cette augmentation de rendement sera plus élevée que la légère augmentation des pertes à l’arrêt. Il faut cependant faire attention à ne pas abaisser exagérément la puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière sous peine de voir apparaître des condensations dans celle-ci. Il faut rester dans les limites préconisées par chaque constructeur. Il faut également tenir compte du surinvestissement éventuel pour la chaudière. La PEB demande de préciser quel est le rendement à un taux de charge de 30 % ; c’est la valeur à laquelle l’ensemble brûleur/chaudière donne en général son meilleur rendement. De ce point de vue, le choix d’une puissance de chaudière plus élevée que la puissance de dimensionnement ne permettra pas à celle-ci de travailler à charge partielle pendant un maximum de temps.

En effet, comme le montre le schéma ci-dessous, le rendement de combustion s’améliore à charge partielle. Les brûleurs gaz à pré-mélange avec contrôle de la combustion permettent d’améliorer le rendement de 4 à 5 % entre la charge nominale (100 %) et la limite basse de charge partielle (10 %). La plupart des constructeurs ne vont pas plus bas que les 10 %. Pour beaucoup de modèles de chaudière à air pulsé, l’optimum de rendement se situe autour des 30-40 % de taux de charge.

Rendement de combustion.

La monotone de chaleur donne des renseignements sur le taux de charge de la chaudière auquel on doit s’attendre sur une saison de chauffe, et ce pendant un nombre d’heures déterminé.

Exemple

Le besoin de chaleur d’un bâtiment tertiaire est représenté par la monotone de chaleur suivante. On constate que :

La puissance maximale correspondant au dimensionnement est de 600 kW, soit 100 % de taux de charge ;

La période pendant laquelle une chaudière au gaz avec brûleur à pré mélange travaillera entre 10 et 30 %, est de 5 000 – 2 300 = 2 700 heures/an, soit de l’ordre de 2 700 / 5 500 = 49 %. Cette valeur de 49 %, au niveau énergétique est très intéressante. En d’autres termes, pendant la moitié de la saison de chauffe, la chaudière fonctionnera à son meilleur rendement ;

En surdimensionnant de 110 % la puissance de la même chaudière, la période pendant laquelle le même brûleur travaillerait entre 10 et 30 % serait de 4 900 – 1 800 = 3 100 heures/an, soit 56 % de la période de chauffe. Un léger surdimensionnement dans ce cas-ci est bénéfique d’un point de vue énergétique. Attention toutefois que le fait d’augmenter la puissance de l’ensemble chaudière/brûleur implique aussi que pour les faibles besoins de chaleur, le « pompage » (marche/arrêt intempestif) du brûleur sera plus important pour une production surdimensionnée.

Quelle combinaison de puissance ?

La norme NBN D30-001 (1991) propose la répartition de puissance suivante :

Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de chaudières	Puissance utile de la chaudière
Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de chaudières			Chaudière 1	Chaudière 2	Chaudière 3
< 200	1	1,1 x Q_tot	–	–
200 kW < .. < 600	2	0,6 x Q_tot	0,6 x Q_tot	–
> 600	3	0,33 x Q_tot	0,33 x Q_tot	0,5 x Q_tot
> 600	3	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot

Il ne faut sûrement pas aller au-delà du surdimensionnement proposé ici. En effet, ce dernier peut déjà être important si on considère que le calcul de « Q_tot » inclut déjà des marges de sécurité.

Dimensionnement des chaudières bois

Les chaudières au bois, pellets ou plaquettes, possèdent des spécificités par rapport aux chaudières gaz ou fioul si bien qu’elles sont dimensionnées différemment, du moins dans le domaine tertiaire. Voici les éléments qui vont modifier le raisonnement :

Plage de modulation de puissance plus restreinte : Les chaudières au bois fournissent leur meilleur rendement près de la puissance nominale, c’est-à-dire proche de la puissance maximale. Quand on réduit la puissance, le rendement diminue légèrement. Néanmoins, comme toute chaudière, la plage de modulation des chaudières au bois sont limitées. Cette plage est plus restreinte que pour le gaz ou certains brûleurs au mazout. En dessous d’un certain seuil de puissance, le rendement de la chaudière et la qualité de la combustion deviennent nettement dégradés. Pour les chaudières de puissances élevées, on peut donner un ordre de grandeur pour la puissance minimale qui est de 25-30 % de la puissance nominale. En dessous de cette valeur de puissance minimale instantanée, il n’est pas souhaitable de faire fonctionner la chaudière au bois.

Besoin de cycles longs de production : Les chaudières au bois ont besoin de fonctionner sur base de cycles de production longs pour atteindre les meilleurs rendements et une qualité de combustion efficace, ce qui limite l’émission de gaz et particules nocifs. Pour un besoin de puissance thermique faible du bâtiment, c’est-à-dire à température extérieure modérée, la puissance minimale de la chaudière ne peut descendre à ce niveau (à cause des limites de modulation citées ci-dessus). On pourrait imaginer de travailler avec une puissance à la chaudière qui appartient à sa plage de modulation (par exemple, à puissance minimale) et arrêter/redémarrer la production de la chaudière de manière régulière pour atteindre le niveau de demande du bâtiment. En d’autres termes, puisqu’on n’est pas arrivé à réduire suffisamment la puissance instantanée de la chaudière pour rencontrer le niveau de besoin du bâtiment, on diminue son temps de fonctionnement. Par définition, cela raccourcit la durée de cycles de production ce qui n’est pas compatible avec de bons rendements et une faible émission de gaz nocifs. Cette notion de « cyclage », c’est-à-dire d’arrêter et redémarrer la combustion pour les faibles besoins, est aussi rencontrée pour le chaudières gaz et mazout possédant un niveau de modulation de puissance relativement faible. Pour les techniques gaz et mazout, idéalement, il faut aussi éviter ces cyclages. Néanmoins, la longueur des cycles de production est moins critique pour ces vecteurs énergétiques que pour le bois-énergie.

Le coût des chaudières au bois : Les chaudières au bois sont intrinsèquement plus chères que leurs homologues au gaz ou au mazout. Il n’y a rien d’alarmant à voir dans ce constat. En effet, avec le bois-énergie, on peut bénéficier d’un coût du combustible inférieur aux autres vecteurs énergétiques classiques. Du coup, le surinvestissement pour la chaudière au bois peut-être amorti. Après ce délai, on peut même engendrer des gains. Par contre, il peut être intéressant de ne pas choisir une chaudière au bois trop puissante pour limiter le coût et de réaliser les appoints de puissance par une chaudière traditionnelle, ces appoints étant relativement peu fréquents.

Dimensionnement de la puissance maximale des besoins

Comme il a été expliqué dans la section précédente, on part de la puissance maximale demandée au système de chauffage. Celle-ci est estimée en sommant les pertes par transmission, ventilation, infiltration avec une température externe égale à la température de base. Ensuite, on complète éventuellement par une certaine marge de puissance afin d’assurer la relance (si on travaille en régime intermittent).

Dimensionnement de la chaudière bois : aspects techniques

Si on dimensionne la puissance nominale de la chaudière principale au bois sur la puissance maximale demandée au chauffage, elle ne pourra pas répondre à tous les appels de puissance du bâtiment. En effet, à température externe modérée, la modulation de la chaudière principale au bois ne pourra pas toujours descendre au niveau de puissance requis sans dégrader fortement son rendement voire la qualité de la combustion. Pour les faibles puissances, celles-ci devront être produites par une autre chaudière capable de travailler efficacement dans cette plage. Dans le diagramme ci-dessous, l’énergie produite par la chaudière principale au bois peut être comparée à l’énergie produite par l’appoint : il s’agit des aires sous la courbe.

Illustration sur la monotone de charge du taux de couverture d’une chaudière bois dimensionnée sur la puissance maximale.

Le fraction de la demande annuelle produite par la chaudière principale au bois s’appelle le taux de couverture. Pour optimiser la chaudière principale au bois, il faut maximiser ce taux de couverture. La manière de procéder consiste à ne pas dimensionner la puissance nominale de la chaudière sur la puissance maximale demandée au système de chauffage. Cela abaisse la puissance minimale qui peut être produite par la chaudière et on est donc à même de produire pour des températures extérieures plus modérées correspondant à des besoins relativement faibles. En fait, dans la monotone de charge, on sacrifie les pics de puissance qui n’ont lieu que pendant peu de temps pour intégrer les faibles puissances qui sont atteintes pendant une plus grande partie de l’année : le niveau de puissance que l’on retrouve pendant la majeure partie de la saison de chauffe s’appelle aussi charge de base. On peut se convaincre de l’intérêt de dimensionner à une puissance inférieure à la puissance maximale des déperditions avec la monotone de charge suivante où la production annuelle de la chaudière principale bois est supérieure au cas précédent (c’est-à-dire quand la chaudière a une puissance nominale égale à la puissance maximale de besoin de chauffage).

Illustration sur la monotone de charge du taux de couverture d’une chaudière bois dimensionnée à une puissance inférieure à la puissance maximale.

On peut réaliser le même raisonnement pour différents niveaux de puissance nominale de chaudière principale au bois. Typiquement, on obtient un taux de couverture optimal avec une puissance de chaudière principale bois inférieure à la puissance maximale de besoin de chauffage : une puissance nominale trop faible donne des taux de couverture trop faibles et, au-delà de l’optimum, une puissance nominale trop proche de la puissance maximale réduit le taux de couverture. En fait, cet optimum dépend de la forme de la monotone de charge et donc varie d’un bâtiment, d’une institution, à l’autre.

Exemple d’évolution du taux de couverture en fonction du rapport entre la puissance de la chaudière (PN) et la puissance maximale des déperditions (QT).

Il faudra réaliser un appoint de puissance pour couvrir les besoins de puissance du bâtiment supérieurs à la puissance nominale de la chaudière bois. Cela s’opère par une chaudière d’appoint. Si cette chaudière d’appoint travaille sur base d’un vecteur énergétique autre que le bois, on dira que l’on travaille en mode bivalent. Dans certains cas, la chaudière d’appoint pourrait elle-même fonctionner au bois-énergie. Dans ce cas, on dira plutôt que l’on travaille avec des chaudières en cascade si le conditionnement est le même pour les deux chaudières.

Dimensionnement de la chaudière bois : aspects économiques

Les chaudières bois sont caractérisées par des coûts d’achat supérieurs aux chaudières traditionnelles gaz ou mazout. Du coup, il peut être intéressant de ne pas dimensionner la chaudière bois sur la puissance maximale de chauffage comme les puissances élevées sont appelées très peu souvent. On calibre la chaudière bois sur la charge de base pour qu’elle fonctionne un maximum de temps et que le surinvestissement pour la chaudière bois puisse s’amortir plus rapidement. C’est une seconde raison qui justifie un fonctionnement en mode bivalent.

Dans le point précédent, nous avions annoncé que la chaudière d’appoint pouvait fonctionner au bois. Pourtant, sur base de considérations économiques, l’intérêt de placer une chaudière traditionnelle gaz ou mazout est plus évident étant donné qu’elle est amenée à fonctionner pour des courtes périodes de la saison de chauffe. Néanmoins, dans certains cas, une chaudière d’appoint fonctionnant au bois-énergie semble pouvoir se justifier économiquement. Tout dépend de la consommation annuelle que devra assurer cette chaudière, du coût et de la disponibilité du combustible pour l’institution qui utilisera cette chaudière.

Sécurité d’approvisionnement de chaleur : chaudière de soutien

Dans les considérations précédentes, on pourrait penser que la chaudière d’appoint a une puissance relativement faible, c’est-à-dire juste le complément de puissance nécessaire pour assurer, avec la chaudière principale au bois, le besoin maximal de chauffage. En fait, dans certains cas, la puissance de la chaudière d’appoint est supérieure à la puissance de la chaudière bois. En effet, on veut, pour certaines applications, garantir l’alimentation en chaleur du bâtiment même si la chaudière bois ne peut plus fonctionner (pour cause de panne, entretien, manque de combustible dans le silo). Ce problème de sécurité d’approvisionnement se pose pour tous les vecteurs énergétiques (gaz et mazout compris). La chaudière d’appoint aura un rôle de soutien (« backup ») pour pouvoir maintenir la température du bâtiment à un niveau acceptable même si la chaudière principale au bois ne peut plus fonctionnement temporairement, niveau qui n’est pas nécessairement égal à la température de consigne : on peut dans certains cas juste maintenir la température à une valeur modérée inférieure à la consigne, le temps de remettre la chaudière principale au bois en fonctionnement.

À titre d’exemple, on peut citer le cas de la chaufferie de Libin qui alimente un réseau de chauffage urbain. La chaudière principale est une chaudière à plaquettes de 550kW qui est dimensionnée pour répondre à 95% du besoin annuel de chaleur. Par conséquent, la chaudière d’appoint ne doit répondre qu’à 5% du besoin annuel. Néanmoins, cette chaudière travaillant au mazout présente une puissance nominale de 600kW afin de pouvoir servir de soutien en cas de panne de la chaudière principale.

Nombre de chaudières

Dans les considérations précédentes, nous avons essentiellement analysé le cas d’une seule chaudière bois principale qui assure la majeure partie de la production annuelle de chaleur. Le besoin d’une chaudière d’appoint a été longuement discuté. Si la puissance demandée est suffisamment importante, on peut aussi réaliser la production principale de chaleur sur base de plusieurs chaudières au bois-énergie. Cela permet, d’une part, de balayer une plage plus large de puissances sans devoir faire face au problème de « cyclage » et, d’autre part, de répondre à la question de la sécurité d’approvisionnement en cas de panne.

Exemples d’une installation composée de deux chaudières à pellets fonctionnant en cascade.

Dimensionnement des circuits de distribution

Le débit que doit véhiculer un circuit de distribution dépend de la puissance à fournir et du régime de dimensionnement des corps de chauffe.

Exemple

L’aile nord d’un bâtiment demande une puissance de chauffage (calcul des déperditions) de 50 kW à fournir par des radiateurs dimensionnés pour fonctionner en régime 90°/70°.

Le débit d’eau chaude nécessaire pour obtenir cette puissance de chauffage est égal à :

Débit = Puissance / (capacité thermique de l’eau x ΔT°)

= 50 [kW] / (1,16 [kWh/m³.K] x (90 – 70)[K])

= 2,16 [m³/h]

La section des conduites se déduit de la relation :

section = débit / vitesse

Plus les conduites de distribution sont étroites, pour assurer ce débit, plus la vitesse de l’eau est élevée, avec pour conséquences :

l’augmentation du bruit,
l’augmentation des pertes de charge et de la consommation électrique du circulateur,
la difficulté de réglage de l’installation.

En contre-partie, le coût des conduites est moindre.

Deux techniques sont possibles pour dimensionner le diamètre des conduites :

se fixer une vitesse maximale constante (par exemple 0,5 m/s) dans tout le réseau,
ou se fixer une perte de charge constante pour chaque tronçon (par exemple, 120 Pa/m).

La première méthode donne généralement d’importants diamètres (investissement élevé, mais consommation des circulateurs moindres). La deuxième méthode peut donner des vitesses de circulation élevées et des problèmes acoustiques.

Dans son rapport n°1 de 1992, CSTC conseille de combiner les deux méthodes :

pour les diamètres réduits (DN10-20), limiter la vitesse de l’eau à 0,4 m/s pour des raisons acoustiques,

augmenter cette vitesse à 0,8 .. 1,2 m/s dans les grands diamètres (> DN50) si les conduites parcourent des locaux inoccupés, pour des raisons économiques,

ne pas dépasser une perte de charge de 120 Pa/m pour les tronçons intermédiaires pour limiter les pertes de charge.

Ce n’est évidemment pas au responsable technique à dimensionner les conduites. Il peut cependant s’interroger sur les grandeurs de référence maximale utilisées par le bureau d’études lors de la conception. Par exemple, si on dimensionne les conduites pour une perte de charge linéaire de 50 Pa/m au lieu de 120 Pa/m, la puissance absorbée par le circulateur diminuera de 30 .. 40 %. Le prix des conduites augmentera de 4 .. 8 %.

Dimensionnement des circulateurs

Le dimensionnement correct des circulateurs est un poste important qui va conditionner non seulement la consommation électrique de l’installation, mais aussi son confort.

Malheureusement, on ne calcule pas toujours précisément l’installation parce que cela prend du temps et que cela coûte plus cher que de mettre un circulateur trop gros.

On peut se faire une idée du dimensionnement correct des circulateurs en comparant la puissance électrique de ces derniers à la puissance des chaudières. Attention cependant, cette méthode ne peut convenir que pour vérifier le dimensionnement. Elle ne peut en aucun cas servir au dimensionnement d’un nouveau circulateur qui doit se faire en calculant les pertes de charge du réseau.

Simulation du rapport entre puissance électrique du circulateur Pe en [W] et la puissance des chaudières Pth [kW] en fonction du volume du bâtiment, pour plusieurs circulateurs présents sur le marché. Hypothèses de calcul : régime de température avec DT = 20 °C (ex : 90°/70 °C), pertes de charge linéiques de 0,01 [mCE/m] et pertes de charge de la chaudière et des organes de régulation de 1 [mCE/m] (valeurs réalistes et représentatives de la pratique). (Source : Cyssau, Mortier et Palenzuela, revue CVC, novembre 2000).

pour le circulateur avec rendement moyen,
pour les circulateurs avec rendement élevé,
pour les circulateurs avec rendement faible. Le rapport PE/P_th ne dépasse 2 que pour des circulateurs ayant un rendement faible

Les Suisses (programme d’impulsion RAVEL) considèrent qu’une installation équipée de radiateurs normalement dimensionnée doit vérifier la relation :

puissance électrique d’un circulateur PE en [W] =
puissance thermique du réseau qu’il alimente P_th[kW]

En tout cas si :

puissance électrique d’un circulateur PE en [W] =
2 x puissance thermique du réseau qu’il alimente P_th[kW]

Il est fort probable que le circulateur choisi soit surdimensionné ou que son rendement soit mauvais.

La puissance thermique de chaque réseau a dû être calculée par le bureau d’études, car elle est nécessaire pour établir le débit d’eau à fournir. On peut également la vérifier par une méthode approximative, circuit par circuit. Par extrapolation, on peut également dire que les circulateurs sont globalement bien dimensionnés si :

puissance électrique de tous les circulateurs PE en [W] =
puissance thermique des chaudières P_th [kW]

Comme pour les circulateurs de moins de 1 kW, les constructeurs ne fournissent pas la puissance électrique absorbée des circulateurs pour chaque point de fonctionnement, on se basera pour établir la puissance électrique du circulateur choisi sur la relation :

puissance électrique du circulateur [W] =
90 % de la puissance lue sur la plaque signalétique [W]

Dimensionnement des corps de chauffe

Comme mentionné dans « Le choix des corps de chauffe« , dimensionner les corps de chauffe pour un régime de température de 70°/50° au lieu du 90°/70° traditionnel augmente les performances des chaudières à condensation. Cependant, le surcoût de ce surdimensionnement ne sera pas vite rentabilisé. Si ce temps de retour est considéré comme excessif, un bon compromis est alors de choisir le régime 80°/60°.

Exemple.

Le coût global d’une installation de chauffage de 400 kW dans un nouveau bâtiment de 4 000m² est de l’ordre de 120 000 … 180 000 €.

Ce coût peut être comparé au surcoût lié au choix de radiateurs dimensionnés en régime 70°/50°, soit un supplément de puissance installée de 69 % : environ …10 000… €.

> Quel est le gain réalisable sur le rendement de la chaudière à condensation ?

Lorsque les radiateurs sont dimensionnés en régime 90°/70° (sans surdimensionnement), la température moyenne de retour des radiateurs sur l’ensemble de la saison de chauffe est de l’ordre de 43 °C (avec une régulation en température glissante). Avec des radiateurs dimensionnés en régime 70°/50°, cette même température sera d’environ 33 °C.

Pour une chaudière à condensation performante dans laquelle la température des fumées à la sortie est supérieure de 3 °C à la température de retour de l’eau, le graphe suivant montre qu’en diminuant la température moyenne de l’eau de retour de 10 °C, le rendement moyen de la chaudière à condensation augmente de 6 %.

Rendement utile d’une chaudière gaz en fonction de la température des fumées et de l’excès d’air (n = 1,3 équivaut à un excès d’air de 30 %). Pour un excès d’air de 20 %, une température de retour 43° C (équivalent à une température de fumée de 46 °C) équivaut à un rendement utile de 97 %, une température de retour de 33 °C (équivalent à une température de fumée de 36 °C), à un rendement utile de 103 %.

Sur une consommation de l’ordre de 50 000 m³ de gaz, cela équivaut à une économie de l’ordre de 3 000 m³ de gaz par an.

> Que conclure ?

Le surcoût d’installation des radiateurs est donc non négligeable… D’autant que l’économie faite par la chaudière est déjà comptabilisée dans la justification de son propre surcoût…

En fait, de toute façon un surdimensionnement des radiateurs de 27 % (régime 80/60) est de rigueur (pour assurer la relance), donc la température moyenne de l’eau de retour est de 39 °C. Par ailleurs, les apports internes vont créer un surdimensionnement de facto de l’installation. Donc, même si tout abaissement de température est bénéfique pour le CO₂, il ne semble donc pas que ce soit sur ce poste qu’il faille mettre l’investissement prioritaire. Il sera beaucoup plus important de s’assurer que le circuit hydraulique provoque un réel retour d’eau froide vers la chaudière (pas de bypass de chaudière, ni de soupape différentielle, par exemple).

Ces équipements travaillent généralement à plus haute température. Il est conseillé de les surdimensionner pour diminuer leur température de fonctionnement, par exemple en leur appliquant un régime de fonctionnement du type 70°/40° ou 90°/45° (batteries à eau chaude, échangeurs à plaque fonctionnant avec une température de sortie de 40°.45°). Cette pratique qui, pour les batteries, n’est pas encore rentrée dans les habitudes, conduit à un surinvestissement rentabilisé par l’exploitation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chaudières traditionnelles [Chauffage]

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 ».

Chaudières gaz ou fuel à brûleur pulsé

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 NO_x. 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 NO_x.

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 (n_B/nT)de 0,3) avec des pertes à l’arrêt (q_E) de 0,2 % et un rendement utile (η_utile )de 93 %.

Le rendement saisonnier de cette chaudière est estimé à :

η_sais= η_utile/ (1 + q_Ex (NT/NB – 1))

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

Chaudières gaz atmosphériques

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 :

Corps de chauffe (en fonte)
Échangeur à ailettes profilées
Isolation
Bouclier thermique
Buse de fumée avec coupe-tirage intégré
Tableau de commande
Jaquette
Porte d’accès (pivotante)
Collecteur de départ
Collecteur de retour
Brûleur à prémélange (bas NOx)
Rampe gaz
Électrode d’allumage et sonde d’ionisation
Transfo d’allumage
Connecteurs électriques
Vanne gaz à 2 allures
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 NO_x. Les chaudières atmosphériques « bas de gamme » émettent généralement une quantité importante de NO_x, à telle point que certains modèles ne peuvent plus être vendus qu’en Wallonie (émission de NO_x> 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 NO_x« .

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.

Chaudières gaz à prémélange avec ventilateur

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 NO_x.

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.

Les technologies « très basse température »

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 :

meilleur est l’échange entre les fumées et l’eau, ce qui augmente le rendement de combustion,

moins les pertes à l’arrêt vers la chaufferie (et éventuellement vers la cheminée pour les chaudières gaz atmosphériques) sont importantes.

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.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité d’une pompe à chaleur

Par Kristoferb sur Wikipédia anglais, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10795550

Distinguer les différents coefficients de performance

Il existe 4 ratios pour évaluer la performance d’une pompe à chaleur, résumée ci-dessous. Globalement, elles partent toutes du même principe : établir le rapport entre ce qui a été fourni comme chaleur au bâtiment et ce qu’il a fallu injecter dans l’appareil.

1. La performance instantanée

L’indice de performance, « ε », est le rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur et l’énergie (souvent électrique) fournie au compresseur.

ε = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

2. La performance instantanée, auxiliaires compris

Le « COP », ou coefficient de performance, est le rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur et l’énergie fournie au compresseur additionnées des auxiliaires (dispositif antigel, commande/régulation et installations mécaniques (pompe, ventilateur)).

Reprenons l’exemple de PAC ci-dessus. Dans les conditions imposées par la norme EN 255, la puissance mise à disposition au condenseur ne sera peut-être pas de 3 kW mais de 3,2 kW pour une température de sortie du condenseur identique. De plus, la puissance absorbée par l’ensemble des équipements à prendre en compte ne sera peut-être pas de 1 kW mais de 1,1 kW. Le coefficient de performance vaudra alors 3,2 / 1,1 = 2,9.

3. La performance annuelle, auxiliaires compris

Le « COPA », ou coefficient de performance annuel est le rapport, mesuré sur site, entre la quantité totale d’énergie consommée et d’énergie utile fournie. C’est le coefficient de performance annuel qui donne vraiment idée du « rendement » et de l’efficacité de l’installation.

*Ces valeurs ne servent qu’à illustrer la définition du COPA. Il ne s’agit pas d’une quelconque moyenne d’installations existantes ou du résultat d’une étude de cas.

4. La performance annuelle théorique

Le Facteur de Performance Saisonnier (« SPF ») est le rapport de la quantité d’énergie fournie au bâtiment et apportée à la machine, en un an, calculée de façon théorique sur base du COP instantané à différentes températures.

