Ordre de priorité

Monotone de chaleur.

Dans l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières, l’objectif, comme on l’a déjà précisé, est que la cogénération fonctionne un maximum d’heures sur l’année. Elle devrait donc être « en tête » de cascade ! Attention toutefois qu’une cogénération ne peut, en général, moduler qu’entre 60 et 100 %  de son taux de charge thermique.

En supposant que l’étude donne un dimensionnement de la puissance du cogénérateur de l’ordre de 40 % de la puissance totale nécessaire au bâtiment, il ne pourra moduler qu’entre une valeur de 24 à 40 % de la puissance totale. Sous les 24 % de puissance, si la cogénération est mise en tête de cascade, elle va commencer à « pomper » avec pour effet d’accentuer son vieillissement prématuré, car elle ne supporte pas les séquences répétées marche/arrêt.

Zone 1

En réalité, pour un besoin inférieur à 24 % de la puissance totale, ce sont les autres chaudières qui doivent être en « tête » de cascade. Si la chaufferie est équipée d’une chaudière à condensation, pour autant qu’elle soit dans de bonnes conditions de condensation, c’est elle qui doit assurer le besoin de chaleur. Avec sa capacité à moduler de 10 % à 100 % de son taux de charge, avec un excellent rendement à faible charge, la chaudière à condensation est tout indiquée.

Zone 2

Dans la plage de 24 à 40 % de la puissance totale nécessaire, la cogénération doit fonctionner en priorité. Une régulation mal réglée peut être à l’origine de l’arrêt prolongé ou du « pompage » de la cogénération ; ce qui n’est pas le but recherché.

Zone 3

Pendant les périodes de grands froids, la cogénération ne sera pas suffisante pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment considéré. Il sera nécessaire de lui adjoindre une chaudière afin de lui donner le « coup de pouce sauveur ». Cette opération est délicate en fonction du type de chaudière qui vient faire l’appoint. Un développement trop important de puissance de la part de la chaudière peut faire en sorte que la cogénération s’arrête voire pire qu’elle commence à « pomper » (marche/arrêt intempestifs à faible charge). Pour cette plage de fonctionnement, il sera nécessaire, si possible, de piloter les chaudières en puissance de manière à éviter de démarrer :

• une chaudière classique avec brûleur à 2 allures en grande flamme ;
• une chaudière plus récente avec brûleur modulant à 100 % de taux de charge.

Le nombre d’heures de fonctionnement et le nombre de démarrages de la cogénération associée à un ballon tampon peut être influencé par la régulation :

• du taux de charge du cogénérateur par rapport à sa puissance thermique nominale et au besoin de chaleur total ;
• du taux de charge du ballon tampon.

Taux de charge du cogénérateur

La régulation interne du cogénérateur peut être réalisée selon le rapport entre le besoin instantané de chaleur (en kWth) et la puissance thermique nominale de la cogénération en dessous duquel la cogénération reste à l’arrêt. Pratiquement, cette régulation s’exprime par sa capacité à gérer la modulation de puissance de la cogénération. Une cogénération classique peut en général avoir une modulation de puissance entre 60 et 100 %.

Taux de charge du ballon

En dessous d’une certaine valeur de taux de charge maximum, la cogénération module en puissance. Plus ce taux de charge maximum est élevé, plus la cogénération commence à « pomper » (marche/ arrêt important). Ce qui nuit naturellement à longévité du cogénérateur.

Lorsqu’une ou plusieurs chaudières existantes sont en appoint de la cogénération, les régulations individuelles de chaque chaudière doivent être adaptées par rapport au cogénérateur. Souvent, on observera que lorsque le besoin de chaleur devient supérieur à la puissance thermique des cogénérateurs, on démarre une chaudière d’appoint sans modulation de puissance au niveau du brûleur. Le « boost » de puissance de la chaudière va tout de suite « affoler » la régulation du cogénérateur qui risque de s’arrêter rapidement. Il en résulte un risque non négligeable de « pompage » de la cogénération  altérant ainsi :

• la rentabilité de la cogénération ;
• la durée de vie de la cogénération tout en augmentant le risque de panne.

Immanquablement, la chaudière d’appoint devra démarrer, pour les anciens modèles en petite flamme et pour les modèles récents au minimum de la plage de modulation (à 10 % pour une chaudière à condensation par exemple).

Pièce de stockage : pellets et plaquettes

On peut distinguer différents types de stockage pour les pellets et plaquettes. Généralement, on trouve une pièce de stockage, c’est-à-dire un silo. Cette pièce rectangulaire ou cylindrique est dissociée de la chaufferie et peut ne pas lui être voisine voire se situer à un niveau différent.

La pièce devra être conçue pour résister mécaniquement à la masse du bois et pour protéger le bois de l’humidité. En outre, elle devra être facilement accessible pour son réapprovisionnement. Ce dernier point sera traité plus tard.

On peut faire certaines distinctions entre les pièces de stockage, distinction qui aura un impact sur la méthode d’extraction du combustible :

• Avec sol incliné : Dans ce cas, le sol est incliné dans la direction de l’admission de bois de la chaudière. Comme la chaudière est dans le prolongement direct du plan incliné de stockage, le dispositif d’extraction pourra être conçu de manière plus simple.
• Avec sol horizontal : Tout l’espace est occupé au niveau du sol ce qui assure une optimisation de l’espace disponible. Par contre, le sol peut être à une hauteur différente de l’admission de combustible de la chaudière et le bois à extraire peut se situer n’importe où au niveau du sol de la pièce. En conclusion, le dispositif d’extraction devra être plus élaboré.

Illustration de deux organisations spatiales du local de stockage : la figure de gauche représente un local à sol horizontal alors que la figure de droite correspond au local avec un sol incliné.

Stockage des pellets

Les pellets offrent des possibilités de stockage supplémentaires. Cette flexibilité est est due à la grande faculté d’écoulement des pellets. Celui-ci est découle de leurs petites tailles et de leurs surfaces lisses.

Pièce de stockage

Toujours dans les pièces de stockage séparées, on peut maintenant ajouter une troisième catégorie :

• Avec parois latérales inclinées ou en « V » : Dans ce cas de figure, les pellets sont dirigés naturellement sous l’effet de la gravité vers le centre de la pièce où les deux parois latérales se rejoignent. Cette particularité permettra de concevoir un dispositif d’extraction simple.

Illustration  d’un local de stockage pour pellets avec parois latérales inclinées : ce principe garantit l’écoulement naturel des granulés vers le dispositif d’extraction (vis d’extraction).

Sac ou silo textiles à pellets

Il s’agit de silo en textile pré-assemblés par le constructeur. Ces sacs ont des de multiples avantages mais ont des volumes limités si bien qu’ils s’appliquent plutôt au secteur domestique et au petit tertiaire :

• Plus de flexibilité sur la localisation du stockage. Les parois sont protégées contre l’humidité si bien qu’ils peuvent être placés dans des pièces humides, dans la mesure où le silo textile protège les pellets qu’il contient. Dans le même ordre d’idée, le silo pourra être directement placé dans la chaufferie si celle-ci possède un volume suffisant. Il ne faut donc pas prévoir une pièce spécifique pour le stockage. Le silo peut même être placé à l’extérieur du bâtiment s’il est protégé contre les intempéries et des rayons UV (qui peuvent altérer les propriétés des parois à long terme).
• Facilité de montage. Dans la mesure où la fonction de stockage et d’extraction est réalisée de façon automatique par le silo préfabriqué. Le montage est relativement simple : il ne reste plus qu’à prévoir le transport entre le silo et la chaudière.

Illustration de silos textiles de stockage de pellets  :  la figure de gauche représente un silo textile placé dans un local de stockage tandis que la figure de droite correspond à un silo dans le local de chauffe.