Il s’agit donc bien d’une valeur théorique, mais prenant en compte les variations de température de la source froide et non pas d’une valeur mesurée en situation réelle comme le COPA. De plus, le SPF décrit une PAC tandis que le COPA décrit une installation complète.

Il est donc fondamental de bien analyser le type de performance indiqué par le fabricant ou l’installateur !!

Techniques

Pour plus de précisions sur les coefficients de performance d’une PAC.

Évaluer l’indice de performance à partir du catalogue

L’indice de performance peut être déduit du catalogue du fournisseur, à partir de mesures qu’il aura effectuées dans des conditions standards.

Exemple.

Voici les spécifications techniques d’un climatiseur réversible présent sur le marché. En hiver, ce climatiseur peut fournir de la chaleur au local : il fonctionne alors en mode « pompe à chaleur ».

Unité intérieure			FHYB35FJ
Unité extérieure			RY35D7
Puissance frigorifique		kcal/h	3 100
		Btu/h	12 300
		kW	3,60
Puissance calorifique		kcal/h	3 500
		Btu/h	14 000
		kW	4,10
Puissance absorbée	rafraîchissement	kW	1,51
Puissance absorbée	chauffage	kW	1,33

On y repère :

L’efficacité frigorifique, E.F. :

puissance frigorifique / puissance absorbée =
3,6 kW / 1,5 kW = 2,4

L’indice de performance au condenseur, e :

puissance calorifique (au condenseur) / puissance absorbée =
4,1 kW / 1,3 kW = 3,2

Attention ! Ce coefficient est obtenu dans des conditions très favorables ! En petits caractères, le fabricant précise qu’il s’agit de valeurs obtenues pour 7 °C à l’extérieur … Cette performance va s’écrouler en période plus froide.

En réalité, c’est le rendement moyen saisonnier qui nous intéresse… mais celui-ci n’est jamais donné puisqu’il dépend des conditions d’exploitation.

Logo Eurovent.

EUROVENT ?

Comment comparer les rendements de 2 machines frigorifiques si les valeurs annoncées ont été mesurées dans des conditions différentes (température intérieure et extérieure, niveau acoustique, …) ?

Certains gros fabricants du secteur ventilation et climatisation, irrités de la concurrence exercée par des producteurs peu scrupuleux de la qualité du matériel, ont décidé de définir des références communes de comparaison.

Le logo « EUROVENT » n’est pas un label de qualité en soi. Il certifie que le matériel a été testé dans des conditions standards admises par les différents membres de l’association.

Mesurer le COP in situ

Pour calculer les différents coefficients de performance, et particulièrement le COPA, les valeurs suivantes doivent être prises en compte :

La quantité de chaleur délivrée (énergie utile), au moyen, par exemple, d’un compteur de chaleur installée sur la boucle d’eau chaude.

La quantité d’énergie de haute valeur introduite dans le système, généralement au moyen d’un compteur spécifique sur le matériel électrique.

Si la PAC est réversible, on souhaitera peut-être connaître également le bilan frigorifique de l’équipement.

Pour mesurer des débits, on peut prévoir des by-pass équipés d’appareils de mesure simples, en évitant les coûteuses unités permanentes de mesures, de conversion et d’affichage. Pour les mesures de température, il faudra prévoir des doigts de gants (il s’agit d’une matière conductrice de la chaleur permettant de séparer l’appareil de mesure du fluide à mesurer).

Exemple de doigts de gants.

Un enregistrement manuel des valeurs est en général suffisant pour les installations de pompes à chaleur standards dans les maisons familiales (monovalent et bivalent) et les immeubles locatifs (monovalent, peu de groupes et circuits de raccordements courts). Un enregistrement automatique supplémentaire s’avère en général utile pour des installations non standards, spécialement lorsqu’elles sont bivalentes ou multivalentes et qu’elles possèdent plusieurs groupes et de longs circuits de raccordement.

La mise en valeur et l’interprétation des données doit être confiée au responsable du projet. Les informations ainsi acquises lui permettront d’éliminer certains défauts par des corrections ciblées.

Quels COP rencontrés en pratique ?

Nous manquons cruellement de résultats de mesure annuelle sur des installations tertiaires existantes. Une étude est en cours par la Faculté Polytechnique de Mons.

Concevoir

Pour accéder à leurs résultats provisoires de 5 mois de mesure.

Le facilitateur pompe à chaleur de la Région Wallonne, EF4, donne les ordres de grandeurs suivantes concernant les coefficients de performances annuels (COPA) des différentes catégories de PAC. Les valeurs de COP typiquement obtenues en laboratoire sont aussi indiquées si bien qu’on se rend bien compte que COP et COPA sont deux concepts distincts :

Type de PAC	COP (EN 14511)	Essais (°C)	COPA (EF4)
Air/Eau	3-4	A2/W35	2.5-3.5
Eau/Eau	5-6	W10/W35	3-4.5
Sol (eau glycolée)/Eau	4-5	B0/W35	3-4
Sol (fluide)/Eau		F5/W35	3-4
Sol (fluide)/Sol (fluide)		F5/F35	3-4
Production de l’ECS			2.5-3

Repérer un problème ?

Un contrôle régulier du fonctionnement de la pompe à chaleur est conseillé.

Des campagnes de mesures temporaires, effectuées pendant de brèves périodes, par exemple pour l’équilibrage hydraulique ou pour des mesures auxiliaires assurant l’optimalisation du fonctionnement peuvent être prévues.

Que peut-on mesurer ?

Le nombre d’ heures de fonctionnement et fréquence d’enclenchement pour chaque partie de l’installation, comme : compresseurs, pompes, ventilateurs et brûleurs.

Le signalement de pannes, par exemple : les pannes « Haute Pression » (se produisant dans la partie de la PAC où circule le fluide frigorigène sous forme de vapeur à haute pression et, par extension, les pannes survenant au niveau de la source chaude), les pannes « Basse Pression » (se produisant dans la partie de la PAC où circule le fluide frigorigène sous forme de liquide ou de vapeur à basse pression et par extension les pannes survenant au niveau de la source froide), les pannes de brûleur si installation bivalente.

La température extérieure.

Les températures importantes du système : départ, retour, pour l’évaporateur, le condenseur et l’accumulateur éventuel.

Les débits dans les points importants du système.

Pour les pompes à chaleur faites sur mesure pour des installations importantes, des défauts de construction peuvent apparaître. Dans ce cas, il faut être particulièrement attentif aux vibrations qui, à la longue, peuvent provoquer des ruptures de conduites.

Quel type de panne ?

Une détection précoce des pannes mineures permet souvent d’éviter des problèmes plus importants. Voici la liste des pannes les plus fréquentes rencontrées avec les pompes à chaleur :

Dérangements et causes

Identifiable rapidement ?

Panne basse pression

– manque de fluide frigorigène	Oui
– puissance de la source de chaleur trop faible	Oui
– manque de fluide caloporteur (eau glycolée)	Partiellement
– dégivrage défectueux	Non
– traitement incorrect de l’eau	Non

Panne haute pression

– encrassement du condenseur	Non
– traitement incorrect de l’eau	Non
– dégivrage incorrect	Non
– manque d’eau dans le système de chauffage	Oui

Surcharge du compresseur

– approvisionnement électrique insuffisant	Non
– raccordements électriques défectueux	Non
– défaut dans le circuit du fluide frigorigène	Non

Ventilateur

– raccordements électriques défectueux	Non
– dégivrage incorrect	Non

Pompes

– raccordements électriques défectueux	Non
– blocage mécanique	Oui

Source : Ravel.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Interpréter la fiche d’entretien d’une chaudière

L’attestation de contrôle d’un générateur de chaleur et ses paramètres

La fiche d’entretien est un document qui, selon l’Arrêté wallon du 29/01/2009, doit être établi par un technicien agréé, au terme de l’entretien obligatoire des chaudières. Un modèle type à utiliser est disponible sur le site de l’AWAC.

Cette fiche contient le relevé des différents paramètres que l’on mesure pour calculer le rendement de combustion de la chaudière.

Caractéristiques de l’alimentation en fuel

La fiche d’entretien reprend les caractéristiques du gicleur installé sur le brûleur : calibre en [gal/h] ou [kg/h] et son angle de pulvérisation, ainsi que la pression d’alimentation en combustible en [bar].

Le calibre et la pression permettent de calculer la puissance du brûleur par les formules :

où,

q_fuel= débit de fuel
q_gicleur= calibre du gicleur
p = pression de la pompe fuel

P_brûleur[kW] = q_fuel[litres/h] x 10 [kWh/litre]

On peut comparer cette puissance à la puissance utile de la chaudière et se rendre ainsi compte de la charge de la chaudière. Par exemple, une puissance de brûleur inférieure à la puissance de la chaudière permet d’augmenter le temps de fonctionnement du brûleur, ce qui est favorable à une bonne combustion (moins de cycles de démarrage/arrêt). Diminuer la puissance du gicleur par rapport à la puissance de la chaudière permet également d’augmenter le rendement de combustion (la surface d’échange par kW de flamme est plus grande et les fumées ressortent plus froides). Une limite existe cependant : si la puissance du brûleur est trop faible (moins de 50 .. 60 %), les fumées se refroidissent tellement que des condensations risquent d’apparaître dans la chaudière.

Remarque : si on se trouve en présence d’un brûleur 2 allures, chacun des essais correspondant à la mesure des paramètres de combustion pour chaque allure.

Exemple.

Sur une attestation d’entretien, on retrouve :

Puissance chaudière : 465 000 [kCal/h] (ou 539 kW)
Gicleur : 5 [gal/h]
Pression pompe : 19 [bar]

Le débit du brûleur est donc de :

La puissance du brûleur est de :

31,1 [l/h] x 10 [kWh/l] = 311 kW

La chaudière est donc chargée à :

311 [kW] / 539 [kW] = 58 [%]

Remarquons que la fiche d’entretien ne reprend pas une troisième caractéristique du gicleur : le type de pulvérisation. Si, après entretien, les performances de l’installation ont diminué, sans explication, par rapport à l’entretien précédent, il peut être bon de vérifier auprès du technicien d’entretien si le type du gicleur n’a pas été modifié.

Caractéristiques de la cheminée

La dépression dans la buse de cheminée est l’image du tirage de cette dernière, quand le brûleur est en fonctionnement.

Chaudières en dépression

Pour les chaudières fonctionnant en dépression (les chaudières dont on peut ouvrir le regard), il faut que la dépression soit comprise entre 10 et 15 Pa pour permettre une combustion et une évacuation des fumées correctes.

Si « Pression de la cheminée » < 10 PA, le tirage n’est pas suffisant. Il y a alors un risque de surpression dans le foyer, d’introduction de gaz de combustion dans la chaufferie et de production d’imbrûlés (suies, CO).

Si « Pression de la cheminée » > 15 PA .. 20 PA, le tirage est trop important. Les fumées sont aspirées trop rapidement par la cheminée et se refroidissent moins. Il est résultera une baisse de rendement. Cela peut également nuire au démarrage en provoquant un « décrochement » de la flamme et l’arrêt du brûleur. L’installation du régulateur de tirage ou son meilleur réglage (s’il existe) s’impose.

Régulateur de tirage.

Chaudières en surpression

Il est plus difficile de définir des règles de bon fonctionnement. Celles-ci dépendent du type de brûleur et de chaudière. Il faut, en tout cas, être en dépression au niveau de la buse de cheminée. Faute de quoi, des fumées risquent de s’introduire dans la chaufferie.

Améliorer

Améliorer le tirage de la cheminée.

Indice de noircissement des fumées

L’indice de noircissement des fumées « Indice fumée » ou indice de « Bacharach » est l’image de la production de suie du brûleur. Selon l’AGW du 29 janvier 2009, cet indice ne peut dépasser une valeur de 2.

L’indice de Bacharach est mesuré en aspirant les fumées au travers d’un papier filtre et en comparant à l’échelle de noircissement ci-dessus.

Cela est évidemment trop élevé. Il suffit pour s’en convaincre de voir la mesure la quantité de suie produite pour atteindre un tel indice.

L’objectif est un indice 0. Le label « OPTIMAZ » est obtenu pour un indice maximum de 1. 0 ..1 sont donc des valeurs acceptables. Une amélioration (meilleur réglage ou changement du brûleur) s’impose au-delà de 1.

La formation de suie et de CO (qui composent les d’imbrûlés) sont liés. Une teneur en CO des fumées mesurée de 75 ppm équivaut à un indice de Bacharach de 1.

La production de CO et de suie est le résultat d’un manque d’air comburant :

Réglage de l’excès d’air trop faible (s’accompagne alors d’un déficit de CO₂ dans les fumées).
Manque de ventilation de la chaufferie. Attention, cette ventilation peut être correcte au moment de la mesure et ne plus l’être au quotidien car on avait enlevé le capot du brûleur, car on avait laissé la porte de la chaufferie ouverte, car couramment un séchoir en fonctionnement crée une dépression, …
Mauvais choix du couple gicleur, pression de pompe.
Inadéquation entre la puissance du brûleur et la puissance de la chaudière. Ces deux derniers éléments perturbent le mélange intime entre le combustible et l’air comburant, au niveau de l’accroche-flamme et du foyer.
Tirage incorrect de la cheminée (trop grand, trop faible, inconstant) qui perturbe le développement de la flamme et qui risque de provoquer des retombées dangereuses de CO vers la chaufferie.

Remarquons que si on dispose d’un appareil permettant de mesurer la teneur en CO des fumées (analyseur de combustion électronique), on peut estimer l’émission de CO au démarrage du brûleur (introduire l’analyseur de combustion dans le conduit de fumée, avant d’enclencher le brûleur). Plus celle-ci est élevée (> 120 ppm), plus le brûleur produit de la suie à ce moment et plus vite la chaudière va s’encrasser.

Idéalement, cette mesure de CO devrait être complétée par une mesure manuelle de l’indice de Bacharach pour éviter toute erreur liée à l’interprétation de la mesure de CO de l’appareil électronique.

Teneur en CO₂ des fumées

La teneur en CO₂ des fumées est une image de la transformation complète du combustible. Plus la teneur en CO₂ des fumées est grande, meilleur est le rendement de combustion.

Ordre de grandeur

La teneur maximale en CO₂ que l’on peut atteindre dans les gaz de combustion est de 15,2 % pour le fuel (en fonction de la teneur en carbone du combustible) et de 11,9 % pour le gaz naturel. D’un point de vue pratique, il est impossible de régler le brûleur à ces valeurs sans produire d’imbrûlés (suie, CO).
La valeur cible est de

12,5 % pour les chaudières fuel de moins de 400 kW
13 % pour les chaudières fuel de plus de 400 kW (ces deux valeurs sont, en fait les exigences pour l’attribution du label « OPTIMAZ »)
10 % pour les chaudières gaz.

Une teneur de 14 % pour le fuel (pour les brûleurs à flamme bleue) ou 11 % pour le gaz n’est toutefois pas impensable.

Influence du réglage de la combustion et de l’excès d’air

Évolution du contenu des fumées avec l’excès d’air [%].

Une trop faible teneur en CO₂, entraînant un mauvais rendement de combustion, peut avoir deux origines :

Un excès d’air trop important qui dilue les gaz de combustion. C’est comme si on prenait simplement de l’air à 20°C, qu’on le chauffait à environ 160°C (ou plus) et qu’on le rejetait directement dehors. À titre d’exemple, un excès d’air de 50 % conduit à une perte calorifique d’environ 2 %.
Un excès d’air trop faible (c’est plus rare) et donc un manque d’oxygène pour assurer une combustion complète du combustible.

Il vaut donc toujours mieux contrôler aussi par mesure l’excès d’air de combustion. Une valeur de référence est un excès d’air de 17 .. 24 % (valeur qui dépend du tandem brûleur/chaudière). En dessous, il y aura production d’imbrûlés et de monoxyde de carbone (CO) et au dessus, le rendement de combustion diminue.

Réglage d’un brûleur avec analyse en direct des fumées.

Exemple.

en connaissant le % CO₂ repris sur la fiche d’entretien, il est possible de connaître l’excès d’air de la combustion :

Excès d’air (calculé) = % CO_{2 théorique max} / % CO_{2 mesuré}

Si le % CO₂ mesuré est de 10 % :

Excès d’air = 15,2 % / 10 % = 1,52 ou 52 % d’excès d’air

ce qui est excessif.

Si le % CO₂ mesuré est de 14,5 % :

Excès d’air = 15,2 % / 14,5 % = 1,05 ou 5 % d’excès d’air

ce qui est vraisemblablement trop peu pour éviter les imbrûlés.

Un excès d’air de 17 % équivaut à un % CO₂ de 13 % et un excès d’air de 20 % équivaut à un % CO₂ de 12,5 %.

En résumé

En résumé, on peut dire qu’il faut régler le brûleur pour atteindre le % CO₂ maximal tout en évitant :

La production de suie dans les chaudières fuel. L’objectif à atteindre est un indice de Bacharach compris entre 0 et 1,
La production de CO dans les chaudières gaz. L’objectif à atteindre est de moins de 75 ppm de CO maximum (une pointe de 120 ppm maximum au démarrage est admissible). En Allemagne, une valeur de 30 ppm maximum est imposée.

Notons qu’un réglage trop élevé de la teneur en CO₂ peut causer des problèmes. Lors de basse température (hiver), la teneur en oxygène dans l’air est plus importante qu’à température élevée (été). Lorsque la température de l’air ambiant, aspiré par le brûleur augmente, la quantité d’oxygène, pour assurer une combustion correcte, diminue inévitablement. Ceci peut entraîner la formation de suie qui se déposera sur les parois du foyer. Par conséquent :

L’échange diminuera dans la chaudière et la température des fumées augmentera.
la résistance du foyer augmentera et la quantité d’air de combustion aspirée va diminuer. La production de suie s’accentuera avec comme suite la panne du brûleur.

Dans les anciennes chaudières, la présence d’inétanchéités au niveau du foyer (fentes, portes non étanches, …) peut rendre difficile la réduction de l’excès d’air dans les fumées sans conduire à la production d’imbrûlés. Il est donc impératif de supprimer au maximum les entrées d’air parasites pour garantir un rendement correct.

Chaudières très anciennes présentant d’importants défauts d’étanchéité au niveau des portes : une carrosserie de chaudière rouille très rapidement si elle est contact avec des fumées. Cette rouille est donc un signe d’inétanchéité de la chaudière.

Améliorer

Améliorer le réglage du brûleur ou même remplacer le brûleur.

Température des fumées

Moins l’échange de chaleur entre la flamme et l’eau est bon, plus la température des fumées à la sortie de la chaudière (« T°gaz ») est élevée, et plus grandes sont les pertes.

Ordre de grandeur

Les chaudières modernes performantes peuvent fonctionner avec une température de fumée de l’ordre de 120°C, encore moins pour les chaudières à condensation.

Une température de fumée de l’ordre de 160°C (pour le gaz) à 180°C (pour le fuel) peut être considérée comme performante pour une chaudière ancienne.

À titre de comparaison, il n’est pas rare de mesurer, sur d’anciennes chaudières, des températures de fumée de plus de 300°C. Il en résulte une perte et une consommation supérieure d’une dizaine de pour cent par rapport aux chaudières modernes performantes.

Une augmentation de 15°C de la température des fumées entraîne une surconsommation de l’ordre de 1 .. 1,5 %.

Diagnostic

Une température de fumée élevée peut être le résultat

d’une mauvaise conception du corps de la chaudière (ancienne chaudière),
d’une puissance de brûleur trop importante par rapport à la chaudière,
d’un passage trop rapide des fumées dans la chaudière. Cela peut s’expliquer par un tirage trop important de la cheminée,
d’un mauvais échange dû à la présence de suie dans la chaudière (1 mm de suie sur la surface de l’échangeur équivaut à une perte de rendement de combustion de 4 à 8 %),
d’un brûleur inadapté à la chaudière (puissance trop importante, mauvaise forme de flamme).

Notons que les fabricants de chaudières indiquent dans leur documentation, la température nominale des fumées (à pleine charge et à charge partielle) à laquelle doit théoriquement fonctionner leur matériel.

Extrait de fiche technique d’une chaudière.

On peut considérer qu’un dépassement de plus de 15 % de la valeur constructeur constitue une anormalité. De même, une température de fumée supérieure de 15°C à la valeur mesurée lors du dernier entretien indique souvent un encrassement excessif de la chaudière.

Améliorer	Placer un régulateur de tirage, diminuer la puissance du brûleur, remplacer le brûleur.
Améliorer	Remplacer la chaudière.
Améliorer	Améliorer la maintenance.

Température ambiante

La température ambiante est la température de la chaufferie mesurée à l’entrée du brûleur.

Lorsque la mesure du rendement est effectuée manuellement, la plupart des chauffagistes indiquent par défaut une valeur de 20°C. La température réelle de la chaufferie est bien souvent différente, parfois de plus de 30°C dans d’anciennes chaufferies. Cela change un peu le résultat dans le calcul du rendement.

Exemple.

Valeurs reprises sur la fiche d’entretien :

Teneur en CO₂: 12 %
Temp.cheminée : 223°C
Temp.ambiante : 20°C
Temp.nette : 203°C
Rendement : 90,3 %

Si la température ambiante réelle est de 35°C, le calcul du rendement de combustion donnerait comme résultat : 91,1 %

Rendement

Il s’agit ici du rendement de combustion, c’est-à-dire un rendement instantané lorsque le brûleur est en fonctionnement. Il ne représente donc pas le rendement global de la chaudière durant toute la saison de chauffe, qui est évidemment inférieur puisqu’il prend également en compte les pertes de la chaudière lorsque le brûleur est à l’arrêt.

En dessous de 88 %, le rendement de combustion doit être considéré comme inacceptable et une amélioration doit être apportée.

Si celle-ci s’avère impossible, parce qu’elle entraîne par exemple la production de suie, parce qu’il n’est plus possible de diminuer l’excès d’air du fait de l’usure mécanique de l’alimentation d’air du brûleur, parce que la chaudière présente des inétanchéités trop importantes, il faudra envisager le remplacement du brûleur et éventuellement de la chaudière.

Améliorer	Améliorer la chaudière.
Améliorer	Remplacer la chaudière.

En résumé : contrôle des paramètres de la combustion

Contrôle des paramètres de la combustion
Contrôle	Causes	Conséquences	Amélioration
Température de fumée trop élevée	Encrassement de la chaudière	Perte de rendement	Nettoyer la chaudière
	Tirage de la cheminée trop important		Placer un régulateur de tirage sur la cheminée Régler le régulateur de tirage
	Conduit de fumée trop court ou de section trop grande (diminution de résistance de la cheminée à l’écoulement des fumées)		Vérifier et diminuer la section de la cheminée
Température de fumée trop faible (< 160°C pour les anciennes chaudières)	Excès d’air trop important	Risque de condensation	Régler le registre d’air
% CO₂ trop faible % CO₂ < 12 % (fuel) ou 9 % (gaz)	Excès d’air trop important	Perte de rendement	Régler le registre d’air
	Mauvais mélange air/combustible au niveau de la tête de combustion		Régler la tête de combustion
	Si volet d’air presque fermé, entrées d’air parasites dans la chaudière		Colmater les inétanchéités de la chaudière (portes, entre éléments en fonte)
Production d’imbrûlés (suies, CO) Indice de Bacharach > 2, CO > 75 ppm	Excès d’air insuffisant ou extrêmement important	Pollution atmosphérique Encrassement de la chaudière Perte de rendement	Régler le registre d’air
	Mauvais mélange air/combustible au niveau de la tête de combustion (accroche flamme déformé ou déplacé)		Régler la tête de combustion ou la remplacer
	Registre d’air bloqué en position intermédiaire		Nettoyer le registre et régler
	Ouïe d’aspiration du brûleur obturée par des déchets (poussières, pluches, …)		Nettoyer le brûleur
	Roue du ventilateur encrassée		Nettoyer le brûleur
	Gicleur non adapté (angle trop grand ou trop petit) (fuel)		Vérifier l’adéquation du gicleur (angle/débit) et changer
	Gicleur défectueux (rayure ou obstruction) (fuel)		Changer le gicleur ou le nettoyer
	Arrivée irrégulière de combustible		Vérifier le filtre à combustible et le bon fonctionnement de la pompe (fuel) et du régulateur de pression (vis de réglage desserrée, désétallonage du ressort, piston coincé, … )
	Température du fuel trop basse		Vérifier l’état et le réglage du réchauffeur
	Tirage de la cheminée insuffisant		Colmater les inétanchétités de la chaudière (portes, entre éléments en fonte) Vérifier si la buse de la chaudière n’est pas trop enfoncée dans la cheminée Nettoyer la cheminée Modifier le tracé de la cheminée si trop sinueux Écarter la dalle de couverture de la cheminée Vérifier le bon positionnement du débouché de cheminée Placer un aspirateur statique sur la cheminée

Améliorer	Améliorer la chaudière.
Concevoir	Concevoir un conduit de cheminée.

Exemple : mesure des paramètres de la combustion avant et après réglage d’un brûleur gaz pulsé.

Exemple 1 :

Mesure	Avant réglage	Interprétation et amélioration	Après réglage
Dépression cheminée	– 34 [PA]	tirage trop important : réglage du régulateur de tirage	-19 [PA]
Teneur en CO₂	7 [%]	excès d’air calculé de 71 % : refermer le registre d’air	9,8 [%]
Teneur en CO	200 [ppm]	excès d’air beaucoup trop important	25 [ppm]
Température cheminée	260 [°C]	tirage trop important	230 [°C]
Température ambiante	20 [°C]	–	20 [°C]
Rendement	84,0 [%]	teneur en CO₂ basse et température des fumées élevée	89,3 [%]

Régulateur de tirage.

Exemple 2 :

Mesure	Avant réglage	Interprétation et amélioration	Après réglage
Dépression cheminée	– 19 [PA]	tirage correct	-19 [PA]
Teneur en CO₂	11 [%]	excès d’air calculé de 9 % (légèrement trop faible pour éviter les imbrûlés) : ouvrir le registre d’air	9,7 [%]
Teneur en CO	800 [ppm]	manque d’air	30 [ppm]
Température cheminée	170 [°C]	bon échange de chaleur	185 [°C]
Température ambiante	20 [°C]	–	20 [°C]
Rendement	93,0 [%]	rendement bon mais importante production de CO	91,5 [%]

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Circuits hydrauliques primaires

Dans les installations tertiaires, la distribution d’eau chaude comprend souvent, en chaufferie, un circuit primaire (ou collecteur) duquel partent plusieurs circuits secondaires qui alimentent les différentes zones du bâtiment.

Ce circuit ou collecteur primaire peut prendre diverses configurations présentant chacune des avantages et des inconvénients.

Remarquons qu’il existe sur le terrain une quantité importante de configurations possible. Chaque bureau d’études peut apporter sa touche personnelle, sans compter les exigences propres à certains fabricants de chaudières (pompe de by-pass, …). Nous ne reprendrons ici que les principaux schémas rencontrés.

Circuit en boucle ouverte

Circuit primaire en boucle ouverte alimentant 2 circuits secondaires avec vanne mélangeuse.

Ces circuits sont composés d’un collecteur de départ et d’un collecteur de retour séparés. Il n’y a pas de circulateur sur le circuit primaire.

La circulation de l’eau dans les chaudières est assurée par les circulateurs des circuits secondaires. Cela signifie qu’en présence de circuits secondaires avec vanne mélangeuse, le débit dans les chaudières est variable en fonction des besoins thermiques des utilisateurs. Il peut même devenir nul. La chaudière doit donc pouvoir résister à ce régime.

Les chaudières peuvent également être soumises à une température de retour très basse qui risque de provoquer des condensations corrosives et pour les chaudières en fonte, une rupture par choc thermique.

Exemple.

Voici, en fonction des besoins, l’évolution du débit dans la chaudière et de la température de l’eau au départ et au retour des circuits secondaires si la puissance de ceux-ci est régulée en fonction de la température extérieure. La température de retour vers les chaudières est évidemment déterminée par la température de retour des circuits secondaires. Les résultats ci-dessous sont déterminés pour une installation dimensionnée en régime 90°/70°. 100 % de charge correspond aux besoins considérés pour le dimensionnement (température extérieure de .. – 10°C..).

Charge [%]	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Débit dans les chaudières [%]	0	3	7	12	18	25	34	45	59	76	100
T départ circuits secondaires [°C]	20	32	40	47	54	61	67	73	79	84	90
T retour circuits secondaires = T retour chaudière [°C]	20	30	36	41	46	51	55	59	63	66	70

La température limite basse de condensation des fumées dans la chaudière (..55°C..) et le débit minimal généralement admis dans la chaudière (..35 %..) ne sont dépassés que pour les charges (= les besoins) supérieures à 60 % des besoins maximaux, c’est-à-dire pendant environ 25 % seulement de la saison de chauffe. Pendant 75 % du temps, il y a un risque de condensation et de rupture par manque de débit.

Ce type de circuit primaire est sensible aux interférences entre les circuits. En effet, toute modification de l’ouverture d’une vanne mélangeuse va provoquer une modification du débit circulant dans les chaudières et les collecteurs. Il en résultera une modification des pertes de charge de cette partie et donc une modification de la pression différentielle à la base des autres circuits. Ceux-ci verront alors leur débit modifié et leur vanne mélangeuse réagira pour respecter sa consigne. On assistera alors à des oscillations des organes de régulation puisque chaque modification de réglage interfère sur le réglage de toutes les vannes.

Exemple.

Interférences entre les circuits secondaires.

Si la vanne mélangeuse (1) s’ouvre, le débit dans les collecteurs augmentera. Cela augmentera la perte de charge dans le collecteur. Ceci signifie que la pression différentielle ΔP à l’entrée du deuxième circuit augmente également. Le débit dans ce circuit va donc augmenter. La vanne mélangeuse (2) va donc se fermer pour respecter la température de consigne.

Cette fermeture va à son tour remodifier le débit global entraînant une réaction compensatoire de l’autre vanne.

On imagine aisément les oscillations qui peuvent apparaître lorsque l’installation comprend de nombreux circuits secondaires. Il peut même arriver dans des cas extrêmes de circuits déséquilibrés et mal dimensionnés que l’augmentation de pression ΔP aux bornes d’un circuit secondaire devienne plus élevée que la hauteur manométrique de sa pompe. Dans ce cas, la circulation s’inversera dans le circuit et le retour sera plus chaud que le départ.

Des difficultés de régulation peuvent également apparaître lorsqu’une chaudière est mise à l’arrêt puisque la perte de charge du circuit primaire sera modifiée, entraînant une modification des débits.

Les interférences seront d’autant plus importantes que le circuit primaire présente des pertes de charge importantes. Ce sera le cas si les collecteurs sont longs et si les chaudières sont à faible contenance en eau. À l’inverse le risque est négligeable si la perte de charge du circuit primaire est faible et n’influence guère les circuits secondaires, c’est à dire avec des collecteurs courts et des chaudières à grand volume d’eau.

Les circuits à boucle ouverte sont souvent équipés d’un circulateur de recyclage.

Circuit primaire avec boucle ouverte et circulateur de recyclage.

Ce circulateur permet d’obtenir un débit minimal dans la chaudière quel que soit le degré d’ouverture des vannes 3 voies. Il permet également de maintenir une température minimale au retour de la chaudière, pour les chaudières ne pouvant pas descendre en température.

Calculs

Exemple de calcul d’une pompe de recyclage.

Circuit en boucle fermée

Un moyen d’éliminer les interférences entre les circuits secondaires, caractéristiques des circuits en boucle ouverte, est de relier les chaudières et les circuits de distribution par une boucle fermée à faible perte de charge. La faible perte de charge dans la boucle (entre les points A et B des schémas suivants) permet d’éliminer les effets de pression différentielle entre le départ et le retour des circuits secondaires.

On retrouve des boucles fermées avec une pompe unique alimentant le collecteur :

et des boucles fermées avec une pompe par chaudière :

Les circuits en boucle fermée présentent également un inconvénient lorsqu’ils sont raccordés à des chaudières régulées « en cascade« .

En effet, pour garantir une température correcte d’alimentation des circuits secondaires, il est impératif que le débit absorbé par ces derniers soit inférieur ou égal au débit véhiculé par la boucle primaire.

Circuit primaire fonctionnant correctement : le débit primaire (108 %) est supérieur au débit des circuits secondaires (< 2 x 50 %). Le surplus de débit primaire non puisé retourne vers les chaudières au travers de la boucle.

Dans une installation composée de plusieurs chaudières, la mise à l’arrêt d’une d’entre elles (arrêt du brûleur et de l’irrigation), telle qu’elle est pratiquée par une régulation en cascade, va réduire le débit de la boucle primaire. Or le débit des circuits secondaires ne se réduit pas toujours en parallèle.

Dans ce cas, le débit de la boucle primaire devient inférieur au débit secondaire. Pour compenser le manque de débit d’eau chaude qui en résulte, la pompe du (ou des) dernier(s) circuit(s) de la boucle va puiser de l’eau dans la partie « retour » du collecteur créant une circulation inverse dans la boucle. Ce (ou ces) circuit(s) ne sera(ont) alors pas alimenté(s) à la bonne température, ce qui créera un inconfort pour les occupants.

Exemple

Situations normales :

la somme des débits des chaudières est supérieure à la somme des débits des circuits secondaires.

Situations anormales :

	Pour visualiser le schéma animé comprenant une pompe par chaudière :
	Pour visualiser le schéma animé représentant un collecteur équipé d’une pompe unique :

Ce phénomène apparaît également lorsque les pompes des circuits secondaires ont été surdimensionnées par rapport au débit primaire.

Éliminer le problème en plaçant un clapet anti-retour dans la boucle (tronçon AB) n’est pas une solution correcte puisqu’à la fermeture du clapet, on se retrouve dans la situation d’une boucle ouverte avec les interférences entre les circuits que cela implique. De plus, les pompes primaire(s) et secondaires se mettent en série et les débits d’eau deviennent incontrôlables.

Le seul moyen pour rendre les débits primaire et secondaires compatibles en mi-saison consiste à faire travailler les chaudières à plus haute température que les circuits secondaires. Dans ce cas, les vannes mélangeuses se fermeront pour respecter leur consigne de température et on obtiendra une diminution parallèle des débits primaires et secondaires.

Calculs

Pour simuler cette situation

Le circuit primaire avec boucle fermée implique donc des pertes à l’arrêt des chaudières plus importantes.

Circuit avec bouteille casse-pression

Le principe de la bouteille casse-pression est semblable à celui de la boucle fermée. Plutôt que de se trouver en bout de collecteur, le by-pass se retrouve ici avant les circuits secondaires. L’objectif est de supprimer l’interférence hydraulique entre le circuit des chaudières et les circuits secondaires.

Lorsque les vannes mélangeuses sont partiellement fermées, le surplus de débit entre le circuit des chaudières et les circuits secondaires circulera dans la bouteille casse-pression (de A vers B). De l’eau chaude sera ainsi renvoyée vers les chaudières limitant les risques de température de retour trop faible pour les chaudières sensibles aux condensations.

Comme la boucle fermée, la bouteille casse-pression impose aux chaudières multiples de travailler à plus haute température pour éviter que les circuits secondaires ne soient obligés de puiser, via la bouteille, de l’eau froide dans le collecteur de retour, lorsqu’une des chaudières est à l’arrêt.

Circulation inverse dans la bouteille casse-pression lorsque le débit secondaire est supérieur au débit primaire.

La conception de la bouteille casse-pression doit respecter certaines règles :

elle doit être verticale,

elle ne doit pas être trop large, sous peine de voir apparaître une double circulation dans la bouteille, qui désolidariserait presque totalement le circuit des chaudières et les circuits secondaires et empêcherait la puissance d’être transmise.

Double circulation dans une bouteille casse-pression trop large, empêchant la transmission de la puissance des chaudières vers les circuits.

pour éviter ce problème, on peut dimensionner la bouteille selon la règle « des 3 d ». Le décalage de niveau entre les branchements vers le collecteur des chaudières et vers les collecteurs des circuits secondaires a pour but de limiter les turbulences et de limiter les risques de double circulation.

La faible vitesse de circulation dans la bouteille peut, en outre, être exploitée pour y installer un dégazeur et une récupération des matières solides qui décantent vers le fond de la bouteille.

Circuit avec bouteille casse-pression et boucle fermée

Cas d’un circuit avec collecteur éloigné de la chaufferie.

Lorsque le départ des circuits secondaires est éloigné de la chaufferie, des interférences entre les circuits peuvent apparaître même avec un circuit primaire en boucle fermée, du fait de l’importance des pertes de charge du collecteur.

Pour limiter ce risque, on peut combiner bouteille casse-pression et boucle fermée.

Les problèmes de compatibilité entre débits primaire et secondaires et les risques de circulation inverse dans les tronçons AB restent présents, obligeant les chaudières à travailler à température élevée.

Si la boucle de distribution est très longue, le circuit ci-dessus est à exclure. En effet, le circuit le plus proche de la pompe primaire est soumis à une pression différentielle importante qui risque d’inverser la circulation dans le by-pass de la vanne mélangeuse. La régulation serait alors perturbée.

Pour éviter cela, un by-pass doit être installé au niveau de chaque circuit secondaire. La circulation dans ce by-pass est réglée grâce à une vanne d’équilibrage sur chaque circuit.

Cas d’un circuit avec collecteur très étendu.

Raccordement des chaudières au circuit primaire

Dans une installation de chauffage composée de plusieurs chaudières, les débits doivent se répartir de façon correcte dans chacune d’elles.

La première solution est d’alimenter chaque chaudière au moyen d’une pompe qui lui est propre.

Raccordement des chaudières en parallèle avec une pompe par chaudière.

Dans ce cas, la pompe est adaptée à la résistance hydraulique de chaque chaudière. L’inconvénient de type de raccordement est la mise à l’arrêt de la chaudière en cas de panne de sa pompe, à moins de dédoubler toutes les pompes. Ce dédoublement est plus aisé si on travaille avec une pompe commune à toutes les chaudières. On dispose alors d’une pompe principale et d’une pompe de réserve.

Deux modes de raccordement hydraulique sont alors possibles :

Raccordement des chaudières en parallèle avec une pompe commune :
des vannes d’équilibrage règlent les pertes de charge pour que chaque chaudière soit irriguée correctement.

Raccordement des chaudières en boucle de « Tichelmann » : la première chaudière alimentée par le retour et la dernière alimentant le départ. Chaque chaudière est ainsi raccordée au circuit primaire par un circuit de longueur et donc une résistance hydraulique semblable. En fait, les vannes d’équilibrage sont remplacées par des longueurs de tuyau.

Cas particulier des chaudières à condensation

Une chaudière à condensation n’est efficace 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). 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.

Chaque fabricant de chaudières à condensation présente ainsi une série de circuits qui peuvent être raccordés à leur matériel.

Techniques

Pour visualiser différents exemples de circuit de ce type !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un système rayonnant sur boucle d’eau froide : plafond froid, dalle active

Dalle active ou plafond froid ?

Inertie, puissance et free chilling

Il existe deux technologies d’émetteurs « froids » basés sur un échange par rayonnement : les plafonds froids et les dalles actives.

Clairement, la puissance émise par une dalle froide active est faible par rapport à celle d’un plafond froid traditionnel (de l’ordre de moitié). Elle présente un temps de réponse également très élevé et sera donc peu efficace pour gérer un afflux de soleil soudain. Il suffit de voir la température de surface inférieure de la paroi (22,5° pour 26° ambiant…) pour se rendre compte que la réponse va manquer de pêche !

Par contre, la dalle froide se distingue du plafond rayonnant par une grande inertie thermique.

Avantages d’un émetteur inerte : il est possible de réaliser un stockage nocturne de frigories dans la dalle ! Cette technique présente dès lors les avantages du système de stockage frigorifique dans des bâches d’eau glacée (production de frigories au prix du kWh de nuit, diminution de la puissance frigorifique installée, …). Elle permet également de valoriser la fraîcheur nocturne par free chilling.

Inconvénients d’un émetteur inerte : l’inertie du système rend la régulation très difficile… Y aura-t-il du soleil demain ? Faut-il enclencher le refroidissement cette nuit ? De plus, la décharge du froid est indépendante des besoins réels. La température ambiante du local varie dans la journée en fonction des charges du local… On imagine un tel système lorsque les besoins sont créés par une charge interne permanente, mais non par des apports solaires ou une occupation variable.

C’est ainsi que la dalle active va pouvoir valoriser au mieux le froid créé durant la nuit : soit par passage dans un échangeur direct, soit par utilisation d’une machine frigorifique avec un très bon rendement.

Si l’eau provient d’une nappe phréatique ou d’une sonde géothermique, il ne semble pas fort intéressant de passer au système de refroidissement par dalle puisque la puissance frigorifique est à disposition également en journée.

On arrive donc à différents types de configuration, dont :

Un refroidissement de nuit sur l’air extérieur, assisté par une machine frigorifique en période de canicule.

Un refroidissement 24h/24 via des plafonds froids, dont le froid est capté sur des sondes enterrées.

Confort acoustique

Les nattes capillaires noyées dans le plafonnage et les dalles actives sont peu intéressantes au niveau acoustique : aucune absorption à attendre de leur part. Les plafonds froids suspendus par contre intègrent souvent des matelas absorbants.

En outre, les émetteurs noyés sont pénalisés lors de la pose d’ilots acoustiques suspendus. En effet ceux-ci viendraient bloquer l’échange par rayonnement entre les occupants et le plafond, ce qui limite l’échange thermique à la seule composante convective entre l’air et le plafond. D’autres surfaces d’absorption doivent être trouvées (panneaux mobiles, armoires avec panneaux intégrés, sous-faces des tables de travail, …).

Par exemple, les portes des armoires du bâtiment Worx à Kortrijk sont des panneaux acoustiques microperforés :

Une campagne d’essais a été menée à l’institut de recherche suédois pour mesurer l’influence de faux plafond discontinu, morcelé en ilots flottants de petite taille, sur les échanges thermiques entre le local et la dalle active.
La campagne consistait à comparer deux configurations, un faux plafond de 8.6 m² (6 éléments de 1,2 m x 1,2 m) représentant 45 % de la surface du local suspendu à deux hauteurs différentes (20 cm et 80 cm).
On constate une diminution de l’efficacité due à la présence des éléments acoustiques de 16 % lorsqu’ils sont suspendus à 20 cm et de 12 % à 80 cm. Il apparait logique que plus l’élément acoustique est suspendu bas, plus la convection de l’air autour du panneau est facilitée. De même l’efficacité acoustique est améliorée, car le son se répartit mieux autour du panneau, tout comme des panneaux trop proches l’un de l’autre se gênent le son ne distribuera pas correctement autour des panneaux.

Choix de la technologie de plafonds froid

Le terme plafond froid recouvre lui-même une large variété de dispositifs d’émission. Pour faire le tri parmi ces technologies, on peut distinguer plusieurs critères de choix :

L’inertie du plafond

La plupart des plafonds froids sont peu inertes, puisque constitués de tuyauteries fixées sur un faux plafond peu épais. Seuls les systèmes constitués de nattes capillaires noyées dans un plafonnage présentent un plafond froid, dont l’inertie plus importante.

Le mode d’émission de froid entre la tuyauterie d’eau et le local

La plupart des systèmes utilisent la conduction de froid (en réalité, de la chaleur) vers les panneaux de plafonds. Pour augmenter la puissance, l’essentiel consiste à faire communiquer au mieux le froid entre le tube et l’entièreté du plafond, si possible métallique. Un système qui ne comporterait que quelques points de soudure de temps en temps, ne serait pas idéal à ce niveau…

Il existe des faux plafonds à ailettes clipsables, atteignant une puissance de 80 à 90 W/m² actif.

Mais on améliore les choses par des tubes intégrés à un profilé aluminium. Ces systèmes, bien qu’un peu plus chers, permettent une excellente conduction du froid, si bien que la différence de température entre l’eau et la surface métallique est seulement de l’ordre de 1°C. Des puissances de 100 à 130 W/m² actif sont atteintes, pour un écart de 10° entre la température moyenne de l’eau (16°C) et la température de l’ambiance (26°C), c’est-à-dire, dans des conditions extrêmes.

Mais l’échange par rayonnement est rapidement limité. Aussi, afin de favoriser l’effet convectif, des ailettes seront serties sur les tuyauteries. L’idée consiste à créer un effet d’écoulement d’air, de « cheminée froide » le long de ces ailettes. Cette fois, deux tiers de la puissance sont communiqués par convection. La puissance frigorifique est maximale (130 W/m² et plus) pour autant que le faux plafond reste à claire-voie, ce qui n’est pas toujours accepté par l’architecte.

De plus, la hauteur du faux plafond devient fort importante. On envisagera plutôt ce système dans un hall de grande hauteur.

La facilité du montage

Si certains systèmes sont assemblés sur place (serpentins clipsés, par exemple), d’autres sont montés en usine et arrivent par modules « tout faits ». On peut imaginer que cette deuxième solution est plus fiable.

La planéité d’ensemble est un élément très important, car notre oil est très sensible au moindre défaut, tout particulièrement dans les bureaux paysagers.

Le critère esthétique

Certains plafonds sont de type à lamelle, d’autres sont modulaires (généralement de largeur 600 mm.), ce qui modifie l’aspect architectural.. Les nattes noyées dans le plafonnage et les dalles actives sont par contre totalement invisibles.

La facilité de la maintenance

Chaque constructeur rivalise d’astuce pour pouvoir accéder le plus facilement possible à l’espace situé au-dessus du faux plafond (modification d’un câblage, …).

C’est en dé-clipsant les tuyauteries pour les uns, c’est en faisant pivoter une fixation par charnière pour les autres. La liaison entre le réseau d’eau froide et le module de faux plafond est réalisée par des flexibles.

Le montage des modules est facilité, mais le prix d’achat est augmenté.

La hauteur minimale nécessaire est fonction de l’ensemble des équipements à placer dans le faux plafond. Au cas où seule la fonction thermique est présente, la hauteur minimale requise est de 55 mm.

Remarques :

1. De nombreux fabricants proposent leurs produits sur le marché :

des fabricants de faux plafonds qui ont développé la fonction « thermique »,

des fabricants de matériel thermique qui ont développé la fonction « faux plafond » !

Il est indispensable que les deux fonctions soient totalement maîtrisées et proposées avec des matériaux de qualité.

2. Un plafond froid ne s’achète pas sur « catalogue » et une installation ne peut se concevoir sans qu’un Ingénieur Conseil n’intègre tous les besoins et exigences du Maître de l’Ouvrage et de l’Architecte.

L’Entrepreneur réalisant un tel système doit en prendre la responsabilité globale tant au point de vue installation (faux plafond) que performance (confort).

3. Pourrait-on avoir un « plancher froid » ? C’est une solution peu confortable (froid aux pieds, chaud à la tête !). Pour éviter cet inconfort, on limite de tels systèmes à une puissance de 30 W/m². Exemple d’application : un show-room de voitures. L’immense avantage est de pouvoir faire du chauffage par le sol en hiver !

Choix de l’apport d’air neuf

Les plafonds froids et dalles actives sont des systèmes agissant sur la température du local indépendamment de l’apport de l’air neuf de ventilation (imposé par la réglementation pour garantir une qualité de l’air suffisante).

Celui-ci ne pourra ici se faire qu’au moyen d’une ventilation double flux. En effet, l’air neuf doit être pré-refroidi en centrale, et ce pour deux raisons :

La puissance frigorifique des plafonds froids est parfois insuffisante pour reprendre toute la charge frigorifique du local. Un air prérefroidi peut alors lui venir en aide. Dans le cas d’une dalle active, une pulsion d’air traité en centrale peut compléter l’inertie du système rayonnant par une réactivité importante. Attention cependant à la destruction d’énergie entre la dalle refroidie et un air éventuellement préchauffé.
Pour éviter toute condensation sur le plafond, l’humidité relative dans le local doit être maintenue par la batterie de prérefroidissemment à une valeur de 52 .. 57 % HR, en fonction de la température du plafond.

L’enjeu est de ne pas « casser l’énergie », en refroidissant l’air neuf pour le déshumidifier et en le réchauffant ensuite pour éviter les courants d’air (on considère souvent qu’une température de pulsion minimum de 16°C est nécessaire).

Il est clair que de prévoir des par bouches toriques (à haute induction) est une garantie de pouvoir pulser l’air à très basse température sans créer de courants d’air, et donc de ne pas détruire de l’énergie.

Ce type de bouche est par ailleurs favorable à l’émission du plafond. Des essais réalisés au Laboratoire de Thermodynamique de l’ULg auraient montré qu’une augmentation de l’ordre de 30 % de la puissance frigorifique est réalisée avec ce type de bouches. Ce pourcentage atteint même les 50 % s’il s’agit d’un plafond chauffant.

Idéalement, il faudrait arriver à ne pas devoir postchauffer l’air neuf après déshumidification. Plus de détails techniques sont donnés dans la régulation de la déshumidification de l’air neuf avec plafonds froids.

Contrôle du risque de condensation

En pratique, le risque de condensation est limité.

Le taux d’humidité d’un local dépend non seulement du taux d’humidité extérieur, mais également du dégagement d’eau dans le local. Prenons l’exemple d’un local type de bureau individuel (occupation : 70 g/h.personne à 26 °C , plantes, etc.). Si la ventilation apporte 25 m³/h d’air neuf, l’humidité absolue du local est en moyenne supérieure de 3 g/kg à l’humidité absolue de l’air extérieur.

Si la température de surface d’une dalle active est de 22 °C (température d’équilibre pour de l’eau entrant à 16 °C dans la dalle et une ambiance à 26 °C ), le risque de condensation apparaît si l’humidité ambiante dépasse 16,7 g/kg, soit si l’humidité extérieure dépasse (16,7 g/kg – 3 g/kg =) 13,7 g/kg. Ainsi, pour une année moyenne en Belgique, le point de condensation n’est dépassé que 12 heures sur 8 760 par an. Il n’a pas été dépassé pendant la période de canicule de juin 1976, similaire à celle que nous avons connue en 2003.

Si, en mi-saison ou en hiver, la température de surface de la dalle est de 20 °C (température d’équilibre pour de l’eau entrant à 18 °C dans la dalle et une ambiance à 22 °C ), le risque de condensation apparaît si l’humidité ambiante dépasse 14,7 g/kg, soit si l’humidité extérieure dépasse (14,7 g/kg – 3 g/kg =) 11,7 g/kg. Pour une année moyenne en Belgique, l’humidité extérieure ne dépasse jamais ce niveau entre début octobre et fin mai.