Volume de stockage

On a déjà plusieurs fois évoqué le volume occupé par les différents conditionnements de bois pour une même quantité d’énergie. De cette analyse, il ressort qu’il faut un volume deux à trois fois plus important de pellets que de mazout, un volume dix à quatorze fois plus important de plaquettes. Les plaquettes sont donc caractérisées par un volume de stockage important qui aura un impact direct sur la zone de stockage.

Le tableau ci-dessous reprend les différents volumes de bois en fonction de la consommation annuelle d’énergie du bâtiment [kWh/an]. La première ligne est caractérisée par une consommation de 5 000 kWh/an, ce qui correspond approximativement à une maison passive où le chauffage des pièces et de l’ECS est couvert par le bois. Les hypothèses de calcul sont reprises dans la première ligne du tableau décrivant les entrées. En outre, on a uniquement supposé, pour l’estimation du volume de stockage, que l’on réalisait dix approvisionnements par an. Il est facile de déduire ces volumes pour un autre nombre d’approvisionnements. On a estimé qu’il fallait un volume total de stockage 1.5 fois plus important pour contenir 1 volume utile de bois.

Estimation du volume de stockage en fonction de la consommation annuelle

La position de la zone de stockage ne peut être prise au hasard. Elle doit être compatible avec le dispositif d’approvisionnement des pellets et des plaquettes. Dans la pratique, cette contrainte est loin d’être négligeable.

Pellets

De manière générale, les pellets peuvent être vendus par sacs de 10 à 30 kg, par palettes d’une tonne et en vrac par camion souffleur.

Dans le cas du tertiaire, nous considérons ce dernier cas. En pratique, le camion est muni d’une citerne qui contient les pellets. Une fois arrivé à destination, il est muni d’un tuyau flexible qui permet de souffler les pellets dans la zone de stockage. Cette dernière est munie de bouches ou connexions de remplissage. Pour des volumes importants, plusieurs bouches peuvent être placées pour assurer un remplissage plus uniforme de la zone de stockage. En outre, les parois de la zone de stockage sont munies d’un revêtement anti-rebondissement pour ne pas briser les pellets. En effet, il faut que les pellets conservent leurs dimensions et leurs propriétés mécaniques pour que la combustion s’opère dans les meilleures conditions.

Pour que le tuyau flexible puisse atteindre le volume de stockage, il faut que les connexions de remplissage soient situées à maximum 30 m du camion souffleur. Il faudra donc s’assurer que la localisation du stockage soit compatible avec les possibilités d’accès du site.

Illustration de la distance maximale entre le camion souffleur et les conduits d’admission des pellets vers le silo (placés en façade).

Plaquettes

Comme pour le stockage, les plaquettes offrent moins de flexibilité. En effet, la zone de stockage doit être directement accessible par un charroi lourd, c’est-à-dire une remorque à benne ou une benne de tracteur. Cette contrainte spatiale est beaucoup plus sévère que pour les pellets. De nouveau, cela illustre bien qu’une analyse préalable de faisabilité est nécessaire avant de s’engager dans un projet tertiaire basé sur le bois-énergie.

Illustration de l’accessibilité du local de stockage des plaquettes par un charroi lourd (1ère figure).
Photographie de l’alimentation en plaquettes de la chaufferie de l’hôpital de Dave.

Avant d’être transportés vers la chaudière, les pellets ou les plaquettes doivent être extraits du silo. La méthode est fortement liée au type de stockage :

• Silo avec sol plat : Un déssileur racle le sol de la pièce et amène le bois au niveau d’une tranchée dans laquelle se trouve une vis sans fin d’extraction. Les éléments en bois viennent se placer entre deux pas de vis. La rotation de celle-ci amène ces éléments progressivement vers la sortie du silo. Comme le sol est la plat, la vis d’extraction est elle-même horizontale.
• Silo avec sol incliné : On travaille toujours avec un déssileur et le principe reste le même. Comme le sol est incliné en direction de la chaudière, la vis intégrée au sol est directement alignée avec la chaudière. Par conséquent, si la vis est assez longue, elle peut directement alimenter la chaudière sans devoir ajouter de dispositifs particuliers.