Le risque de condensation sur les parois est donc très faible dans les locaux tels que les bureaux, même si l’air neuf n’est pas déshumidifié. De plus, lors d’une augmentation d’humidité rapide dehors ou par des sources internes, l’humidité dans la pièce n’augmente que lentement à cause de la grande capacité d’absorption des plafonds, murs et mobiliers.

Par contre, dans des salles de réunion ou des cafétérias où le dégagement d’humidité est plus important, l’importance de la condensation en cas d’occupation exceptionnelle (ou de défaut de ventilation) sera plus grande et aura donc des conséquences plus sérieuses. Mais on peut imaginer que dans ces locaux un climatiseur d’appoint soit nécessaire et qu’il joue le rôle de déshumidificateur (T° d’évaporateur généralement très basse vu la détente directe et la compacité de l’échangeur).

Le risque de condensation est un peu plus important lorsque l’on choisit des plafonds froids, puisque le régime de température est moins élevé que dans la dalle active. Le risque de condensation reste néanmoins limité notamment suite à la déshumidification de l’air neuf en centrale. La formation d’une véritable goutte d’eau (capable de dégâts) semble difficile à créer lors des essais de laboratoire : un film humide peut se former sur le plafond (buée) sans pour autant que de gouttes ne chutent.

Restent des risques exceptionnels tels que la fête pour le départ de Louis à la pension, la cafetière qui bout en permanence, et quelques jours orageux par an, …

Aussi différentes dispositions sont possibles pour limiter le risque de condensation

Limitation de la température de départ de l’eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond (généralement 15°C).

Contrôle de l’humidité relative à proximité du plafond et coupure de la circulation d’eau, pour les réseaux en faux plafonds.

Prise en considération des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d’humidité à l’intérieur du local.

Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l’alimentation du plafond en eau devrait pouvoir être interrompue par un contact de feuillure. À défaut, une information efficace des occupants et du personnel d’exploitation sera impérative.

Choix du système de chauffage associé

Plusieurs solutions sont possibles.

Soit le chauffage de l’air pulsé

Si l’on dispose déjà d’un réseau d’émetteurs pour le refroidissement et d’un réseau de ventilation hygiénique, on peut chercher à limiter l’investissement en évitant un troisième réseau, spécifiquement dédié au chauffage. Une piste est alors d’utiliser le réseau de ventilation.

On sait que le débit d’air pulsé est très faible (généralement entre 1 et 2 renouvellements horaire) puisqu’il correspond au débit d’air neuf hygiénique, parfois gonflé pour couvrir les besoins de déshumidification de l’air en été. Et la température de l’air ne peut dépasser 35 à 40°C.

Cet apport ne permet de couvrir que peu de déperditions. Cette solution n’est donc possible que si le bâtiment est fort isolé au départ et/ou que le client accepte de prendre en compte les apports internes comme source de chauffage. Expliquons-nous : si l’on respecte la norme du calcul des déperditions (NBN B62-003), on ne peut compter que sur le système de chauffage pour vaincre les déperditions dans le cas le plus critique. Or, en pratique, les occupants, la bureautique, l’éclairage, … apporteront de la chaleur de façon non négligeable et les installations seront souvent surdimensionnées. Si le Maître de l’Ouvrage l’accepte, il peut donc autoriser le bureau d’études à tenir compte d’apports internes minimaux et diminuer d’autant la puissance de son installation. Ceci est d’autant plus exact que l’on travaille dans un bâtiment à utilisation permanente.

Si des coupures prolongées sont possibles (WE, période entre Noël et Nouvel An), la puissance maximale doit tenir compte de la relance et un calcul plus fin doit avoir lieu. On peut alors imaginer que l’air neuf soit recyclé lors de la relance et que la puissance totale de l’installation soit consacrée à la remise en température du bâtiment. Mais cette solution n’autorise pas une extraction classique de l’air neuf par les sanitaires… puisque l’air assure la fonction de chauffage et doit être recyclé.

Soit le chauffage par le plafond ou par la dalle

Deuxième piste pour éviter un émetteur de chauffage spécifique : L’apport de chaleur par le réseau de tuyauterie du faux plafond ou de la dalle active. Cette solution est possible, mais présente un risque d’inconfort.

L’inconfort résulte de l’asymétrie du rayonnement en mode chauffage (= « impression désagréable d’avoir de la chaleur qui tombe sur la tête ») et ne permet pas d’alimenter le réseau à une température supérieure à 35 °C. Pour les dalles actives, le régime de température est encore plus bas : de l’ordre de 28 °C maximum. Mais dans les bâtiments récents, cette faible puissance de chauffe pourrait ne pas poser de problème vu les besoins limités. On peut imaginer également que la température serait seulement élevée en période de relance (lorsque les occupants sont absents, puis relayée par le réseau d’air en période d’occupation). Attention aux contraintes sur les tuyauteries… Nous n’avons pas d’expérience pratique à ce sujet.

On peut imaginer que la stratification des températures soit alors assez défavorable du point de vue rendement (couche d’air chaud coincée sous le plafond). Par contre, l’eau à très basse température permet de valoriser le très bon rendement d’une chaudière à condensation.

Le schéma ci-dessous montre l’installation 2 tubes réversibles (réseau chaud/froid, dans/sous le plafond) et propose de la coupler avec une ventilation/refroidissement par déplacement, technique complémentaire très efficace pour les occupants. Elle propose aussi la formule d’insertion des tubes dans la structure du bâtiment (augmentation de l’inertie).

Un compromis peut être en imaginant un chauffage par le plafond limité aux panneaux situés le long des façades. En toute logique, on apporte ainsi une ceinture de chaleur au bâtiment là où les déperditions ont lieu. Les vitrages doivent être sélectionnés en très basse émissivité.

Soit un chauffage traditionnel par radiateur ou convecteur statique

Si le bâtiment est de construction plus traditionnelle, faiblement isolé, un réseau de radiateurs sera prévu en complément des plafonds froids. C’est une solution généralement appliquée en rénovation puisque l’on peut récupérer l’installation existante, quitte à renouveler les corps de chauffe.

Choix du réseau d’eau froide associé

On utilisera soit un réseau spécifique aux plafonds/dalles disposant d’un groupe frigorifique propre, soit le réseau global du bâtiment. Le premier cas présente l’avantage de pouvoir travailler à plus haute température au niveau de l’évaporateur et donc d’améliorer la performance du groupe frigorifique.

En été l’eau froide peut être produite par différents moyens :

L’eau peut être refroidie par l’air extérieur, via un échangeur placé en toiture.

Pour profiter d’un air plus frais, il apparaît que le fonctionnement aura principalement lieu durant la nuit. D’où la nécessité de stocker le froid dans l’épaisseur de la dalle.

L’eau peut être refroidie par de l’eau pompée dans une nappe phréatique, via un échangeur à plaques eau/eau.

Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.

L’eau peut être refroidie par circulation dans le sol sous le bâtiment, via un échangeur sol/eau. La présence d’une circulation d’eau d’une nappe phréatique éventuelle autour des conduits renforce le refroidissement. La puissance frigorifique varie entre 10 et 25 W/m courant.

Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.

L’eau peut être refroidie par une machine frigorifique traditionnelle, venant en appoint d’une des sources ci-dessus, notamment pour vaincre les périodes de canicule.

Les plafonds froids et dalles actives, puisqu’elles travaillent à haute température, sont particulièrement indiqués pour valoriser la fraicheur de l’environnement. Cette propriété valorise tout particulièrement la technique de free-chilling qui consiste à by-passer le groupe frigorifique et à refroidir directement l’eau de 17 à 15°C par l’air extérieur.

Puisque cette possibilité existe dès que la température extérieure est inférieure à 13°C, cette technique sera particulièrement intéressante si des besoins de refroidissement des locaux existent en période froide, ou si l’inertie du système permet de valoriser la fraîcheur nocturne. C’est l’analyse des besoins du bâtiment en fonction de la température extérieure qui devra le dire.

Plafonds froids et dalles actives seront de même aisément couplés à des forages géothermiques ou d’autres sources froides naturelles (nappe phréatique, rivière, lac,…), auxquels cas ils profiteront d’une eau de refroidissement en boucle ouverte. Un échangeur, spécialement traité pour résister à la corrosion et au colmatage, permettra le refroidissement à la source froide. Pour fournir l’appoint en plein été, le système est épaulé par un groupe frigorifique (placé en parallèle et dont le condenseur est raccordé à cette même source froide).

Schéma Plafonds froids et dalles actives couplés à des forages géothermiques.

Le filtrage et traitement des eaux devra faire l’objet d’une attention soutenue.
Pour en savoir plus :

Concevoir

Valoriser la fraicheur de l’environnement.

Paramètres du dimensionnement

La nécessité de limiter les apports solaires

La limitation des plafonds est liée à leur puissance frigorifique : de l’ordre de 90 W/m² de plafond actif, soit 72 W/m² de surface au sol si on considère que 20 % du plafond ne sera pas actif, suite à la présence des luminaires, des angles, …… Les dalles actives présentent une puissance inférieure à 60W/m².

Si ce système doit vaincre des apports internes importants (bureautique : 25 W/m², éclairage : 12 à 15 W/m², occupants : 7 W/m²), la réserve disponible pour les apports solaires solaires est fortement réduite.

Concevoir

Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient fortement limités :

soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées;

soit par la mise en place de protections solaires extérieures;

soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants;

soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).

Dimensionner avec une eau à haute température

Classiquement, on dimensionne le réseau de plafonds froids au régime 15 ° – 17 °C. Les dalles actives sont utilisées à un régime 16 °C-20 °C.

On peut d’abord étudier l’intérêt de passer à un régime 15 ° – 18 °C. La température moyenne des plafonds n’augmenterait que d’un demi-degré (16,5 au lieu de 16 °C). La puissance émise est liée à l’écart de température par rapport à l’ambiance (26 °C nominaux). Elle n’augmentera donc que de l’ordre de 5 %, alors que la consommation électrique augmentera bien davantage puisque le débit augmente de 50 % et que les pertes de charge évoluent au carré de celui-ci.

Par ailleurs, si les besoins thermiques sont faibles, c’est la température de départ qui peut évoluer. Pourquoi pas une distribution d’eau au régime 17° – 19 °C ? Cela permet de limiter la consommation liée à la déshumidification de l’air, voire de supprimer toute post-chauffe de l’air neuf.

Travailler avec une haute température peut permettre également :

Concevoir	de récupérer la chaleur des plafonds pour préchauffer l’air neuf.
Concevoir	ou de refroidir l’eau des plafonds froids par free-chilling.

Prévoir une installation frigorifique performante

On retrouve souvent un réseau de plafonds froids à 15° et un réseau d’eau glacée à 7°, notamment pour alimenter la batterie froide du groupe de traitement d’air. Idéalement, si la taille de l’installation le permet, on installera deux machines frigorifiques. Celle qui alimentera le réseau à 15° pourra bénéficier du COP nettement plus performant (en principe, le gain est de 3 % de la consommation par degré d’augmentation de la température à l’évaporateur).

Les fabricants dimensionnant toujours avec des petits échangeurs (évaporateur, condenseur) pour diminuer les coûts, il est utile d’imposer une valeur de COP minimale à respecter.

Un appoint par poutres froides ou pulsion d’air

Lors du dimensionnement, cela « coince » parfois au niveau du local d’angle suite à l’ensoleillement sur 2 façades.

Des poutres froides sont alors parfois proposées en supplément du plafond, pour augmenter l’effet frigorifique (le fait que ces équipements travaillent à même régime de température d’eau est un avantage). Mais les risques d’inconfort par « coulée d’air froid » sont importants avec cette technique et il convient d’étudier soigneusement leur disposition dans le local.

Une alternative est de valoriser le réseau de ventilation par un traitement centralisé de l’air neuf hygiénique. A priori, le groupe de traitement d’air est déjà lié à une machine frigorifique pour assurer une déshumidification. De là à voir l’air neuf comme un appoint thermique, il n’y a qu’un pas !

L’évaluation de la puissance intrinsèque du plafond

La transmission énergétique du système dépend :

de la température ambiante,
de la température des parois environnantes,
de la température de l’eau,
du type de plafond,
de la façon dont l’air est distribué dans la salle.

Quelle est la fidélité sur les chiffres de puissance avancés ? On peut penser que le fabricant qui annonce 130 W/m^² suppose une ambiance très chaude (pour augmenter le delta T°) et une circulation de l’air favorable le long des panneaux, induite par l’apport d’air neuf !

Il faudra donc vérifier si la puissance intrinsèque du plafond a bien été contrôlée en laboratoire suivant la procédure reprise dans la norme DIN 4715 (avril 1993). En réalité, on sera toujours supérieur à cette puissance, car une fenêtre ensoleillée sera par exemple à une température de 30 °C environ, ce qui est supérieur aux conditions d’essai de la norme. À noter que d’autres procédures existent également.

Il est conseillé de réaliser un essai en « vraie grandeur » pour vérifier les performances du système (sur site ou en laboratoire d’essais), mais le budget nécessaire de +/- 12 500 € suppose un projet de grande envergure pour être « rentabilisé ».

On sera également attentif au fait que la puissance annoncée est une puissance délivrée par m^² de panneau installé, ce qui n’est pas forcément égal à la surface au sol des locaux. Il faudra retirer la surface des luminaires, des détecteurs, des bouches, des zones de coin non couvertes, … pour arriver à la surface utile rafraîchie.

La figure ci-dessous montre l’évolution de la puissance intrinsèque pour un type donné de plafonds :

Exemple.

température ambiante : 26 °C
régime eau froide : 15 °C – 17 °C –> T°moy = 16 °C
Delta T° (ambiance – temp. moyenne eau) = 10 K

On en déduit un puissance intrinsèque de 77,5 W/m².

La sensibilité est forte puisque si la température ambiante monte de 1°C, la puissance frigorifique monte à 85 W/m² (+ 10 %).
Et inversément, si la température ambiante souhaitée est de 24°C, la puissance disponible descend à 63 W/m² (- 19 %) ! Mais en pratique, les 26 °C sont très bien supportés par les occupants suite au rayonnement froid. Ce serait plutôt 24°C qui génèrerait de l’inconfort par excès de refroidissement.

Il est clair que si le local nécessite des puissances frigorifiques importantes et fort variables dans le temps, le ventilo-convecteur convient mieux.

L’évaluation des apports latents dans les locaux

Il semble que les apports en eau par les occupants proposés dans la méthode « Carrier » soient fort élevés et correspondent au regard d’un fournisseur de matériel frigorifique, soucieux de vaincre les situations les plus critiques. Dans « Le Recknagel », on trouve des valeurs en apport d’eau plus modérées. L' »ASHRAE » est également légèrement plus faible que « Carrier ».

De plus, les valeurs « Carrier » sont valables pour une climatisation par convection. Les occupants augmentent l’échange par évaporation lorsque la température de l’air augmente, pour compenser la perte d’échange par convection.

Dans le cas d’une climatisation avec un plafond froid, une partie de l’échange se fait par rayonnement et cette partie n’est pas fonction de la température ambiante et il semble donc que les occupants produisent moins de vapeur.

Le débat reste ouvert et nécessite une confirmation par mesures officielles en laboratoire. Mais ces valeurs vont influencer l’évaluation du débit d’air neuf (ci-dessous) et donc la consommation finale de l’installation.

La détermination du débit d’air neuf

L’air neuf hygiénique est fortement déshumidifié en été pour supprimer le risque de condensation sur les plafonds.

Le niveau de déshumidification à atteindre est directement fonction de la température minimale d’entrée de l’eau dans les plafonds : idéalement il faudrait pouvoir travailler avec de l’eau à 17° d’entrée, 19° de sortie. Pour plus d’information à ce sujet, on consultera la régulation de la déshumidification.

Plus classiquement, on se limite à refroidir l’air extérieur jusque 13 °C en sortie de batterie froide, l’air est postchauffé jusque 15 °C et pulsé à 16 °C dans les locaux (1° est donné par le ventilateur).

Pour déshumidifier davantage, on peut augmenter le débit d’air neuf pulsé qui peut atteindre les 2 renouvellements horaires. Mais cette solution est plus énergivore dans la mesure où elle entraîne des coûts de transport de l’air plus élevé et le réchauffage d’une quantité d’air neuf plus élevée durant tout l’hiver et la mi-saison.

Il faut d’ailleurs se soucier du réflexe de l’installateur qui, étant inquiet « de ne pas y arriver » en été (= de ne pas avoir une puissance frigorifique suffisante avec les plafonds), va « pousser » le débit d’air afin qu’il puisse donner un petit effet refroidissant complémentaire.

Évaluer

Pour le Maître d’Ouvrage, c’est une consommation permanente supplémentaire non négligeable liée au traitement de l’air neuf, pour un risque limité à quelques journées par an, lors d’un été fortement ensoleillé.

A noter qu’il est possible d’augmenter plus astucieusement la puissance frigorifique du plafond en valorisant l’effet convectif de l’air neuf. L’idée est de faire en sorte que de l’air en mouvement vienne lécher le plafond en augmentant ainsi l’effet frigorifique. Mais il ne faut pas souffler l’air neuf directement le long du plafond. En effet, cet air est déjà froid (16 °C) et il ne captera pas l’énergie du plafond (16°C). Au contraire, il supprimera le contact entre une partie du plafond et l’air chaud du local. Par contre, si l’air neuf est distribué par bouches toriques verticalement, en plusieurs points du plafond, il va générer un brassage de l’air du local par induction et celui-ci va entrer en contact avec le plafond. Des essais menés à l’ULg ont permis ainsi d’augmenter jusqu’à 30 % la puissance frigorifique du plafond.

Le réseau de distribution d’eau

La distribution est basée sur des tuyauteries-mères (généralement disposées au plafond du couloir) qui alimentent les serpentins des différents locaux.

On souhaite souvent diminuer au maximum le delta de T° entre aller et retour, afin d’avoir le plafond le plus froid possible et la puissance maximale. Mais cela entraîne une augmentation du débit et donc du diamètre de la tuyauterie. La longueur maximum des circuits sera déduite d’une volonté de limiter à DN 80 ou DN 100 le diamètre des conduites-mères et de critères de dilatation des réseaux.

Il faudra prévoir la gestion de la pression différentielle du réseau, suite à la fermeture des vannes 2 voies. Cela se fera de préférence au moyen d’un circulateur à vitesse variable.

Un projet global

Le plafond froid ne peut être considéré comme un élément indépendant parcouru par de l’eau froide. C’est un système global qui intègre des exigences techniques et esthétiques :

le plafond froid : finition, forme, matériaux, puissance intrinsèque garantie;
l’architecture : aspect, planéité, sécurité au feu, performances acoustiques,…
les équipements à incorporer : luminaires, détecteurs, bouches,…
la pulsion d’air neuf : débit réglementaire ou sur-évalué pour répondre aux besoins de froid, refroidissement, déshumidification, confort (vitesse résiduelle)…
l’eau froide : débit et niveau de température, pression statique admissible, disposition des tuyauteries, production,…
la régulation : contrôle individuel de la température ambiante, contrôle des températures d’air et d’eau en fonction de la température extérieure, contrôle de l’humidité, asservissement à l’ouverture des fenêtres,…
la récupération d’énergie : capteur d’énergies « gratuites » venant des espaces de travail, récupération d’énergie, intégration des circuits plafonds froids dans l’ensemble du circuit de production de froid,…

Une collaboration entre Ingénieur Conseil et Architecte s’impose dès le début du projet, en y associant le Maître d’Ouvrage car il influencera les premières réflexions :

le niveau de confort à atteindre;
le souhait de faire également le chauffage par faux plafond;
le niveau de puissance à atteindre;
…

Réception des installations

Planéité du plafond

La pose est généralement délicate car tout défaut dans la planéité d’un faux plafond est directement visible, surtout si la lumière est rasante. Les réceptions d’installation donnent généralement lieu à des discussions tendues entre architecte et installateur !

Bon fonctionnement hydraulique

Une fois le plafond fermé, tout est caché et il est très difficile de pouvoir dire quel est le fonctionnement réel du réseau !

Imaginons la plainte d’un occupant futur : est-ce lui qui est de mauvaise foi … ou le débit d’eau qui est réellement insuffisant ?

Il est tout à fait possible qu’une vanne d’isolement soit par erreur fermée (sic !), qu’un thermostat soit défectueux, qu’un flexible soit croqué, …

La vérification sur site comprend :

les contrôles et essais hydrauliques systématiques (positions des tuyaux, points d’éventage, essais de pression);

la vérification de la bonne circulation d’eau dans les réseaux et l’irrigation correcte de chaque élément de plafond.

Idéalement, il faudra procéder à une thermographie infrarouge du plafond lors de la réception de l’installation. Le coût de cette mesure a fortement baissé grâce à l’amortissement des caméras et se justifie amplement par rapport aux ennuis que l’on peut avoir tout au long de la vie de l’équipement. De plus, ce type de contrôle se fait beaucoup plus facilement tant que le bâtiment est inoccupé.

Il suppose une bonne préparation avant le passage des agents contrôleurs (notamment en mettant la pleine puissance de l’installation en route, quitte à chauffer parallèlement le bâtiment par le système de chauffage).

Après la mise au point finale et les vérifications de la performance finale (température ambiante, vitesses résiduelles, confort,… ), l’information de l’exploitant et de l’occupant seront nécessaires afin d’utiliser ce système au mieux de ses possibilités. Il est utile d’expliquer le principe d’apport de froid pour éviter le risque d’un excès de froid. La température de l’air n’est pas le seul critère. Un thermostat classique peut être réglé sur 25 ou 26°C car le plafond froid entraîne un équivalent-confort de 24°C. On rencontre d’ailleurs des installations où les thermostats ne sont pas gradués…!

Source : Conférence de Mr P.A. Delattre – Tracrebel Development Engineering – journée ATIC du 25.09.98.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique de la distribution de chaleur

Évaluer l'efficacité énergétique de la distribution de chaleur

Sous-station de distribution sans isolation !

Pertes dans les tuyauteries

Lorsque qu’un tuyau véhiculant de l’eau de chauffage traverse un espace ne devant pas être chauffé (chaufferie, vide-ventilé, caniveau), il présente des pertes importantes.

Exemples :

Tuyauterie de chauffage non isolée parcourant un faux plafond sous toiture.

Boucle de distribution d’eau chaude sanitaire non isolée, parcourant un vide ventilé de plus de 100 m de long.

Tronçon de collecteur DN 150 non isolé pour des raisons de facilité. Pertes annuelles : environ 4 000 kWh/an ou 400 litres de fuel/an (puissance perdue 2 x 230 W).

Conduites extérieures ….

En principe, lorsque ce tuyau traverse un local chauffé, on considère souvent que la perte contribuant au chauffage de l’ambiance, elle n’est pas source de surconsommation. Cependant cette affirmation est à nuancer dans certaines situation :

Lorsque la perte est tellement importante qu’elle crée des surchauffes.

Lorsque le tuyau reste en température alors que les locaux ne doivent plus être chauffés. Ce sera, par exemple, le cas pour une boucle de distribution d’eau chaude sanitaire maintenue en température, même en été.

Exemple.

photo conduites non isolées - 01.

Bilan thermique d’une classe traversée par de grosses conduites non isolées. On voit que les apports des conduites, des élèves et du soleil vont rapidement conduire à des surchauffes. Les corrections à envisager pour le chauffage sont l’isolation des conduites et le placement de vannes thermostatiques pour arrêter le fonctionnement des radiateurs.

Ordre de grandeur

1 m de tuyau en acier de 1 pouce de diamètre, non isolé, dans lequel circule de l’eau chaude à 70°C et qui parcourt une ambiance à 20°C a une perte équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W.

Or cette ampoule, si elle restait allumée toute l’année dans la chaufferie, il est fort probable que quelqu’un l’éteindrait, parce qu’elle est bien visible …

Exemple.

photo conduites non isolées - 02.

Voici une installation vieille de 2 ans, jamais l’isolant n’a été placé sur les tuyauteries (cela n’ayant pas été précisé textuellement dans le cahier des charges, l’installateur a estimé que l’isolation ne faisait pas partie de son offre et n’en a pas informé le maître d’ouvrage). Voilà l’équivalent d’une belle guirlande lumineuse qui est restée allumée pendant plus de deux ans !

photo conduites non isolées - 03.

Dans le même établissement, les conduites de distribution de chauffage et d’eau chaude sanitaire passent dans un vide ventilé. La fin de l’isolation des conduites n’a pas été réalisée. Pour preuve, la coquille isolante n’a pas été découpée à la longueur du tuyau. En terme de surconsommation, cela équivaut à une lampe de 60 W restée allumée pendant 2 ans dans le vide ventilé ! Soit une perte de :

60 [W] x 8 760 [h/an] / 0,8 = 657 [kWh/an] ou 66 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Chiffrer les pertes dans le tuyauteries

La perte augmente proportionnellement au diamètre de la tuyauterie. Le tableau suivant indique les pertes des tuyaux en acier en fonction de leur diamètre, de la température entre l’eau chaude et de la température ambiante.

Perte de chaleur d’un tuyau en acier non isolé en [W/m]
DN [mm]	10	15	20	25	32	40	50	62	80	100
Diam [pouce]	3/8″	1/2″	3/4″	1″	5/4″	1 1/2″	2″	2 1/2″	3″	4″
T_eau – T_air:
20°C	11	13	17	21	26	30	38	47	55	71
40°C	22	29	36	45	57	65	81	101	118	152
60°C	36	46	58	73	92	105	130	164	191	246
80°C	52	67	84	105	132	151	188	236	276	355

Les pertes calorifiques des canalisations enterrées sont plus faibles que dans l’air, en moyenne de 10 à 35 %.

Exemple.

Perte de 20 m de tuyauterie non isolée DN 50 (2″), à 80°C, dans une chaufferie à 20°C :

Puissance perdue = 130 [W/m] x 20 [m] = 2,6 [kW]

Énergie perdue (si la circulation fonctionne toute l’année = 2,6 [kW] x 8 760 [h/an] / 0,8 = 28 470 [kWh/an] ou 2 847 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Le coût de cette perte est de l’ordre de 89 €/an (à 0,625 €/litre fuel) par mètre de tuyau non isolé.

Calculs	Pour calculer les pertes de vos tuyauteries de chauffage et le gain réalisable par une isolation.
Améliorer	Isoler les tuyauteries et les vannes.

Régulation de la température de l’eau

On le voit dans les coefficients de perte ci-dessus, les déperditions des tuyauteries sont proportionnelles à la différence de température entre l’eau et l’ambiance. On a donc tout intérêt à travailler avec une eau chaude distribuée à la température la plus faible possible.

Cela est une des justifications pour lesquelles on a intérêt à travailler avec une température d’eau variable en fonction des besoins, soit directement au niveau du collecteur principal, soit au minimum au niveau des circuits secondaires.

L’ampleur de la perte engendrée en travaillant en permanence à haute température dans les circuits dépend de la disposition des circuits (le collecteur peut être très long, en conduisant par exemple à une sous station) et de leur degré d’isolation.

Exemple.

Prenons un collecteur DN 100 de 10 m, isolé par 4 cm de laine minérale et alimenté 5 800 h/an. La chaufferie a une température de 20°C.

Si la température l’eau qui y circule est régulée en fonction de la température extérieure, la température moyenne de l’eau sur la saison de chauffe sera de l’ordre 43°C. Déperdition thermique sera égale à :

0,424 [W/m°C] x (43 [°C] – 20 [°C]) x 10 [m] x 5 800 [h/an] = 565 [kWh/an] ou 56 [litres fuel ou m³ gaz]

Si la température de ce collecteur est maintenue en permanence à 70°C (moyenne entre le départ et le retour), la déperdition est de :

0,424 [W/m°C] x (70 [°C] – 20 [°C]) x 10 [m] x 5 800 [h/an] = 1 229 [kWh/an] ou 123 [litres fuel ou m³ gaz]

La différence est négligeable.

Ce ne sera pas le cas si le collecteur alimente aussi un bâtiment voisin distant de 50 m (soit 100 m de collecteur). La différence sera cette fois de 670 [litres fuel ou m³ gaz].

Améliorer

Pour en savoir plus sur les installations susceptibles de travailler en température glissante.

Pertes dans les vannes

Les vannes présentes une surface déperditive nettement plus importante qu’un tuyau du même diamètre.

Une étude menée par AIB a.s.b.l. basée sur des observations thermographiques a montré que :

Perte thermique des vannes et brides en équivalent de longueur de tuyauterie de même diamètre non isolée Source : AIB
Accessoire	Longueur équivalente de tuyauterie
Vanne non isolée	1,7 m
Vanne non isolée (6 cm de laine)	0,17 m
Paire de brides	0,9 m
Paire de brides isolée (6 cm de laine)	0,06 m

Exemple :

La température de cette boucle primaire est maintenue à 80°C (moyenne entre le départ et le retour). La perte de chacune des vannes (DN 300) ci-dessus équivaudrait à la perte de 1,7 m de tuyau (on applique une régression linéaire entre les valeur du tableau), soit :

707 [W/m] x 1,7 [m] = 1,2 [kW/vanne]

Si pour des raisons de production d’eau chaude sanitaire, la boucle est alimentée toute l’année, la perte énergétique s’élève à :

1,2 [kW/vanne] x 8 760 [h/an] = 10 512 [kWh/an.vanne] ou 1 051 [litres fuel ou m³ gaz]

Un matelas isolant permet de diminuer cette perte de 90 %, soit un gain de 946 [litres fuel ou m³ gaz] ou 591 [€/an] (à 0,625 €/litre fuel), pour un coût de 313 € le matelas démontable de 6 cm de laine.

Améliorer

Isoler les tuyauteries et les vannes.

Déséquilibre

Nombreuses sont les installations de chauffage qui présentent des problèmes de manque de chaleur dans les locaux situés en bout de circuit.

Lorsque l’installation est déséquilibrée, les premiers radiateurs court-circuitent le débit d’eau. Le manque de débit dans les derniers radiateurs entraîne un manque de chaleur.

Intrinsèquement, il s’agit d’un problème de confort et non de surconsommation.

Évaluer

Pour diagnostiquer plus en détail, les causes d’inconfort.

Cependant, la réaction de la plupart de gestionnaire est de compenser cet inconfort

en augmentant la consigne de régulation (augmentation de la courbe de chauffe, augmentation du thermostat d’ambiance),
en avançant l’heure de la relance matinale,
en déconnectant l’optimiseur, …

En absence de vannes thermostatiques, il en résulte une surchauffe dans les locaux favorisés et donc une surconsommation.

Si face à une déséquilibre de l’installation, le gestionnaire augmente la consigne de température, les derniers locaux seront vraisemblablement satisfaits mais avec une surchauffe et une surconsommation dans les autres locaux.

Il vaut donc mieux tenter dans la mesure du possible rétablir un débit correct dans chaque radiateur, en étranglant l’arrivée d’eau dans les zones favorisées.

Améliorer

Équilibrer la distribution.

Un indice pour diagnostiquer un déséquilibre

Pour repérer un déséquilibrage, on peut sentir la répartition des températures dans les radiateurs : un radiateur chaud dans sa partie supérieure mais froid dans sa partie inférieure présente un débit d’alimentation insuffisant (une partie supérieure froide traduit une présence d’air à purger).

Régulation des circulateurs

La notion d’efficacité énergétique de la distribution inclut également la consommation des auxiliaires nécessaires au transport de la chaleur : les circulateurs.

Estimer la consommation des circulateurs

Sans mesure du courant absorbé par les circulateurs, il est difficile de connaître précisément la consommation électrique liée à la distribution de l’eau chaude.

En première approximation, on peut se baser sur les ratios suivants (pour une installation bien dimensionnée).

La consommation électrique des circulateurs [kWh] = 4 à 8 ^o/_oo de la consommation de combustible [kWh] (1 litre de fuel = 1 m³ de gaz = 10 kWh)

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 1 à 2 ^o/_oo de la puissance chauffage [kW]

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 90 % de la somme des puissances lues sur les plaques signalétiques [kW]

Exemple.

soit une installation de chauffage de 800 kW, consommant 120 000 m³ de gaz par an. Les circulateurs ne fonctionnent que durant la durée de la saison de chauffe (5 800 heures/an).

1^ère estimation :

la consommation électrique des circulateurs [kWh] = (0,004 .. 0,008) x 120 000 [m³gaz] x 10 [kWh/m³gaz] = 4 800 .. 9 600 [kWh électrique/an]

2^ème estimation :

la puissance électrique des circulateurs [kW] = (0,001 .. 0,002) x 800 [kW] = 0,8 .. 1,6 [kW]. Leur consommation = (0,8 .. 1,6) [kW] x 5 800 [h/an] = 4 640 .. 9 280 [kWh électrique/an]

Deux éléments caractérisent l’efficacité énergétique des circulateurs

le dimensionnement,
la gestion du temps de fonctionnement et de la vitesse.

Le surdimensionnement des circulateurs

Le calcul des pertes de charge dans les réseaux de chauffage est une tâche fastidieuse. C’est la raison pour laquelle on procède souvent à des estimations. De plus, on choisit un circulateur d’un modèle encore supérieur pour avoir une réserve.

Ceci engendre dans la plupart des installations, un débit plus important que nécessaire, une diminution du rendement du circulateur et une surconsommation électrique durant toute l’année. Ceci, sans compter l’imprécision supplémentaire qui est de mise si l’on remplace un circulateur dont on ne connaît plus les caractéristiques de dimensionnement.

Par exemple, une étude suisse sur plusieurs centaines de bâtiments a montré que le débit des installations de chauffage était en moyenne 2,5 fois surdimensionné par rapport aux besoins. Cela signifie que dans les installations de chauffage existantes, les circulateurs consomment 15 fois plus (règle de similitude : 15 = 2,5³) que nécessaire.

Il faut cependant relativiser cette surconsommation. En effet dans les circulateurs actuels à rotor noyé, le moteur est partiellement refroidi par l’eau de chauffage. De ce fait, une certaine partie de la consommation électrique du circulateur se retrouve sous forme de chaleur dans l’eau.

Ce n’est cependant pas pour cette raison qu’il ne faut pas tenter de réduire cette consommation. En effet, il s’agit d’une consommation d’énergie électrique, c’est-à-dire :

en moyenne plus chère que l’énergie issue des combustibles,

produite avec un rendement global (englobant le rendement des centrales électriques) nettement moindre, ce qui engendre une consommation d’énergie primaire et une production de CO₂ nettement supérieure.

De plus, le surdimensionnement de circulateur est une source de problèmes hydrauliques dans l’installation et d’inconfort pour les occupants.

Évaluer	Pour en savoir plus sur les problèmes d’inconfort.
Études de cas	Surdimensionnement des circulateurs et mauvais fonctionnement de la production d’eau sanitaire combinée au Centre de Hemptinnne à Jauche.

Comment repérer un circulateur surdimensionné ?

Premier indice : la puissance de la plaque signalétique des circulateurs

On peut estimer la puissance électrique absorbée par des circulateurs existants suivant la règle :

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 90 % de la somme des puissances lues sur les plaques signalétiques [kW]

Dans une installation équipée de radiateurs, si cette puissance électrique est supérieure à 2 o/oo de la puissance thermique du bâtiment (en [kW]), les circulateurs peuvent souvent être considérés comme surdimensionnés.

Cette règle équivaut à dire qu’il y a surdimensionnement des circulateurs si :

La puissance électrique des circulateurs P_e en [W] > 0,002 x puissance thermique du bâtiment P_th [kW]

Concevoir

Si les chaudières ne sont pas trop surdimensionnées, on peut, en première approximation, considérer que la puissance thermique du bâtiment équivaut à la puissance des chaudières installées. En cas de surdimensionnement flagrant des chaudières, on peut estimer la puissance thermique en fonction de l’isolation globale du bâtiment et du volume chauffé. Pour en savoir plus sur cette méthode, cliquez ici !

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation du surdimensionnement des chaudières, cliquez ici !

Deuxième indice : la température de l’eau de retour

La plupart des installations de chauffage par radiateurs existantes ont été dimensionnée pour un régime d’eau 90°/70°. Ceci signifie que pour la température extérieure minimale de dimensionnement (- 8° .. – 12°, en fonction de la région), la température de départ de l’eau doit être de 90°C et la température de retour, de 70°C, soit un écart entre le départ et le retour de 20°C.
Cet écart de température, proportionnel à la puissance émise, varie en fonction des besoins instantanés. Par exemple, si la température extérieure est de 5°C, l’écart de température entre le départ et le retour doit être voisin de 10°C (pour un dimensionnement pour – 10°C extérieur).

Écart de température entre le départ et le retour d’une installation de chauffage par radiateur dimensionnée pour un écart maximum de 20°C et une installation de chauffage par le sol dimensionnée un écart maximum de 12°C. La température extérieure de dimensionnement est de – 10°C et la température de consigne intérieure est de 20°C.

La puissance fournie par l’installation se traduit entre autres par la formule :

Puissance fournie [kW] = 1,16 [kW/(m³/h).°C] x Débit [m³/h] x (T_départ[°C] – T_retour[°C])

Pour des besoins en chaleur et donc une puissance fournie identiques, si le débit augmente, l’écart de température entre le départ et le retour diminue.

Ainsi, si pour une température extérieure donnée (de préférence, effectuez la mesure en hiver), la différence de température mesurée entre le départ et le retour d’un circuit est inférieure à la référence du graphe ci-dessus, il y a de fortes chances pour que le circulateur soit surdimensionné. Attention, pour être représentative, cette mesure doit être effectuée toutes les vannes thermostatiques du circuit ouvertes en grand.

Calculs

Pour estimer le facteur de surdimensionnement de vos circulateurs.

Exemple.

soit une installation de chauffage par radiateurs située à Louvain-la-Neuve. La température extérieure de référence pour le dimensionnement est de – 8°C. La température intérieure de consigne utilisée pour le dimensionnement est de 20°C.

Théoriquement, pour chacun des circuits de cette installation, l’écart de température entre le départ et le retour devrait être de :

Par exemple, pour une température extérieure de 1°C, l’écart de température théorique devrait être de 13,6°C. Or, pour un des circuits, les températures de départ et de retour sont respectivement de 54°C et 46°C, soit un écart de 8°C.

Le facteur de surdébit est donc de :

13,6 [°C] / 8 [°C] = 1,7

Comme la hauteur manométrique du circulateur évolue comme le carré du débit et la puissance électrique absorbée, comme le cube du débit (règles de similitude), on se trouve en présence :

d’une surpression d’un facteur (1,7)² = 2,9
d’une surconsommation d’un facteur (1,7)³ = 4,9

On peut se conforter dans l’idée de surdimensionnement du circulateur calculé ci-dessus en freinant le débit du circulateur existant : il suffit de refermer la vanne d’arrêt du circulateur jusqu’à ce que la différence de température voulue entre le départ et le retour soit atteinte. Si dans ce cas, le chauffage fonctionne toujours correctement partout, il n’y a aucune hésitation à procéder à une diminution du débit.

On peut également imaginer que les circulateurs sont surdimensionnés si l’installation possède des éléments de réglage fixe qui provoquent un étranglement permanent. Attention, toutefois, aux éléments qui servent seulement à équilibrer les débits dans certains circuits hydrauliques parallèles et qui ne signifient pas qu’un surdimensionnement général existe.

Un sifflement dans l’installation est également un indice de vitesse trop élevée de l’eau et donc d’une vitesse trop importante.

Mesures	Le contrôle du dimensionnement correct d’un circulateur peut également se faire par mesure du débit et comparaison avec la puissance thermique à fournir. Pour en savoir plus.
Améliorer	Réduire le débit des circulateurs.

La gestion du temps de fonctionnement et de la vitesse

Dans beaucoup d’anciennes installations, les circulateurs fonctionnent en permanence et à pleine puissance durant la saison de chauffe, si ce n’est toute l’année. En effet, le câblage des pompes était souvent réalisé indépendamment de celui du réglage du chauffage.

Par exemple, en mi-saison, l’apport de chaleur peut devenir inutile (température extérieure = 14 .. 15°C), sans pour cela que l’installation soit à l’arrêt définitif. Les vannes mélangeuses sont fermées et pourtant les circulateurs sont toujours en fonctionnement.

Si à ce moment les circulateurs étaient automatiquement mis à l’arrêt (sur base d’une mesure de la température extérieure), cela permettrait une économie substantielle d’énergie.

Des mesures menées en Suisse, sur plus de 50 bâtiments ont montré une économie électrique des circulateurs de l’ordre de 10 .. 15% grâce à ce genre de régulation.

Améliorer

Réduire le débit des circulateurs.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Radiateurs

Types de radiateur

Les radiateurs émettent leur chaleur par rayonnement et par convection. La répartition entre ces deux modes d’émission dépend du type de radiateur.

Les radiateurs à panneaux

Ces radiateurs sont composés de tôles d’acier profilées assemblées 2 à 2 pour former des panneaux creux parcourus par l’eau chaude. Un radiateur peut être composé de 1, 2, 3 voire 4 panneaux.

Les panneaux peuvent être équipés de déflecteurs ou ailettes.

Ailettes de radiateur en acier.

Ceux-ci augmentent l’émission de chaleur par convection.

Un radiateur à panneaux sans ailettes émet 50 % de sa chaleur par convection. Cette proportion monte à 70 % avec les ailettes.

Les radiateurs à éléments

Ces radiateurs se retrouvent dans les anciennes installations. Ils se composent d’éléments identiques juxtaposés, en nombre suffisant pour obtenir la puissance nécessaire.

Les éléments peuvent être en fonte. Dans ce cas, ils présentent une inertie importante et chauffent principalement par rayonnement.

Radiateur à éléments en fonte.

Les éléments peuvent aussi être en acier. Dans ce cas c’est la part de rayonnement qui est faible.

Radiateurs à panneaux en acier.

D’une manière générale, les radiateurs à éléments ont des performances d’émission moindre.

Les radiateurs en aluminium

Il s’agit généralement de radiateurs décoratifs.

Radiateurs en aluminium.

L’aluminium permet en effet d’obtenir des foules plus élégantes par coulée sous pression ou par extrusion.

Ces radiateurs sont cependant très sensibles à la corrosion si l’eau est de qualité insuffisante. Se pose également le problème de mélange de métaux différents dans une même installation, ce qui peut également être la source de problèmes.

Puissance d’un radiateur

Valeurs catalogue de la puissance émise (norme EN 442-2)

La plupart des fabricants indiquent maintenant les émissions calorifiques des radiateurs suivant la norme européenne EN 442-2. Cette norme tient compte d’un régime de dimensionnement de 75°/65° pour une température intérieure de 20°C. Cette norme remplace l’ancienne norme qui se basait sur un régime de dimensionnement 90°/70°.

Puissance à d’autres régimes de dimensionnement

Une fois que l’on dispose des caractéristiques d’un radiateur donnés par le fabricant (catalogue). On peut établir la puissance émise pour d’autres régimes de dimensionnement (différents du régime pris dans la norme EN 442-2, c’est-à-dire 75°/65°). Une approche simplifiée permet d’établir une correspondance entre deux régimes de dimensionnement par la formule :

Puissance_régime 2 = (ΔT_{moy régime 2} / ΔT_{moy régime 1}) ^1,3 x Puissance _régime 1

où ΔT_moy est la différence de température entre l’eau du radiateur (moyenne entre l’entrée et la sortie) et la température intérieure.

Exemple en utilisant la formule simplifiée:

Un radiateur de 2 000 W, en régime 90°/70° (c’est-à-dire ayant une température moyenne de 80°C) fournira :

( (70 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C])) ^1,3x 2 000 [W] = 1 578 [W]

s’il est alimenté en régime 75°/65° (c’est-à-dire avec une température moyenne de 70 °C).

Pour un calcul plus précis, il faut résoudre les équations de base des émetteurs de chaleur (non reprise dans cette page). Néanmoins, la résolution est effectuée « automatiquement » dans la feuille de calcul suivante.

Calculs

Pour calculer la puissance et le débit d’un radiateur sur base des valeurs catalogue et de son régime, cliquez ici !

Exemple de puissances en fonction des dimensions d’un radiateur et d’un régime particulier

Les tableaux suivants donnent la puissance typique des radiateurs traditionnels en fonction de leurs dimensions, ce pour un régime de température 90°C/70°C (entrée/sortie) et une température ambiante de 20°C, soit un DT (radiateur-ambiance) = (90 [°C] + 70 [°C]) / 2) – 20 [°C] = 60 [°C].

Pouvoir émissif des radiateurs à éléments en fonte en [W par m² de surface frontale]
Hauteur [mm]	Profondeur [mm]
Hauteur [mm]	150	250	350
300	3 325	4 790	7 200
600	3 185	4 600	6 870
800	3 105	4 475	6 70

Pouvoir émissif des radiateurs à panneaux en acier en [W par m² de surface frontale]
Hauteur	Type 10	Type 11	Type 20	Type 21	Type 22	Type 30	Type 32
300	1 330	1 880	2 150	2 780	3 210	3 045	4 185
600	1 200	1 720	1 950	2 510	2 900	2 765	3 800
800	1 170	1 685	1 910	2 465	2 840	2 710	3 730

Type 21 = radiateur équipé de 2 panneaux et dune rangée d’ailettes.

Si les dimensions réelles des radiateurs ne correspondent pas aux dimensions standards ci-dessus, les puissances peuvent être extrapolées linéairement.

Exemple :

Soit un radiateur en acier, type 22, de 300 mm de hauteur et de 2 m de longueur.

Sa surface frontale est de 0,3 [m] x 2 [m] = 0,6 [m²].

Sa puissance nominale est de 0,6 [m²] x 3 210 [W/m²] = 1 926 [W]

Calculs

Pour estimer la puissance nominale de vos radiateurs, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chaudières à condensation [Chauffage]

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/m³_N et PCI = 8.83 kWh/m³_N, soit PCS = PCI + 10.8 %
Pour le gaz naturel (type H) : PCS = 10.94 kWh/m³_N et PCI = 9.88 kWh/m3_N, 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. À 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 CO_2. : 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 :

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.

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 %
(ce qui correspond à 93 % sur PCS)

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 %

(ce qui correspond à 96 % sur PCS)

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.

Le tableau ci-dessous indique pour les différents rendements exprimés en fonction du PCS, l’équivalence pour le fioul ou le gaz exprimée en fonction du PCI

Rendement PCS	Rendement PCI
Rendement PCS	Fioul	Gaz naturel
79,0 80,0 81,0 82,0 83,0 84,0 85,0 86,0 87,0 88,0 89,0 90,0 91,0 92,0 93,0 94,0 95,0 96,0 97,0 98,0 99,0 100,0	84,4 85,5 86,6 87,6 88,7 89,8 90,8 91,9 93,0 94,0 95,1 96,2 97,2 98,3 99,4 100,4 101,5 102,6 103,7 104,7 105,8 106,9	87,6 88,7 89,8 90,9 92,0 93,1 94,2 95,3 96,4 97,6 98,7 99,8 100,9 102,0 103,1 104,2 105,3 106,4 107,5 108,6 109,8 110,9

Le tableau ci-dessous indique pour les différents rendements exprimés en fonction du PCS, l’équivalence pour le fioul ou le gaz exprimée en fonction du PCI

Rendement PCS	Rendement PCI
Rendement PCS	Fioul	Gaz naturel
79,0 80,0 81,0 82,0 83,0 84,0 85,0 86,0 87,0 88,0 89,0 90,0 91,0 92,0 93,0 94,0 95,0 96,0 97,0 98,0 99,0 100,0	84,4 85,5 86,6 87,6 88,7 89,8 90,8 91,9 93,0 94,0 95,1 96,2 97,2 98,3 99,4 100,4 101,5 102,6 103,7 104,7 105,8 106,9	87,6 88,7 89,8 90,9 92,0 93,1 94,2 95,3 96,4 97,6 98,7 99,8 100,9 102,0 103,1 104,2 105,3 106,4 107,5 108,6 109,8 110,9

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 :

Des chaudières dont le brûleur est un brûleur gaz pulsé traditionnel (souvent 2 allures) commercialisé séparément de la chaudière à condensation.
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.
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’O_2.

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. À 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.

Il n’y a plus de mazout 1000 ppm sur le marché en Belgique. Ni la problématique des échangeurs intégrés ou en aval des condenseurs, ni la problématique de la neutralisation des condensats, ne se posent plus.

La teneur maximale autorisée en soufre des fuels de chauffage, ces dernières années, a été abaissée à 50 ppm (gazoil extra : < 10 ppm selon la NBN EN 59590). L’adoption de cette disposition a permis l’ouverture du marché des chaudières à condensation au fuel. Aucun système de neutralisation des condensats n’est requis.

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.

> 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.

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 !!

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 œuvre) 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

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 :

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.
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.

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.

Découvrez cet exemple d’intégration d’une chaudière à condensation pour la résidence « Les Trois Rois » à Liège.

Peut-on placer une chaudière à condensation quand on a des aérothermes ?

Les aérothermes à eau chaude, fréquemment utilisés pour chauffer de grands espaces tels que les ateliers ou les halls sportifs, sont confrontés à de nouveaux défis et opportunités dans le contexte de l’efficacité énergétique actuelle.

Avantages et défis des aérothermes :

Rapidité de chauffage (faible inertie) : permet un chauffage intermittent et efficace.
Occupation de l’espace minimale : ne prend pas de place au sol.
Puissance de chauffage élevée par unité.

Cependant, ils présentent également des limites :

Confort restreint : risque de courants d’air et bruit des ventilateurs.
Stratification de la température : chauffage inutile de l’espace sous le toit à une température élevée.
Dimensionnement traditionnel : basé sur un régime de température d’eau élevé, incompatible avec la condensation efficace dans les chaudières modernes.

Si l’on diminue la température d’eau envoyée dans l’aérotherme pour favoriser la condensation dans la chaudière, la puissance de ces corps de chauffe baisse assez significativement. En outre, l’air pulsé est plus froid et le risque d’inconfort augmente.

Ainsi, si les aérothermes existants sont correctement dimensionnés pour un régime d’eau élevé, on ne pourra pas diminuer la température de l’eau envoyée dans les émetteurs lorsqu’il fait froid, et on risque donc de ne pas condenser dans la chaudière pendant ces périodes.

Solutions et Optimisations :

Adaptation de l’installation : Utiliser des sondes extérieures pour ajuster la température de l’eau de chauffage en fonction des besoins. Il sera alors possible de profiter de la condensation dans la chaudière en mi‐saison, lorsque la température extérieure, plus douce, implique des besoins de chaleurs moins importants.

Si l’installation existante est surdimensionnée ou que l’on a réalisé des travaux d’isolation qui permettent de diminuer les besoins de chaleur, on pourra alimenter les aérothermes avec une température d’eau plus basse et on favorisera donc la condensation durant une plus grande partie de la saison de chauffe.

Conseils pour les nouvelles installations :

Dimensionnement adapté : Choisir des aérothermes conçus pour fonctionner à des régimes de température d’eau plus bas, favorisant la condensation (par exemple, 45/35 pour le mazout et 50/40 pour le gaz).

Paragraphe réalisé par l’ICEDD (Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable) – https://www.icedd.be/.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Calcul d’un vase d’expansion à pression variable

Nous reprenons ici la méthode de dimensionnement des vases d’expansion fermé à pression variable. Pour les vases d’expansion à pression constante que l’on peut retrouver dans les très grosses installations, nous renvoyons le lecteur intéressé au rapport technique du CSTC (n°1 – 1992) ou au document « Méthode de calcul pour vases d’expansion dans des installations de chauffage et de refroidissement central » du SAPC de la régie des bâtiments.

Etape 1 : déterminer le volume de l’installation V_inst

Pour une nouvelle installation

La contenance en eau totale d’une nouvelle installation peut être calculée en sommant :

La contenance des conduits. Le calcul du réseau révèle la longueur totale des tubes par diamètre de conduite. Il faut donc multiplier cette longueur par la contenance en eau de chaque tronçon, en fonction des tableaux suivants :

Tuyaux en acier
Diamètre		Contenance en eau [l/m]
DN10	3/8″	0,1227
DN15	1/2″	0,2011
DN20	3/4″	0,3664
DN25	1″	0,5811
DN32	5/4″	1,0122
DN40	6/4″	1,3723
DN50	2″	2,3328
DN65	2 1/2″	3,8815
DN80	3″	5,3456
DN100	4″	9,0088
DN125	5″	13,6226
DN150	6″	19,9306
Tuyaux en cuivre
Diamètre		Contenance en eau [l/m]
de x s [mm]	di [m]	Contenance en eau [l/m]
12 x 1	0,010	0,079
14 x 1	0,012	0,113
15 x 1	0,013	0,133
16 x 1	0,014	0,154
18 x 1	0,016	0,201
20 x 1	0,018	0,254
22 x 1	0,020	0,314
28 x 1,5	0,025	0,491
34 x 1,5	0,031	0,755
42 x 1,5	0,039	1,195
Tuyaux synthétiques
Diamètre		Contenance en eau [l/m]
de x s [mm]	di [m]	Contenance en eau [l/m]
12 x 2	0,008	0,050
14 x 2	0,010	0,079
16 x 2	0,012	0,113
17 x 2	0,013	0,133
18 x 2	0,014	0,154
20 x 2	0,016	0,201

La contenance en eau des appareils : radiateurs, convecteurs, chaudières, aérothermes, … spécifiée dans la documentation technique des fabricants.

Pour une installation existante

Pour les installations existantes dont le réseau de conduites est inconnu, la contenance en eau totale peut être estimée sur base des ratios suivants :

Composants de l’installation	Contenance en eau [l/kW]
Chaudière en fonte	0,2 .. 1,5
Chaudière en acier	0,7 .. 4,5
Radiateurs à panneaux	2,5 .. 7
Radiateurs à éléments (acier)	8 .. 16
Radiateurs en fonte	5 .. 10
Radiateurs en aluminium	1 .. 6
Convecteurs	0,3 .. 2,5
Conduites (raccordement bitube)	1,5 .. 4
Conduites (raccordement monotube)	1 .. 2
Installation complète avec :
Radiateurs à panneaux (dim. en régime 90/70)	10
Radiateurs à éléments (acier) (dim. en régime 90/70)	14
Radiateurs en fonte (dim. en régime 90/70)	12,5
Convecteurs (dim. en régime 90/70)	6
Chauffage par le sol (pour T eau moyenne 40°C)	17

Exemple.

Une ancienne installation est équipée de radiateurs à panneaux et d’une chaudière en fonte de 400 kW. Sa contenance en eau est estimée à :

Suivant l’estimation par composants

Contenance en eau de la chaudière :

400 [kW] x (0,2 .. 1,5) [l/kW] = 80 .. 600 [l]

Contenance en eau des radiateurs :

400 [kW] x (2,5 .. 7) [l/kW] = 1 000 .. 2 800 [l]

Contenance en eau des conduites :

400 [kW] x (1,5 .. 4) [l/kW] = 600 .. 1 600 [l]

Contenance en eau totale de l’installation :

de 80 [l] + 1 000 [l] + 600 [l] = 1 680 [l] à 600 [l] + 2 800 [l] + 1 600 [l] = 5 000 [l]

Suivant l’estimation globale

Contenance en eau totale de l’installation :

10 [l/kW] x 400 [kW] = 4 000 [l]

Etape 2 : calculer le volume d’expansion de l’eau V_exp

Le volume d’expansion est l’augmentation de volume de l’eau dû à son réchauffement. Pour calculer le vase d’expansion, on considère que l’eau est réchauffée de 10°C à 90°C.

V_exp= V_instx C_exp

où,

V_exp= le volume d’expansion de l’eau [l]
C_exp= coefficient d’expansion

Température de l’eau [°C]	C_exp
10	0
20	0,0014
30	0,0040
40	0,0075
50	0,0117
60	0,0167
70	0,0224
80	0,0286
90	0,0355

Exemple.

Une ancienne installation est équipée de radiateurs à panneaux et d’une chaudière en fonte de 400 kW. Sa contenance en eau est estimée à 4 000 [l].

Le volume d’expansion de l’eau en passant de 10°C (eau de ville) à 90°C est de :

4 000 [l] x 0,0355 = 142 [l]

Etape 3 : calculer le volume d’eau net V_net

Le volume d’eau net est le volume d’eau dans le vase d’expansion en fonctionnement normal.

V_net= V_instx 0,01 + V_exp

où,

V_instx 0,01 est un volume de réserve qui a pour but de maintenir une quantité minimale d’eau dans le vase d’expansion lorsque l’installation est complètement refroidie (réserve de 1 %). Si cette réserve n’était pas prise en compte, l’installation risque d’entrer en dépression par rapport à son environnement chaque fois qu’elle se refroidit, ce qui favorise la pénétration d’air et la corrosion.

Exemple.

Le volume d’eau net du vase d’expansion est de :

V_net= 4 000 [l] x 0,01 + 142 [l] = 182 [l]

Etape 4 : calculer la pression de gonflage du vase P_gon

La pression de gonflage est la pression régnant dans le vase d’expansion qui ne contient pas encore d’eau, par exemple, avant qu’il ne soit raccordé à l’installation.

Règle générale

Elle doit être choisie pour que lorsque l’installation est entièrement refroidie, il règne encore une surpression de 0,5 bar au point le plus haut de l’installation. Pour une installation dont la température de l’eau ne dépasse pas 100°C, on prend donc comme pression de gonflage la pression qu’engendre la hauteur de l’installation à laquelle on rajoute 0,3 bar.

P_gon[bar] = (h [m] / 10) + 0,3 [bar],

avec un minimum à respecter de 0,5 bar.

Où,

h est la différence de hauteur [m] entre le vase d’expansion considéré comme étant au point le plus bas de l’installation et le point le plus haut de l’installation.

Exemple.

La distance h qui sépare le vase d’expansion du radiateur le plus haut est de 12 m.

Pression de gonflage du vase d’expansion :

P_gon [bar] = (12 [m] / 10) + 0,3 [bar] = 1,5 [bar]

Conditions particulières à vérifier

Les deux conditions qui suivent doivent en plus être vérifiées si :

dans une construction basse (la hauteur entre les points extrêmes de l’installation est réduite),
lorsque la hauteur et/ou la distance entre le vase d’expansion et le circulateur et/ou la chaudière sont grandes.

Pour éviter la cavitation des circulateurs

Il apparaît lorsqu’une dépression est entretenue à l’aspiration du circulateur.

Le facteur NPSH est spécifié par les fabricants de pompe, dans leur catalogue. C’est la pression minimale qu’il faut respecter à l’entrée de leur pompe pour éviter la cavitation.

La pression minimale au niveau du vase d’expansion ne peut descendre en dessous de :

P_gon[bar] > NPSH [bar] + (h_{XP [m] / 10)}+ Δp_XP [bar]

où,

NPSH = pression d’aspiration nette du circulateur précisée par le fabricant [bar] (1 bar = 10 mCE = 100 kPa)
h_XP= hauteur entre le point de raccordement du vase d’expansion et la pompe [m]

Δp_XP= perte de charge du tronçon de conduite reliant le circulateur au vase d’expansion, y compris la perte de charge de la chaudière si elle se trouve entre le circulateur et le vase d’expansion [bar]

Exemple.

Reprenons l’exemple précédent. La distance qui sépare le vase d’expansion du radiateur le plus haut est de 12 m. La hauteur qui sépare la pompe du vase d’expansion est de 1 m. La perte de charge de la conduite qui sépare le vase d’expansion du circulateur est de 0,4 kPa (100 Pa/m pour 4 m) ou 0,004 bar. Celle de la chaudière est de 0,002 bar.

Le fabricant de la pompe annonce un NPSH de 2 m de CE (ou 0,2 bar).

Pression de gonflage du vase d’expansion :

P_gon [bar] = 0,2 + (1 / 10) + 0,006 = 0,306 [bar]

C’est la valeur de 1,5 bar calculée dans l’exemple précédent qui sera choisie.

Pour éviter l’ébullition dans la chaudière

Une situation analogue se présente lorsque le fabricant d’une chaudière impose une pression minimale dans la chaudière pour éviter l’ébullition de l’eau qui sera source de bruit et de dégâts.

P_gon[bar] > P_chau[bar] + (h_{XC [m] / 10)}+ Δp_XC [bar]

où,

P_chau= pression minimale dans la chaudière imposée par le fabricant [bar] (1 bar = 10 mCE = 100 kPa)
h_XC= hauteur entre le point de raccordement du vase d’expansion et le point le plus haut de la chaudière [m] (cette pression est positive si le point de raccordement du vase est plus bas que le point haut de la chaudière et négative dans le cas inverse)
Δp_XC= perte de charge du tronçon le point de raccordement du vase d’expansion et le point haut de la chaudière (chaudière comprise) [bar]

Étape 5 : calculer la pression maximale admissible P_max

La pression maximale admissible « P_max » est la pression que l’on ne peut dépasser au niveau du vase d’expansion lorsque l’installation est réchauffée. Elle est atteinte à la pression d’ouverture de la soupape de sécurité de la chaudière « P_s« .
Si le vase d’expansion est proche de la chaudière « P_max » est presqu’égal à « P_s« .
L’écart est important si :

la différence de hauteur entre le vase d’expansion et la soupape de sécurité est grande,

la pompe est placée entre le vase d’expansion et la chaudière (la pression effective de la pompe doit être prise en compte).

P_max [bar] = P_s + (hXS / 10) – P_P

P_p = pression de la pompe (n’est prise en compte que si la pompe est entre le vase et la chaudière [bar]) (1 bar = 10 mCE = 100 kPa)
h_XS= hauteur entre le point de raccordement du vase d’expansion et la soupape de sécurité [m] (cette pression est positive si le point de raccordement du vase est plus bas que le point haut de la chaudière et négative dans le cas inverse).

Etape 6 : calculer la pression finale P_fin

C’est la pression que l’on ne peut dépasser dans l’installation en fonctionnement.

P_fin[bar] = P_max– 0,5

Exemple.

Si la soupape de sécurité est réglée à 3 bar et que le vase d’expansion est proche de la chaudière :

P_fin[bar] = 3 [bar] – 0,5 [bar] = 2,5 [bar]

Etape 7 : choisir le volume réel du vase d’expansion V_r

Le volume du vase d’expansion choisi doit être supérieur à :

V_r[l] > V_net[l] / F_p

où,

F_p est appelé facteur de pression. F_p= (P_fin[bar] – P_gon[bar]) / (P_fin[bar] + 1)

Exemple :

Le volume d’eau net du vase d’expansion est de :

V_net= 4 000 [l] x 0,01 + 142 [l] = 182 [l]

Si la soupape de sécurité est réglée à 3 bar et que le vase d’expansion est proche de la chaudière :

P_fin[bar] = 3 [bar] – 0,5 [bar] = 2,5 [bar]

La distance qui sépare le vase d’expansion du radiateur le plus haut est de 12 m :

P_gon[bar] = (12 [m] / 10) + 0,3 [bar] = 1,5 [bar]

V_r[l] > 182 [l] x (2,5 [bar] + 1) / (2,5 [bar] – 1,5 [bar])

V_r[l] > 637 [l]

On choisira un ou plusieurs vases d’expansion pour un volume total de 650 litres.

Etape 8 : Calculer la pression initiale P_ini

C’est la pression initiale à régler au manomètre, lorsque l’installation est froide.
Elle dépend du volume d’eau de réserve « V_res » réellement obtenu avec la vase d’expansion choisie :

V_res[l] = F_px V_r[l] – V_exp[l]

= (P_fin[bar] – P_gon[bar]) / (P_fin[bar] + 1) x V_r[l] – V_exp[l]

P_ini[bar] = (V_r[l] x (P_gon[bar] + 1) / (V_r[l] – V_res[l])) – 1

Exemple.

Une ancienne installation est équipée de radiateurs à panneaux et d’une chaudière en fonte de 400 kW. Sa contenance en eau est estimée à 4 000 [l] et son volume d’expansion de l’eau est 142 [l], la pression finale maximale est de 2,5 [bar] et la pression de gonflage est de 1,5 [bar] et le volume du vase choisi est de 650 [l].

Le volume de réserve réellement obtenu avec ce vase est de :

V_res[l] = ((2,5 [bar] – 1,5 [bar]) x 650 [l] / (2,5 [bar] + 1)) – 142 [l] = 43,7 [l]

La pression initiale à régler au manomètre de l’installation (c’est-à-dire la pression relative) est donc de :

P_ini[bar] = (650 [l] x (1,5 [bar] + 1) / (650 [l] – 43,7 [l])) – 1 = 1,7 [bar]

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Pertes de chaleur des conduites et vannes non isolées

Les conduites

Le tableau suivant indique les pertes des tuyaux en acier par mettre courant en fonction de leur diamètre, de la température entre l’eau chaude et de la température ambiante.

Perte de chaleur d’un tuyau en acier non isolé en [W/m]
DN [mm]	10	15	20	25	32	40	50	62	80	100
Diam [pouce]	3/8″	1/2″	3/4″	1″	5/4″	1 1/2″	2″	2 1/2″	3″	4″
T_eau – T_air:
20°C	11	13	17	21	26	30	38	47	55	71
40°C	22	29	36	45	57	65	81	101	118	152
60°C	36	46	58	73	92	105	130	164	191	246
80°C	52	67	84	105	132	151	188	236	276	355

Les pertes calorifiques des canalisations enterrées sont plus faibles que dans l’air, en moyenne de 10 à 35 %.

Les vannes

Les vannes présentes une surface déperditive nettement plus importante qu’un tuyau du même diamètre.

Perte thermique des vannes et brides en équivalent de longueur de tuyauterie de même diamètre Source : « le Recknagel » (1996).
Accessoire	DN	Température de la tuyauterie
Accessoire	DN	50°C	100°C
Vanne	25	0,5 m	1,0 m
	100	1,2 m	2,5 m
	300	3,0 m	6,0 m
Paire de brides	25	0,2 m	0,4 m
	100	0,5 m	1,0 m
	300	1,5 m	3,0 m

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Diagnostiquer les causes de rupture d’une chaudière

Diagnostiquer les causes de rupture d'une chaudière

Fissuration d’éléments côté « retour »

Cause

L’eau des circuits revient trop froide vers la chaudière qui elle est chaude. Il en résulte un choc thermique dans la fonte qui casse.

Exemple.

À la relance matinale, les chaudières maintenues à température élevée, voient leur température de retour s’abaisser brutalement, parce que toute l’eau froide de l’installation « déboule » dans la chaudière.

Durant la nuit.

A la relance.

Ce sera également le cas avec une chaudière maintenue en température en été pour produire de l’eau chaude sanitaire, au moment de la demande.

Ou encore, dans ce dernier cas, si la régulation fonctionne suivant le principe de la priorité sanitaire. À ce moment, lorsque la demande d’eau chaude sanitaire est importante, la température de l’eau dans le circuit de chauffage aura le temps de descendre. À la fin du puisage d’eau chaude, la remise en route du « côté chauffage » va envoyer l’eau froide des circuits directement vers la chaudière encore chaude.

La même situation se présente, en mi-saison, si la chaudière travaille en basse température et qu’elle remonte sa température lors d’une demande d’eau chaude sanitaire. Au moment du réenclenchement du chauffage, la chaudière ne sera pas redescendue en température pour recevoir l’eau tiède des circuits chauffage.

Solutions

Il faut contrôler la température minimale de retour et ralentir l’abaissement de cette température.

> Solution 1 : placer un circulateur de recyclage.

Ce circulateur peut être placé en by-pass ou en série. Il tempérera la chute de température dans la chaudière grâce au recyclage d’une partie de l’eau chaude de départ.

Placement d’un circulateur de by-pass.

Placement d’un by-pass avec circulateur en série avec la chaudière.

Attention, lorsque le circulateur est placé en by-pass, il faut être particulièrement attentif à son bon choix, pour éviter tout problème hydraulique, comme par exemple des circulations inverses.

Calculs

Pour en savoir plus sur le dimensionnement d’un circulateur de by-pass.

Dans le cas d’un circulateur placé en série, le circuit hydraulique des chaudières est séparé des circuits utilisateurs, comme avec une bouteille casse-pression. Dans ce cas, le débit de la pompe sera au moins égal à la somme des débits des circuits utilisateurs.

> Solution 2 : agir sur les vannes 3 voies des circuits.

A la relance, le régulateur libère la ou les vannes des différents circuits juste ce qu’il faut pour que la température de retour ne tombe pas sous la valeur de limitation. A la limite, par exemple au démarrage de l’installation, la chaudière ne reçoit absolument aucune eau en provenance des circuits.

Cette solution convient :

si tous les régulateurs et toutes les vannes sont regroupées,
ou si le verrouillage de quelques circuits les plus importants suffit pour assurer une température de retour minimale.

> Solution 3 : placer une vanne 3 voies sur le circuit de retour.

Cette solution convient si les départs sont fort éloignés, s’ils sont munis de vannes manuelles ou même sans vannes, ou encore munis de régulateurs de marques différentes …
Dans le cas d’une chaufferie avec plusieurs chaudières régulées en cascade, on peut envisager le placement de vanne 3 voies sur chaque chaudière (vanne 3 voies progressive thermique car plus lente).

Fissuration d’éléments aux jonctions ou au surplomb du foyer

Cause

Le manque de débit dans une chaudière entraîne la vaporisation superficielle de l’eau au niveau de l’échangeur. Il en résulte l’apparition de corrosion et d’érosion dues à la cavitation ou encore des chocs thermiques pouvant provoquer une fissuration prématurée du métal.

Ceci est critique pour les chaudières ayant une très faible capacité en eau. Dans ce cas le moindre défaut d’irrigation peut être fatal.

Le manque d’irrigation d’une chaudière peut être dû :

au circuit hydraulique (circuit primaire en boucle ouverte),
à la production d’eau chaude sanitaire en été (maintien en température de la chaudière),
à la présence de boue dans l’installation,
à la régulation (ex : uniquement sur le circulateur),
au placement de vannes thermostatiques sans soupape de décharge.

Solutions

Asservir le fonctionnement du brûleur à l’existence d’un débit suffisant, par le biais d’un « contrôleur de débit » (flow-switch) placé dans le circuit de la chaudière. Cette sécurité doit être d’office prévue quel que soit le type de circuit de distribution.
Garantir un débit minimum d’irrigation par l’action d’un circulateur en by-pass sur la chaudière. Le fonctionnement du brûleur est asservi au fonctionnement de celui-ci.
Prévoir une soupape à pression différentielle placée en « by-pass » sur la distribution hydraulique.
Construire une boucle primaire à débit constant.
Prévoir une post-circulation hydraulique après extinction du brûleur, avant l’éventuel arrêt de l’irrigation. En effet même si le brûleur est arrêté, la quantité de chaleur emmagasinée dans la chaudière est telle que à l’arrêt du circulateur, la température de la chaudière peut atteindre des valeurs inacceptables.
Placer un filtre ou plutôt un pot de décantation sur le retour de l’installation afin d’éviter la sédimentation dans les fonds d’éléments et le bouchage de conduites.

Exemple.

Endroit de prédilection de dépôt de boue dans une chaudière à triple parcours. La présence de ces boues limite le débit, diminue l’échange, provoquant des surchauffes locales.

Gonflement du foyer et aspect spongieux avec rouille

Cause

Il s’agit d’une montée en température excessive de la paroi. La cause peut en être un coup de feu dû à une flamme heurtant le fond du foyer ou non placée dans l’axe du foyer ou encore à un entartrage de l’échangeur.

Exemple.

Une chaudière neuve à foyer moins profond que la précédente est munie de l’ancien brûleur pulsé. Ce dernier produit une flamme trop longue et l’absence de garniture réfractaire produit finalement une fissure de l’élément arrière à la hauteur du point chaud.

Les chaudières atmosphériques gaz ont la partie inférieure de leur échangeur juste au-dessus des flammes. En cas de dépôt calcaire ou de boues sur cette partie, la température élevée de la fonte commence à endommager celle-ci.

Température de la paroi d’une chaudière avec ou sans entartrage.

Solutions

Traiter les eaux d’appoint. Attention toutefois de ne pas créer d’autres problèmes de corrosion.
Prévoir un dispositif de purge de la partie basse de la chaudière afin de désembouer.
Placer un pot de décantation sur le retour des circuits (pour empêcher la sédimentation à basse vitesse dans les fonds d’éléments).
Certains constructeurs ont prévu un thermostat palpant la température du fond des chaudières atmosphériques, ne pas le supprimer en tous cas, déterminer la cause de sa coupure éventuelle.
Contrôler l’état et le dimensionnement du vase d’expansion.
Améliorer la garniture réfractaire éventuelle.
Contrôler et modifier si nécessaire la puissance de la flamme qui doit être en correspondance avec la puissance de la chaudière.

Corrosion côté « fumées »

Dans une chaudière, les fumées condensent à une température d’environ 50°C. Dans le cas de la combustion du fuel, la vapeur d’eau se combine avec le soufre contenu dans le combustible pour former de l’acide corrosif pour les chaudières.

Une chaudière traditionnelle se corrodera si, en certains endroits, la température des fumées descend trop bas.

Cela est possible :

Si la température de l’eau au retour des circuits descend en dessous de 50°C et que la chaudière n’est pas prévue pour travailler à très basse température. En effet, on peut considérer que, dans ce cas, la température de la paroi de l’échangeur, côté « fumées » est presque égale à la température de l’eau. Cette situation peut apparaître de façon transitoire lors des relances matinales, lors d’une relance pour produire de l’eau chaude sanitaire ou de façon permanente si la régulation entraîne un fonctionnement en température glissante (régulation en fonction de la température extérieure, régulation par thermostat d’ambiance agissant sur le brûleur).

Si la puissance du brûleur est trop faible par rapport à la puissance de la chaudière : la surface du foyer par kW de flamme augmente lorsque la puissance du brûleur diminue. Les fumées se refroidissent donc plus. Par exemple, la plupart des fabricants de chaudières très basse température recommandent de travailler à température élevée constante lorsque l’on utilise un brûleur modulant, pour éviter la condensation à faible charge.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Hydro-éjecteurs

Hydro-éjecteurs (corps en fonte ou en bronze).

Le principe de fonctionnement de l’hydro-éjecteur

Un hydro-éjecteur a la même fonction qu’une vannes 3 voies mélangeuses traditionnelles : mélanger de l’eau de départ chaude avec de l’eau de retour froide pour obtenir la température d’eau voulue au niveau des circuits secondaires.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Schéma principe de fonctionnement de l'hydro-éjecteur.

L’eau chaude en provenance du circuit primaire est accélérée en passant dans un orifice calibré et réglable. Cette accélération provoque une dépression qui aspire une partie de l’eau froide de retour. Le débit moteur d’eau chaude transmet une partie de son énergie cinétique au débit aspiré et les deux débits atteignent, à la fin du diffuseur, la même vitesse, garantissant la circulation du mélange créé dans le circuit secondaire.

Ainsi, contrairement aux vannes mélangeuses, les hydro-éjecteurs ne nécessitent pas la présence d’un circulateur secondaire. La force motrice du mélange est fournie entièrement par la pompe primaire.

Le circuit hydraulique associé aux hydro-éjecteurs

L’utilisation d’hydro-éjecteurs en lieu et place de vannes 3 voies mélangeuses traditionnelles implique une modification de la structure du circuit de distribution :

Les circulateurs secondaires disparaissent.
La présence d’un circulateur primaire est obligatoire pour induire une pression suffisante à l’entrée de chaque hydro-éjecteur. Ce circulateur devra par ailleurs avoir une hauteur manométrique plus importante que dans le cas des circuits primaires traditionnels, pour vaincre la résistance des hydro-éjecteurs.
Le collecteur primaire devra être équipé d’une vanne de by-pass motorisée qui permettra dans certains cas de réguler la température de retour vers les chaudières et la pression dans le collecteur.

Circuit traditionnel, par exemple avec circuit en boucle ouverte et circulateur de by-pass pour garantir un débit minimal dans la chaudière.

Circuit avec hydro-éjecteurs.

La régulation associée aux hydro-éjecteurs

Comme dans une installation traditionnelle, la température des circuits secondaires est régulée en fonction de la température extérieure, au moyen des hydro-éjecteurs qui adaptent leur ouverture et leur degré de mélange.

En fonction du degré d’ouverture des hydro-éjecteurs, la pression varie dans le collecteur primaire. Le circulateur du circuit primaire est de préférence à vitesse variable. Il adaptera alors sa vitesse en conséquence. Si le circulateur est à vitesse constante, la pression dans le collecteur sera régulée par la vanne de by-pass motorisée, ce qui est une solution moins intéressante du point de vue énergétique.

Exemple.

Les hydro-éjecteurs (on peut également visualiser le filtre en amont pour protéger l’hydro-éjecteur des boues).

Durant la nuit, l’entièreté de l’installation est à l’arrêt (pompe primaire et chaudière à l’arrêt et hydro-éjecteurs fermés).

A la relance matinale, la chaudière et la pompe s’enclenchent, les hydro-éjecteurs s’ouvrent en grand.

Si la chaudière ne supporte pas une température de retour trop basse, la vanne de by-pass va s’ouvrir, permettant à une partie de l’eau chaude d’être renvoyée vers la chaudière. Cela aura pour autre conséquence de diminuer la différence de pression aux bornes des hydro-éjecteurs et par là, diminuer le débit puisé par les circuits secondaires. La quantité d’eau froide renvoyée par ceux-ci diminuera aussi. L’effet de l’ouverture du by-pass sur la température de retour est ainsi encore accentué.

Vanne de by-pass motorisée et capteur de pression différentielle en bout de collecteur.

On peut aussi, en fonction du type de chaudière, prévoir de maintenir les hydro-éjecteurs fermés un certain temps à l’allumage de la chaudière : la pompe se mettant en marche, la pression augmente dans le collecteur, les capteurs de pressions commandent alors l’ouverture de la vanne de by-pass pour permettre à la chaudière de « tourner sur elle-même » et de se réchauffer rapidement, réduisant ainsi les risques de condensation.

De plus, il est possible, comme pour les vannes 3 voies, de prévoir une ouverture par palliers des hydro-éjecteurs pour éviter qu’un trop grand débit d’eau froide ne « déboule » alors subitement vers la chaudière chaude.

En régime, l’ouverture des hydro-éjecteurs s’adapte pour obtenir la température d’eau définie par les besoins.

Pompes avec variateur de vitesse séparé pour permettre une mesure de la consigne de pression en bout de collecteur et non aux bornes du circulateur.

Le circulateur varie automatiquement sa vitesse pour maintenir une pression constante en bout de collecteur. La vanne de by-pass est en principe en permanence fermée, sauf si la chaudière exige un débit minimal.

Dans ce cas, on applique une régulation en cascade sur base de la pression du collecteur : si la pression augmente (fermeture des hydro-éjecteurs), c’est d’abord le circulateur qui diminue sa vitesse jusqu’à un certain seuil minimal. Si la pression continue malgré tout d’augmenter, c’est alors la vanne de by-pass qui s’ouvre progressivement.

Il est également possible de travailler avec un circulateur à vitesse constante. Dans ce cas, c’est la vanne de by-pass qui assure, à elle seule, la régulation de pression. Cette situation est moins performante car entraîne une consommation constante du circulateur.

Avantages et inconvénients

Les fabricants d’hydro-éjecteurs présentent leur technique comme énergétiquement très performante.
En quoi des économies d’énergie peuvent être ainsi réalisées ?

La première économie provient d’un dimensionnement plus précis de la pompe primaire. En effet pour pouvoir fonctionner correctement, l’hydro-éjecteur doit être choisi en connaissant parfaitement les caractéristiques du réseau hydraulique sur lequel il s’installe. Il en résulte en final un calcul plus précis des pompes et un débit réel mieux adapté aux besoins.
Notons que cet avantage serait inexistant si, comme les règles de l’art le veulent, les installations avec vannes 3 voies faisaient l’objet d’une même attention dans le dimensionnement.
On peut donc dire qu’une installation avec hydro-éjecteurs consommera, en pratique, moins d’électricité, parce qu’elle demande une conception plus rigoureuse (ce qui pourrait être considéré comme une inconvénient par certains concepteurs, notamment en rénovation).

On remplace plusieurs petits circulateurs par une grosse pompe ayant généralement un meilleur rendement. Cependant, la hauteur manométrique de cette pompe doit être importante pour vaincre la résistance hydraulique des hydro-éjecteurs. Le bilan global est donc difficile à établir.
Si on choisit l’option du circulateur à vitesse variable, des économies apparaissent clairement puisque le débit et la puissance électrique globaux de l’installation sont adaptés aux besoins réels.
La diminution du débit parallèle à la fermeture de l’hydro-éjecteur entraîne, pour une même température de départ du circuit secondaire, une diminution de la température de retour, ce qui est favorable aux performances des chaudières à condensation.

Outre les avantages énergétiques décrits ci-dessus, on peut citer les avantages économiques suivants :

diminution des frais d’investissement (moins de pompes, moins de câblage, tableau électrique plus simple),
robustesse du matériel issu de la technologie industrielle,
suppression des traditionnelles soupapes différentielles utilisées en présence de vannes thermostatiques. En effet, la fermeture des vannes thermostatiques entraîne une augmentation des pertes de charge dans le circuit. Les caractéristiques hydrauliques des éjecteurs font alors que le débit de recyclage aspiré diminue. La température de l’eau de départ du circuit secondaire augmente alors au-delà de la consigne et l’hydro-éjecteur réagit en se refermant. Le débit total dans le circuit secondaire se réduit donc automatiquement réduisant du même coup le bruit dans l’installation.

La technique des hydro-éjecteurs ne semble guère présenter d’inconvénient.

La fermeture de l’hydro-éjecteur pour diminuer la température de départ d’un circuit secondaire entraîne en parallèle une diminution de débit (alors que pour une installation avec vannes 3 voies traditionnelles, le débit dans le circuit secondaire est constant quel que soit le degré de fermeture de la vanne mélangeuse).

En cas de réseau déséquilibré, des problèmes d’inconfort risquent d’apparaître dans les locaux défavorisés. Mais cela peut-il être considéré comme un inconvénient par rapport aux vannes 3 voies, si on considère que de toute façon, quelle que soit la technique utilisée, un réseau de distribution doit être équilibré.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation de vitesse des circulateurs

Comment commander la vitesse de rotation d’un circulateur de chauffage ?

Pour comprendre les solutions à adopter sur les réseaux équipés de vannes deux voies, on décrit ci-dessous la situation hydraulique lors de la fermeture des vannes.

Que se passe-t-il lorsqu’une vanne thermostatique se ferme ?

La température est presque atteinte dans le local. Le débit d’alimentation du radiateur doit diminuer. La vanne se ferme.

Point de fonctionnement d’un circulateur. Lorsque la vanne thermostatique se ferme, la courbe caractéristique du circuit se redresse et le point de fonctionnement passe de F à F’.

L’augmentation de la perte de charge suite à la fermeture de la vanne entraîne une augmentation de la pression délivrée par le circulateur.

Mais on aurait pu également représenter cette évolution comme suit :

Le débit ayant diminué, le Δp du réseau a diminué également. Et une perte de charge locale supplémentaire Δp_vannea été provoquée pour freiner le débit.

Ce Δp_vanne est provoqué en pure perte ! Idéalement, c’est la vitesse du circulateur qui aurait du diminuer :

Diminution de la vitesse du circulateur pour atteindre de débit q’ souhaité.

H » est suffisant pour générer un débit q’ dans le radiateur !

La pompe s’adapte alors aux besoins et suit la courbe du réseau. La consommation énergétique est minimale.

« Freiner avec une vanne thermostatique, c’est un peu appuyer sur la pédale de frein sans lâcher l’accélérateur ! »

Mais les installations ne comprennent pas qu’un seul radiateur, et la solution qui consisterait à réguler la vitesse du circulateur par un thermostat d’ambiance et de se passer de vanne thermostatique n’est malheureusement pas applicable.

Et si on place une soupape à pression différentielle ?

Le débit qui ne passa pas dans le radiateur est à présent by-passé dans la soupape. Le circulateur n’y voit que du feu ! Autrement dit, la consommation restera identique.

Et si on place un circulateur à vitesse variable réglé pour maintenir la pression ?

Diminution de la vitesse du circulateur pour maintenir une pression constante dans le réseau. Le point de fonctionnement devient F »’

Cette solution apparaît comme une demi-mesure : le réseau n’a plus besoin d’une pression identique puisque le débit de l’eau a diminué, entraînant la diminution des pertes de charge. L’économie d’énergie est donc partielle.

Comparons les niveaux d’énergie des différentes solutions (les surfaces en vert symbolisent la puissance absorbée par le circulateur) :

Solution 1 : étranglement.

Solution 2 : réduction de vitesse pour maintenir une pression constante.

Solution 3 : réduction de vitesse suivant la courbe caractéristique du réseau.

Et si plusieurs vannes sont présentes sur le réseau?

Si plusieurs vannes sont présentes sur le réseau, faut-il toujours essayer de réduire la vitesse en restant sur la courbe du réseau ?

La situation est un peu plus complexe car plusieurs réseaux sont mis en parallèle et en série.

Si le réseau commun représente l’essentiel de la perte de charge : OUI

La fermeture de q₂ peut être interprétée comme dans le cas précédent, en bonne approximation.

C’est la cas des longs réseaux de chaleur entre chaufferie et sous-stations : le pilotage de la pompe nécessite des prises d’informations dans les sous-stations (télégestion obligatoire).

Si le réseau commun est court et que chaque radiateur comporte son propre circuit : NON

Lorsqu’un des radiateurs se fermera, le débit total diminuera mais son influence est faible sur les pertes de charges à vaincre par le circulateur. La pression disponible pour l’autre radiateur doit pratiquement rester identique.

Si le réseau est constitué d’associations multiples de radiateurs en parallèle et en série (cas le plus fréquent des réseaux de chauffage de grands bâtiments) ?

C’est la solution intermédiaire qui doit être rencontrée. De là, la solution proposée par certains fabricants de faire suivre une diminution linéaire de la pression lorsque le débit demandé diminue.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Plan d’action [Chauffage – nouvelle chaudière]

… ou vaut-il mieux investir dans le remplacement des chaudières ou dans une nouvelle régulation ?

Les améliorations obligatoires

Certaines situations peuvent être qualifiées d’inadmissibles : soit l’investissement à consentir est faible, et directement remboursé par les économies, soit les équipements sont performants mais leurs qualités ne sont pas exploitées correctement (mauvais réglage ou d’un défaut de raccordement).

Améliorer

Dans la première catégorie, on peut classer :

On retrouve dans la seconde catégorie :

Évaluer

la condensation correcte des chaudières du même nom, …

Si on ne peut tout faire … choisir l’amélioration adéquate

Ensuite, si le budget d’investissement est limité, se pose l’alternative suivante : vaut-il mieux investir dans l’amélioration, voire le remplacement des chaudières ou dans l’amélioration de la régulation ?

Un essai de réponse peut être donné au départ d’un exemple :

Exemple.

Une école est chauffée par une chaudière de 500 kW. Sa consommation est de l’ordre de 58 000 litres de fuel par an.

Le rendement saisonnier des chaudières est estimé à 76 % (situation des plus mauvaises).

La régulation globale de l’installation est défaillante, de sorte qu’en moyenne une surchauffe de 2°C est souvent constatée dans de nombreuses zones du bâtiment et aucune intermittence n’est appliquée au chauffage en période d’inoccupation (situation la plus mauvaise : chauffage durant les nuits et les week-ends) .

Comparons le gain réalisable grâce à chacune des améliorations prises séparément. Évidemment ces économies ne sont pas cumulables puisque si on améliore les chaudières, l’amélioration de la régulation aura moins d’impact.

Action	Gain			Investissement	Temps de retour
	[%]	[Litres fuel/an]	[€/an] (à 0,2116 [€/l])	[€]	[ans]
Remplacement du brûleur par un brûleur 2 allures avec clapet d’air fermant à l’arrêt et permettant un rendement de combustion de 89 % (au lieu de 84 %) (faisable uniquement si l’état mécanique de la chaudière le permet).	12	7 000	1 500	4 500	3
Remplacement de la chaudière par une chaudière traditionnelle haut rendement redimensionnée de 350 kW.	17	10 000	2 100	11 000	5,2
Remplacement de la régulation (remplacement de 4 vannes mélangeuses, placement d’un régulateur climatique gérant ces 4 circuits et intermittence par optimisation et placement de vannes thermostatiques sur 80 radiateurs)	30	17 000	3 600	8 000	2,2

En fait, le choix ne se limite pas à l’installation de chauffage. L’isolation de l’enveloppe entre également en balance. Celle-ci doit être pratiquée avant le remplacement de la chaudière. Il est en effet logique de diminuer les besoins énergétiques avant d’améliorer la façon dont on les satisfait. Cette opération est aussi plus rentable et permet de diminuer la puissance de la nouvelle chaudière.

On peut également dire que l’impact de la régulation peut être différent en fonction du type de bâtiment. Ainsi, pratiquer une coupure du chauffage dans un bâtiment à fort degré d’isolation et grande inertie n’apporte guère d’économie, ce ne sera pas le cas dans un bâtiment sans isolation et peu inerte.

Concevoir	Isoler une toiture plate.
Concevoir	Isoler une toiture inclinée.
Améliorer	Améliorer les chaudières.
Améliorer	Remplacer la ou les chaudières.
Améliorer	Améliorer la distribution.
Améliorer	Améliorer les corps de chauffe.
Améliorer	Améliorer la régulation.
Améliorer	Améliorer la maintenance.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Définir la rentabilité d’un projet « Pompe à chaleur »

Avis Important aux Lecteurs (mars 2024)

Cet article présente des informations basées sur les données et le contexte de 2007 concernant les pompes à chaleur (PAC). Bien que les principes fondamentaux et les concepts expliqués restent pertinents, il est important de noter que l’article restera inchangé et peut ne pas refléter les dernières avancées technologiques, les changements dans le marché de l’énergie, ou les évolutions des politiques d’incitation financière. En gardant cela à l’esprit, voici quelques conseils pour aider les lecteurs à mettre en perspective les informations fournies :

Considérez l’Évolution des Technologies : Les technologies des PAC ont considérablement évolué depuis 2007, offrant de meilleures performances et une efficacité accrue. Les valeurs de COP mentionnées peuvent donc avoir été dépassées par les modèles plus récents.
Tenez Compte des Changements dans le Mix Énergétique : La consommation en énergie primaire et les émissions de CO2 liées à l’utilisation des PAC peuvent avoir changé, notamment en raison d’une part accrue des énergies renouvelables dans le mix énergétique.
Actualisez les Informations sur les Coûts : Les données sur les coûts d’investissement et d’utilisation des PAC, ainsi que les incitations financières disponibles, peuvent avoir évolué. Il est conseillé de consulter des sources actuelles pour des estimations de coûts et de rentabilité plus précises.
Recherchez les Dernières Subventions et Incitations : Les programmes de subventions et les incitations fiscales pour l’installation de PAC sont susceptibles d’avoir changé. Il est important de se renseigner sur les aides financières les plus récentes pour maximiser la rentabilité de votre investissement.
Évaluez l’Impact Environnemental Actuel : Les impacts environnementaux des PAC, notamment en termes d’émissions de CO2, doivent être évalués à l’aune du mix énergétique actuel et des avancées dans les technologies de production d’électricité.

Nous invitons les lecteurs à utiliser cet article comme une base de connaissances tout en recherchant des informations supplémentaires et à jour pour prendre des décisions éclairées concernant l’utilisation des pompes à chaleur dans le contexte énergétique et environnemental actuel.

Une efficacité dépendante de la performance de la pompe

Quelle efficacité en énergie primaire si la PAC fonctionne avec l’électricité du réseau belge ?

A en croire certains fabricants, la pompe à chaleur « crée » de l’énergie gratuite « récupère » l’énergie solaire gratuite et renouvelable…

En analysant le bilan énergétique, on constate en effet que pour 3 kWh thermiques fournis, environ 2 kWh thermiques peuvent provenir de l’air extérieur ou de l’eau d’une rivière, donc des sources d’énergie renouvelable. Néanmoins, pour fonctionner, elle utilise alors 1 kWh d’énergie électrique. Or la production électrique provenant du réseau a un rendement moyen de 35 % (qui provient la production et des pertes de transport et distribution de l’électricité). Il faut donc approximativement 3 kWh en centrale pour donner 1 kWh à la PAC, … qui fournira 3 kWh en chaleur. Sur base de cette analyse, on voit que le potentiel de réduction de consommation en énergie primaire par rapport à un chaudière traditionnelle au gaz ou mazout n’est pas si évident. Sur base de chiffres plus précis, il est effectivement possible de démontrer que les PAC permettent un réduction de la consommation en énergie primaire. Néanmoins, comme montré dans le raisonnement ci-dessus, il faut s’attendre à une réduction de dizaines de pour cent, mais pas une diminution drastique par un facteur 2 ou 3.

Remarque : Par rapport au chauffage à résistances électriques, le chauffage par pompe à chaleur est donc écologiquement beaucoup plus performant. Mais si le maître d’ouvrage envisage de remplacer ses accumulateurs, il va ouvrir la comparaison à l’ensemble des moyens de chauffage …

Les performances en termes d’énergie primaire dépendent essentiellement de deux facteurs, le coefficient de performance annuel (COPA) ainsi que le facteur de conversion en énergie primaire, que nous appellerons ici « f », de l’électricité disponible sur le réseau belge. Nous reprenons ci-dessous la valeur de COPA pour les différents types de PAC selon trois sources différentes. Dans les deux dernières colonnes, on reprend la valeur minimale et maximale de COPA que l’on considère dans les estimations de performance que nous allons réaliser dans cette page.

Type	COPA (Source 2009 : EF4, facilitateur PAC de la Région wallonne)	COPA (Source 2008 : Paul Cobut, Energy Saving Services)	COPA (Source : rapport Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, ANRE)	COPA minimum calcul	COPA maximum calcul
Air-Air		2.8-3.5	2.7	2.5	3.5
Air-Eau	2.5-3.5	3.0-3.5	2.7	2.5	3.5
Eau-Eau	3-4.5		3.0-3.8	3.0	4.5
Eau glycolée-Eau	3-4	3.2-4.0	3.2-3.6	3.0	4.0
Sol-Eau	3-4	3.2-4.0	3.2-3.6	3.0	4.0
Sol-Sol	3-4	3.2-4.0	3.2-3.6	3.0	4.0
ECS		2.5-3.0		2.0	3.0

Synthèse des différentes valeurs de COPA diffusées par différentes sources : le facilitateur PAC de la Région wallonne, EF4, un spécialiste de la PAC en Belgique, Paul Cobut, un rapport du ministère du Ministère de la Communauté flamande sur l’installation des PAC.

La quantité d’énergie primaire consommée par kWh d’énergie thermique utile est calculée pour les différents types de PAC : plus la valeur est faible et plus la technologie est intéressante au niveau de la consommation en énergie primaire. À titre comparatif, les chaudières au gaz et au mazout se situent approximativement autour de 1.2-1.3.

On considère un scénario conservatif avec les valeurs les plus basses de COPA et un scénario positif avec les valeurs maximales. Premièrement, on considère un facteur de conversion pour l’électricité de notre réseau de 3.1. Cela veut dire que pour obtenir 1 kWh électrique en distribution, il faut compter 3.1 kWh en énergie primaire. Cette valeur correspond au cas réel de notre réseau qui produit essentiellement son électricité sur base d’énergie nucléaire (approximativement 60 %). A titre indicatif, on peut considérer la valeur de facteur de conversion prescrite par la PEB qui correspond à la part non nucléaire du réseau.

Type	COPA minimum calcul	COPA maximum calcul	Rapport Eprimaire/Eutile pour f = 3.1 et COPA minimum	Rapport Eprimaire/Eutile pour f= 3.1 et COPA maximum	Rapport Eprimaire/Eutile pour f =2.5 (PEB) et COPA minimum	Rapport Eprimaire/Eutile pour f = 2.5 (PEB) et COPA maximum	Rapport Eprimaire/Eutile par ANRE
Air-Air	2.5	3.5	1.25	0.88	1.0	0.71	0.9
Air-Eau	2.5	3.5	1.25	0.88	1.0	0.71	0.9
Eau-Eau	3.0	4.5	1.0	0.68	0.83	0.55	0.66-0.83
Eau glycolée-Eau	3.0	4.0	1.0	0.77	0.83	0.62	0.76
Sol-Eau	3.0	4.0	1.0	0.77	0.83	0.62	0.73
Sol-Sol	3.0	4.0	1.0	0.77	0.83	0.62	0.73
ECS	2.0	3.0	1.5	1.0	1.25	0.83

Rapport entre consommations en énergie primaire et énergie utile pour les différentes technologies de PAC suivant deux scénarios de COPA (conservatif et optimiste) et deux facteurs de conversion de l’électricité du réseau en énergie primaire.

Si on prend l’hypothèse la plus défavorable de COPA minimum avec un facteur de conversion de 3.1 (avec nucléaire), on voit que le rapport entre énergie primaire et énergie thermique utile délivrée est du même ordre de grandeur que pour les chaudières gaz ou mazout. Seule la production d’ECS donne des résultats moins intéressants. Par contre, dès que l’on travaille avec les meilleures performances de PAC (COPA max), les valeurs sont nettement plus intéressantes. Sur base de cette observation, nous proposons la conclusion suivante : avec les COPA attendu les plus faibles, les PAC sont aussi performantes que les chaudières en ce qui concerne l’énergie primaire, par contre, en travaillant sur base des meilleures performances, un gain substantiel est possible.

Cela met aussi clairement en évidence l’intérêt de travailler avec dans les meilleures conditions pour obtenir les meilleures performances : bon matériel, bonne conception, bonne régulation et bon maintien, entretien de l’installation. La qualité est un aspect très important. Il existe un label au niveau wallon pour l’installation des pompes à chaleur, le label PACQUAL : voir le site internet de RBF (Renewable Buiseness Facilitateur) qui représente les intérêts d’entreprises wallonnes actives dans le renouvelable.

Logo du label PACQUAL (Source : site internet RBF).

Quelle efficacité en émission de CO₂ si la PAC fonctionne avec l’électricité du réseau belge ?

Comme pour l’analyse de la consommation en énergie primaire, le coefficient de performance annuel de la PAC, le COPA, est un paramètre de première importance. Les valeurs introduites dans le tableau ci-dessus, valeurs typiques minimales et maximales, seront reprises pour l’évaluation des émissions de CO₂. En ce qui concerne l’électricité du réseau, nous tenons compte de la production des centrales nucléaires. Cela donne une émission de 302 grammes d’équivalents-CO₂ par kWh électrique consommé sur le réseau. À titre comparatif, nous avons placé dans le tableau les émissions caractéristiques de CO₂ pour un chauffage direct par l’électricité et par une chaudière au gaz (dont on considère que le rendement saisonnier est de 90 %, le cycle complet du combustible avec 232 grammes d’équivalent-CO₂ produits par kWh thermique final).

Type	COPA minimum calcul	COPA maximum calcul	Emission de CO₂ : COPA mininmum [gramme équivalent CO2/kWh]	Emission de CO2 : COPA maximum [gramme équivalent CO2/kWh]
Air-Air	2.5	3.5	120	86.28
Air-Eau	2.5	3.5	120	86.28
Eau-Eau	3.0	4.5	100	67.11
Eau glycolée-Eau	3.0	4.0	100	75.5
Sol-Eau	3.0	4.0	100	75.5
Sol-Sol	3.0	4.0	100	75.5
ECS	2.0	3.0	151	100
Chauffage électrique direct			302	302
Chauffage au gaz naturel			257	257

Émission de CO2 pour les différentes technologies de PAC suivant les deux scénarios de performance COPA.

Le résultat est sans appel : quelque soit le niveau de performance, COPA, considéré, les PAC émettent nettement moins de CO₂ que le chauffage traditionnel et, évidemment, que le chauffage électrique direct. C’est parfois un argument qui est avancé pour promouvoir l’installation des pompes à chaleur. Cet argument est correct, mais nous tenons néanmoins à donner une nuance. Le lecteur pourra ainsi se faire sa propre opinion.

Ces performances en émission de CO₂ des PAC proviennent essentiellement de la structure de la production électrique en Belgique, essentiellement dominée par les centrales nucléaires. Sur base des analyses de bilan CO₂ actuelles, le nucléaire émet très peu de CO₂. Dans le débat, il faut savoir aussi que certains groupes remettent en question cette hypothèse de départ. D’après ceux-ci, la production d’énergie par centrales nucléaires contiendrait beaucoup d’ « énergie grise » (pour la construction, démantèlement, gestion des déchets, …). Comme les centrales nucléaires émettent relativement peu de CO₂ et que les PAC consomment de l’électricité, les émissions de CO₂ sont donc relativement plus faibles, ce qui est tout bénéfice pour éviter le réchauffement climatique. Néanmoins, il ne faut pas perdre de vue que le nucléaire produit des déchets qui peuvent être potentiellement très dangereux pour l’environnement. La problématique des déchets nucléaires est un sujet bien connu. En conclusion, on a, quelques part déplacé le risque du réchauffement climatique (CO₂) vers le danger des déchets nucléaires.

Quelle efficacité environnementale si la PAC fonctionne avec l’électricité produite de manière renouvelable ?

Les conclusions données précédemment considéraient que l’électricité consommée par la PAC provenait du réseau, réseau essentiellement dans son état actuel. Les conclusions sont tout à fait différentes si on considère que l’électricité qui alimente la PAC est produite sur base d’énergie renouvelable. Dans ce cas, les performances environnementales des PAC sont remarquables.

Quelle rentabilité financière ? Investissement et coût à l’utilisation

Une installation de chauffage basée sur une PAC est généralement plus chère à l’investissement qu’une installation équivalente basée sur des chaudières traditionnelles. On l’observe du moins clairement dans le secteur domestique. Par contre, pour le domaine du tertiaire, nous manquons d’information.

En ce qui concerne le coût d’utilisation, les frais liés à la consommation d’électricité, le coefficient de performance annuel, COPA est encore central.

Nous allons reprendre notre petite étude avec la plage de valeurs de COPA rencontrées en pratique. Le prix de l’électricité est pris à 192 c€/kWh en heures pleines et 105 c€/kWh en heures creuses. Le prix du gaz est fixé à 70 c€/kWh. Ces valeurs sont caractéristiques du secteur domestique en juin 2009 (Source : Apere, Renouvelle). Les calculs suivants sont bien sûr des instantanés dans la mesure où le prix de l’énergie est amené à évoluer dans le temps.

Type	COPA minimum calcul	COPA maximum calcul	Coût : COPA minimum [c€/kWh] (elec de jour)	Coût : COPA maximum [c€/kWh] (elec de jour)
Air-Air	2.5	3.5	76.8	54.8
Air-Eau	2.5	3.5	76.8	54.8
Eau-Eau	3.0	4.5	64	42.6
Eau glycolée-Eau	3.0	4.0	64	48
Sol-Eau	3.0	4.0	64	48
Sol-Sol	3.0	4.0	64	48
ECS	2.0	3.0	96	64
Chauffage électrique direct (élec. de jour)			192	192
Chauffage électrique accumulation (élec. de nuit)			105	105
Chauffage au gaz naturel			77.8	77.8

Coût du kWh thermique utile produit pour des PAC fonctionnant avec l’électricité de jour (heures pleines). Le prix de l’énergie est aligné sur le secteur domestique à la date de juin 2009.

Le Tableau ci-dessus considère que les PAC fonctionnent essentiellement sur l’électricité de jour, en heures pleines durant lesquelles les prix sont les plus élevés. C’est donc un cas assez défavorable. Comparé à un système conventionnel comme une chaudière au gaz, on voit que les PAC air-air et air-eau sont comparables au gaz avec les COPA faibles. Pour les autres approches, l’énergie fournie est légèrement moins chère que le gaz. Par contre, en considérant les meilleures performances, on obtient des prix sensiblement plus intéressants que le gaz. Cela met encore une fois en évidence l’importance d’installations de PAC qui fonctionnent de manière optimale, et donc, présentant les meilleurs COPA.

On voit donc l’équilibre qu’il faut atteindre pour réaliser une installation rentable basée sur une PAC. L’investissement sera généralement plus cher que pour une chaudière traditionnelle, mais le coût d’utilisation sera moindre. Ces gains durant la durée d’utilisation du matériel doivent contrebalancer ce surinvestissement. Dans ce genre de calcul, on considère typiquement que la durée d’utilisation d’une pompe à chaleur ou une chaudière est de 20 ans. En d’autres termes, il faut récupérer les surinvestissements sur ces 20 années au maximum pour que le projet soit rentable.

Dans les calculs précédents, nous avons supposé que la PAC fonctionnait avec l’électricité de jour, en heures pleines. En fait, il est possible de stocker en partie la chaleur fournie par la PAC durant la nuit (chauffage par le sol, par ex.) et donc d’avoir une partie substantielle du coût en électricité de nuit. Néanmoins, cette gestion détériore le rendement du système de chauffage (forte inertie, difficulté de régulation en période ensoleillée, air extérieur plus foid la nuit si PAC Air/eau, …). En conclusion, il est difficile d’établir un prix du kWh en travaillant de cette manière.

Pourquoi ne trouve-t-on pas plus de pompes à chaleur dans nos maisons ?…

Supposons une PAC air-air. Elle doit fonctionner avec du courant de jour. Pour le particulier, le prix du kWh électrique est 3 x plus élevé que le prix du kWh thermique (gaz, fuel, …). Avec un COPA inférieur à 3, la rentabilité financière n’existe plus pour la PAC… Malgré un rendement de près de 300 % sur l’énergie électrique fournie, c’est pratiquement aussi cher que de produire la chaleur par un système traditionnel au gaz ou au fuel…

Supposons une PAC air-eau, avec un système de chauffage par le sol. Cette fois, l’inertie du chauffage par le sol permet d’utiliser le courant de nuit dont le prix du kWh est de l’ordre de 2 fois celui du kWh thermique. Ainsi, la PAC se justifie beaucoup mieux. Seul inconvénient : la régulation du chauffage par le sol est difficile (quelle charge du sol durant la nuit ? Quel temps fera-t-il demain ? Si les occupants sont absents toute la journée, pourquoi chauffer ? Si le sol est déjà chaud, l’arrivée des rayons solaires va provoquer une surchauffe…) et le système reperd une part de sa rentabilité par les pertes de régulation …

Bien sûr, l’usage de la PAC est nettement plus logique que le chauffage électrique, direct ou à accumulation. Ces derniers systèmes devraient d’ailleurs être interdits, pour protéger le consommateur(dépendant du choix fait par des promoteurs immobiliers) et la société (bilan écologique désastreux).

Une performance dépendant de divers facteurs

Dans la section précédente, nous avons clairement mis en évidence l’importance de travailler avec les meilleurs COPA pour atteindre les meilleures rentabilités et performances environnementales (analysées ici en termes d’émission d’équivalent CO₂ et de consommation en énergie primaire).

Ce coefficient de performance annuel, COPA, dépend de multiples facteurs faisant référence à tous les aspects d’un bâtiment. C’est pourquoi, pour assurer les meilleures performances, tous ces critères doivent être respectés au sein d’une approche globale. Suivant les présentations techniques de Paul Cobut (Energy Saving Services) de 2009, les différents paramètres influençant le COPA sont répertoriés de la manière suivante :

Les performances du matériel en tant que tel, de la PAC : Celles-ci sont traduites par le COP évalué en laboratoire dans des conditions d’essai reprises dans des normes. Il faut donc être vigilant par rapport à du matériel proposé par des fabricants ou installateurs dont les performances n’ont pas été certifiées.

Le type de captation de l’énergie (à la source froide) : On a développé longuement l’influence du type de source froides ainsi que de leurs caractéristiques. De manière générale, on dira qu’il est souhaitable d’avoir une source froide la plus chaude possible.

La zone climatique : Si on travaille avec l’air extérieur comme source froide, les performances seront d’autant meilleures que la température extérieure sera élevée. Les performances annuelles de la PAC seront donc influencée par la zone climatique à laquelle on appartient. On peut se rendre de compte de l’évolution des conditions météorologiques à l’échelle de notre territoire en analysant l’évolution des degrés-jours suivant les différentes localités.

Le type de chauffage : On a aussi bien développé l’influence du type de source chaude ainsi que leurs caractéristiques. De manière générale, on favorise les émetteurs basse température, que ce soit un chauffage par le sol ou par radiateurs basse température, pour atteindre la différence de température la plus faible entre la source chaude et froide et ainsi atteindre les meilleurs COP.

Le mode de vie : Sur base de ce constat, on peut aussi en déduire que le mode de vie, la façon dont les occupants gèrent la consigne de température dans le bâtiment a une influence : augmenter la température de consigne est équivalent à augmenter la température de la source chaude et donc synonyme de COP plus faible.

Affiches tirées de la partie Sensibilisation

Le mode de régulation : De même, l’influence du mode de régulation a été développée dans une autre page. Il s’agit d’une part, de la régulation de la PAC (mode « tout ou rien », avec « by-pass » ou « modulation de fréquence) mais aussi de la régulation de la PAC avec son appoint.

Fonction simple ou mixte : Le fait que la PAC doive produire la chaleur pour le chauffage des pièces et de l’ECS (fonctionnement mixte). La production d’ECS demande une température de la source chaude plus élevée (notamment pour la stratégie d’élimination du risque de légionnelles). Du coup, les performances seront plus faibles que pour le chauffage des locaux. Dans les raisonnements ci-dessus, un COPA distinct pour la production d’ECS a été considéré.

Une campagne de mesure sur site en Belgique

Généralement, les fiches techniques des fabricants de pompes à chaleur indiquent un COP instantanés mesuré en usine dans des conditions idéales. Les valeurs proposées sont donc peu instructives pour un calcul de rentabilité.
La Faculté Polytechnique de Mons procède à une campagne de mesure des performances de pompes à chaleur à usage domestique (chauffage d’habitation) dont les résultats partiels (après 5 mois d’études) sont les suivants :

PAC Air/ Air

Une première installation, d’une puissance de 13,4 kW + appoint électrique de 7,5 kW a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 2,15 (2.63 si on considère uniquement la pompe à chaleur). Le COP annoncé par le fournisseur était de 3,53 dans des conditions de température intérieure de 20°C et extérieure de 7°C.
Une seconde installation, d’une puissance de 10.5 kW + appoint électrique de 2,5 kW a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 1,41 (1,74 si on considère uniquement la pompe à chaleur). Le COP annoncé par le fournisseur était de 3,09 dans des conditions de température intérieure de 21°C et extérieure de 8°C.

PAC Air/ Eau

Une première installation, d’une puissance de 10,4 kW + convecteurs électriques d’appoint dans certaines pièces et résistance électrique d’appoint sur le circuit, a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 2,08 (3 si on considère uniquement la pompe à chaleur). Le COP annoncé par le fournisseur était de 3,92 dans des conditions de température extérieure de 7°C et d’eau de chauffage de 35°C.
Une seconde installation, d’une puissance de 16,28 kW + convecteurs électriques d’appoint dans certaines pièces (700 W) et résistance électrique d’appoint sur le circuit (6 kW) a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 2,8 (3,45 si on considère uniquement la pompe à chaleur). Le COP annoncé par le fournisseur était de 4,35 dans des conditions de température extérieure de 7°C et d’eau de chauffage de 35°C.

PAC Sol/Sol

Une première installation couvrant une partie de l’habitation (125 m²), d’une puissance de 10,1 kW + 3 appoints électriques dans les pièces chauffées par la PAC (total = 3,25 kW) et 5 appoints dans les pièces non chauffées (total = 4,25 kW), a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 2,54. Le COP annoncé par le fournisseur était de 3,99 dans des conditions – 5°C/30°C (surchauffe de 10°C et sur refroidissement nul).
Une seconde installation couvrant une partie de l’habitation (75 m²), d’une puissance de 6.8 kW + 3 appoints électriques dans les pièces chauffées par la PAC (total = 3 000 W) et 4 appoints dans les pièces non chauffées (total = 4 250 W), a donné un COP moyen mesuré sur 5 mois de 2,91. Le COP annoncé par le fournisseur était de 4,45 dans des conditions – 5°C/30°C (surchauffe de 10°C et sur refroidissement nul).
De quoi remettre les pendules à l’heure…

Frais d’investissement

Le principal facteur influençant le coût d’investissement de la PAC est la puissance du compresseur. Plus elle sera élevée, plus la pompe à chaleur sera chère.

Pour les petites puissances, la relation théorique entre la puissance du compresseur Q_c et le coût d’investissement (CI) est de l’allure suivante pour les PAC Air/Eau et Eau/Eau :

CI = 2 500. (Q_C) ^0,4

Frais d’investissement pour les PACs Air-Eau et Eau-Eau (Source KUL).

À cela, il ne faut pas oublier d’ajouter le coût du réseau de distribution (chauffage par le sol, par exemple) et des différents appareils annexes (compteur électrique,…). Pour les PAC bivalentes, il faut aussi tenir compte du coût de la chaudière traditionnelle.

Les ordres de grandeur des coûts d’investissement pour des pompes à chaleur de 10 à 12 kW présentes sur le marché belge (puissances typiques pour un logement d’une surface habitable de 150 m² isolée au niveau d’isolation K55) sont repris ci-dessous. Ces coûts comprennent les équipements d’appoints. Il est probable que ces coûts vont diminuer dans les prochaines années.

Système	COPs (y compris pertes de distribution)	Coûts d’investissement pour une puissance installée de 10 à 12 kW [€]
Air/ Air	2.5	8 750 à 9 400
Air/ Eau	2.9	9 400 à 10 500
Sol/ Eau	3.3	11 250 à 13 750

Source : Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable (ICEDD).

Néanmoins, l’utilisateur peut avoir intérêt à choisir des pompes de forte puissance. En effet, ramené au kW, les frais d’investissement décroissent avec la puissance. À titre d’exemple, voici l’évolution des frais d’investissement de pompes à chaleurs en Suisse en 1992 en fonction de la puissance nominale de chauffage (source Ravel). On voit ainsi que plus l’installation sera puissante, moins le kW thermique installé sera cher.

À noter qu’une pompe à chaleur n’a besoin ni de cheminée, ni de citerne, ce qui permet de réduire le coût du gros œuvre.

Dans les études de rentabilité des PAC, on considère typiquement que le durée d’utilisation de l’installation est de 20 ans. A titre d’exemple, les expériences d’installations aux États-Unis (on estime à environ 940 000 le nombre d’installations ces dernières années) indiquent des durées de vie moyennes de l’ordre de 17 ans.

Dans le cas particulier des pompes domestiques alimentées par nappe phréatique, il faut tenir compte du coût du forage (de 500 à 850 € par mètre) et de frais annexes : étude de faisabilité (850 à 2 500 €), analyse de l’eau (850 €). Ces valeurs sont uniquement des ordres de grandeur indicative.

Si la demande de puissance est plus importante, les frais d’investissement seront plus lourds :

Puissance nominale du chauffage [kW]

Diamètre du puits [mm]

Frais spécifiques [€/m]

< 70

71 à 140

141 à 550

150

300

800

200 à 250

300 à 400

350 à 500

Source : Ravel-Suisse. (Chiffres de 1995).

Le coût des installations géothermiques à forage vertical est aussi très important : entre 600 et 900 € par kW de chaleur récupérée, à savoir 55 à 65 € le mètre de profondeur et un besoin d’une quinzaine de mètres par kW.

Frais d’exploitation

Il est impossible d’évaluer simplement la consommation d’une PAC d’un bâtiment tertiaire, d’autant que celle-ci reprend souvent autant des consommations de chaud que de froid. Seule une simulation informatique peut atteindre cet objectif, avec un encodage lourd des caractéristiques du bâtiment et de ses critères d’exploitation.

Méthode proposée par Electrabel pour le domestique

Par contre, selon Electrabel, une estimation des consommations d’une pompe à chaleur domestique peut être calculée a priori selon la formule :

Où,

K₁ est un facteur tenant compte du ralenti de nuit éventuel. En cas de ralenti, il vaut 0.85 si PAC air/air et 0,9 si PAC air/eau,
K₂ est un facteur prenant en compte l’occupation ou la non-occupation de jour,

Régime d’occupation	K2
Occupation de jour Non-occupation de jour PAC air/air Non-occupation de jour PAC air/eau	1 0.90 0,95

K₃ est un facteur prenant en considération l’impact d’un chauffage auxiliaire par convecteurs électriques,

Watts aux. / PAC Watts + 7°C	K3 si air/air	K3 si air/eau
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35	1.15 1.19 1.23 1.25 1.30	1.17 1.21 1.26 1.30 1.35

K₄est un facteur de rendement de la pompe à chaleur relatif à sa température d’équilibre (= T° correspondant à la puissance de dimensionnement de la PAC) et à la température minimale extérieure. C’est la valeur inverse du COP annuel (COPA),

	K4 si air/air
	T°_équilibrePAC	T°_équilibrePAC
T_{°min. ext.} [°C]	– 5 < T° éq. < – 2	– 3 < T° éq. < 0
> = – 10°C < – 10°C	0.37 0.40	0.38 0.44

	K4 si air/eau
	T°_équilibre PAC	T°_équilibre PAC
T°_{min. ext.} [°C]	– 5 < T° éq. < – 2	– 3 < T° éq. < 0
> = – 10°C < – 10°C	0.34 0.37	0.35 0.41

DJ sont les degrés jours en base 15/15 dans la région considérée,
Q représente les déperditions thermiques,
ΔT°_max est la différence entre la température moyenne ambiante (en général 19°C) et la température extérieure minimale.

Pour les pompes bivalentes parallèles, les choses sont plus compliquées. Les paramètres deviennent très nombreux et il est difficile de formuler des règles générales. Cependant, il est important de voir qu’il existe, en fonction de la situation et des équipements choisis, une puissance de dimensionnement qui minimise les coûts annuels.

Globalement, les PAC domestiques bivalentes sont plus économiques que les monovalentes, puisque la chaudière supplée à la PAC lorsque celle-ci présente son plus mauvais rendement. Mais l’investissement est plus important.

Temps de retour de l’investissement

Le temps de retour de l’investissement est calculé par sur base du surinvestissement par rapport aux systèmes de chauffage classiques et du bénéfice fait annuellement sur les frais de fonctionnement (aussi appelé ci-dessous frais d’exploitation). Il est bien sûr dépendant de l’efficience de la pompe installée, de son prix à l’achat, de sa puissance, du coût de l’énergie,…

Pompe à chaleur domestique : nos estimations en 2009

Sur base de nos estimations dans le domestique, hors subsides, primes et incitants fiscaux, les pompes à chaleur peuvent être intéressantes économiquement si on peut compter sur les meilleures performances annuelles COPA (dont les valeurs cibles réalistes sont reprises dans le tableau ci-dessus). Dans ce cas, on est en mesure d’amortir en un temps inférieur à la durée d’utilisation de la PAC (c’est-à-dire 20 ans) le surinvestissement par rapport à des chaudières classiques fioul ou gaz. De beaux gains sont possibles.

Cependant, il faut aussi être vigilant concernant les performances du bâtiment, de son enveloppe, à chauffer. Techniquement, le bâtiment doit être suffisamment bien isolé pour permettre de travailler avec des émetteurs basse température (BT) et donc atteindre les meilleurs rendements. D’un autre côté, il faut que le besoin net de chauffage du bâtiment soit suffisamment important pour pouvoir amortir le matériel (son surinvestissement) sur base de frais d’utilisation plus faibles que les chaudières classiques. Par exemple, hormis quelques modèles spécifiques, on rencontre rarement des PAC installées dans les maisons passives. Une des raisons est le surinvestissement pour une installation de PAC et les faibles consommations qui rendront l’amortissement plus délicat.

Pourquoi ne pas citer des chiffres sur les temps de retour ou d’autres indicateurs économiques ? Simplement parce que l’investissement est très variable suivant les circonstances : d’une part selon le projet, le type d’émetteurs que l’on choisit (chauffage par radiateurs BT ou par la sol), la production d’ECS combinée ou pas et, d’autre part, selon les installateurs et les marques. Il y a de grosses variations qui ne permettent pas de donner des chiffres précis, mais plutôt des tendances comme nous l’avons fait ci-dessus. Cette remarque nous permet, premièrement, d’encourager les candidats à comparer les prix tout en s’assurant de la qualité du matériel et de l’installation (cfr. label PACQUAL) et, deuxièmement, d’encourager les candidats à réaliser sur base des devis obtenus une étude de la rentabilité du projet. Les fourchettes de valeurs de performances données dans le tableau ci-dessus devraient donner une bonne estimation du temps de retour.

Finalement, il ne faut pas oublier d’intégrer les incitants fiscaux (primes, subsides ou réductions fiscales) qui rendent les investissements encore plus attrayants.

Pompe à chaleur domestique : autre point de vue, étude de la KUL de 1997

Les tableaux ci-dessus résument une évaluation par la KUL de 1997 des temps de retour d’investissement pour des puissances calorifiques de pompes à chaleur de 5, 10 et 15 kW avec distribution par chauffage par le sol, par rapport à des chauffages au fuel et au gaz avec le même mode de distribution. Ces valeurs concernent l’utilisation de la PAC comme chauffage domestique. Attention : le nombre et la variabilité des paramètres sont tels que ces résultats ne peuvent pas être généralisés. Ils constituent cependant un point de départ utile pour une discussion sur le temps de retour de la PAC.

Puissance calorifique	Chaudière classique	Temps de retour PAC Air/Eau monovalente [années]
Puissance calorifique	Chaudière classique	SPF = 2	3	4	5	6
5 kW	Gasoil	X	523	30	19	16
5 kW	Gaz	X	41	21	16	14
10 kW	Gasoil	X	X	29	16	12
10 kW	Gaz	X	75	20	14	11
15 kW	Gasoil	X	X	26	13	10
15 kW	Gaz	X	147	18	12	10

X = Frais d’exploitation de la pompe > Frais d’exploitation du chauffage traditionnel.

Source : KUL – 1997.

Puissance calorifique	Chaudière classique	Temps de retour PAC Air/Eau bivalente [années]
Puissance calorifique	Chaudière classique	SPF = 2	3	4	5	6
5 kW	Gasoil	X	281	14	9	7
5 kW	Gaz	X	24	12	10	8
10 kW	Gasoil	X	X	5	2	2
10 kW	Gaz	X	52	8	5	4
15 kW	Gasoil	X	X	3	2	2
15 kW	Gaz	X	X	7	5	4

X = Frais d’exploitation de la pompe > Frais d’exploitation du chauffage traditionnel.

Source : KUL – 1997.

On remarque que le temps de retour diminue avec la puissance de la pompe installée et son facteur de performance saisonnier SPF. Il est aussi plus court pour les PAC bivalentes que pour les monovalentes grâce à leur fonctionnement continu durant la période de chauffe.

Si on considère une durée de vie de 15 à 20 ans, la PAC monovalente ou bivalente ne sera rentabilisée que si son coefficient de performance saisonnier SFP est supérieur à 4 ou 3 respectivement. De tels résultats ne peuvent s’obtenir que si l’installation est performante et bien régulée.

Notons que les subsides accordés aux installations de PAC n’ont pas été pris en compte. Ils permettent pourtant de réduire significativement le temps de retour de l’investissement… De plus, certaines économies de gros œuvre permises par les PAC monovalentes (absence de cheminée) n’ont pas été retenues. Enfin, la probable évolution à la baisse des coûts d’investissement et l’évolution favorable des coûts de l’énergie électrique face aux combustibles fossiles vont aussi améliorer rapidement ces performances (les prix de l’énergie pris en compte datent de 1997. On constate d’ailleurs que les prix du fuel étaient très bas à l’époque. En 2002, le prix du fuel a rejoint celui du gaz, qui lui-même a fortement augmenté depuis 1997). Malgré qu’elle soit dépassée, nous avons volontairement gardé cette étude parce qu’elle montre l’importance d’une évaluation sur le long terme du prix de l’énergie.

Pompe à chaleur tertiaire

Les pompes à chaleur utilisées dans le tertiaire sont plus rentables du fait du coût plus élevé des éléments qu’elles remplacent, comme des systèmes de traitement d’air, de leur valorisation en chaud comme en froid, ou de leur utilisation directement destinée la récupération de chaleur. Il est cependant difficile de donner des évaluations du temps de retour tant le nombre de facteurs impliqués est grand et la diversité des solutions importante.

Il est possible de se faire une idée à partir de quelques études de cas extraites de la littérature :

Études de cas

Pour découvrir la rentabilité de quelques applications tertiaires de la PAC.

Subventions

Sous conditions, la Région wallonne accorde une prime sur le placement d’une pompe à chaleur. En outre, dans le cas du remplacement d’une chaudière existante, on peut bénéficier de réductions fiscales. Pour tout renseignement utile, voir

le portail de la Région wallonne ou

le site du facilitateur pompe à chaleur de la Région wallonne EF4.

Archives pour la catégorie Chauffage

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Exemples d’installations

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Étude d’un projet de géothermie

Étapes de l’étude d’un projet de géothermie :

Pour exemple, voici quelques données moyennes :

Dimensionnement de l’échangeur de sol

Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet

(Rédaction : 2014)

En région wallonne

En région bruxelloise

L’impact environnemental

Indices d’impact

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Les fluides frigorigènes fluorés

Fluides frigorigènes fluorés

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HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)

HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)

Mélange de fluides frigorigènes

Les fluides à bas « effet de serre »

L’ammoniac (NH3) ou R-717

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Le dioxyde de carbone (CO2) ou R-744

L’eau (H2O)

Synthèse

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Moteur gaz

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Absorbeur (ou concentrateur)

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Principe de comparaison

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PAC électrique, PAC gaz même combat ?

Le dioxyde de carbone (CO₂) ou R-744