 Représentation d’un déssileur : la partie supérieure rotative racle le sol de la pièce et amène le bois au niveau d’une tranchée dans laquelle se trouve une vis sans fin d’extraction.

• Silo avec parois latérales inclinée ou en « V » : Applicable pour les pellets, cette méthode permet d’éviter l’installation d’un déssileur. De par la forme des parois, les pellets s’écoulent naturellement vers la rigole contenant la vis d’extraction.
• Silo textile : Le dispositif ad hoc est développé par le fabricant du silo textile.

• Plancher tiroir : Idéal pour les locaux de grande surface.

Représentation simplifiée d’un système d’extraction basé sur un plancher tiroir.

Une fois extraits de la zone de stockage, les pellets ou plaquettes sont acheminés vers la chaudière. Celle-ci peut être voisine de la zone de stockage ou éloignée, au même niveau ou à niveau inférieur ou supérieur. Ces différents éléments conditionnent le type de système de transport. De nouveau, on verra que les pellets proposent plus de flexibilité que les plaquettes.

Alimentation pellets et plaquettes

• Par vis d’alimentation inclinée : On peut atteindre directement la chaudière si la chaufferie est proche de la zone de stockage et au même niveau.

Illustration d’une vis d’extraction directement couplée à la chaudière : la disposition relative du sol du local de chauffage et de la chaudière permet de réaliser un couplage direct.

• Par vis d’alimentation horizontale couplée avec vis montante à renvoi d’angle : La vis montante permet de monter les granulés ou plaquettes de plusieurs mètres (par exemple, maximum 3.5 m) pour atteindre la chaudière si la chaufferie reste proche de la zone de stockage.

 L’alimentation de la chaudière se trouve à un niveau supérieur comparé au sol du local de stockage (et par conséquent du système d’extraction) : la vis montante à renvoi d’angle,  illustrée sur la figure en dessous,  permet de récupérer cette différence de niveau.

Exemple de vis d’alimentation avec renvoi d’angle sur le coté de la chaudière de l’hôpital de Dave.
Sur la figure de gauche,  on a une vue détaillée de la connexion entre la vis d’alimentation et la chaudière : intercalé entre la fin de la rampe d’alimentation et la vis d’alimentation de la chaudière se trouve un dispositif coupe-feu (dans ce cas-ci, il s’agit d’une guillotine) et un réservoir d’eau pour éteindre la masse de bois non encore intégrée au foyer.

• Par vis d’alimentation horizontale couplée à une conduite de chute : La conduite de chute permet de descendre les granulés ou plaquettes de plusieurs mètres pour atteindre la chaufferie si celle-ci reste proche de la zone de chauffage.

L’alimentation de la chaudière se trouve à un niveau inférieur comparé au sol du local de stockage (et par conséquent du système d’extraction) : la conduite de chute permet de descendre le combustible de niveau.

Autres alimentations possibles pour les pellets

• Par aspiration : Les pellets sont aspirés dans un flexible dont la longueur peut aller jusqu’à une vingtaine de mètres. Cela permet d’alimenter une chaufferie distante ou située à un niveau supérieur. La chaudière se voit ajouter un réservoir supplémentaire de collecte pour l’admission des granulés. Cela permet aussi de faire fonctionner le transfert par aspiration de manière intermittente, ce qui minimise la consommation et les bruits durant la nuit. La méthode par aspiration marche aussi bien pour les pièces de stockage que pour les silos flexibles.

Dans le cas particulier des pellets, un dispositif de soufflage peut être mis en place, et ce,  pour différentes configuration du local de stockage.

Les chaudières à bûches ont le désavantage de ne pas être entièrement automatisées si bien que leur emploi dans le secteur tertiaire soulève certains problèmes. Le facilitateur bois-énergie pour le secteur public, Francis Flahaux de la FRW, mentionne qu’il n’existe pas de projet à bûche en Wallonie. En fait, cette approche est bien adaptée pour le chauffage des maisons individuelles ou collectives et pour des bâtiments agricoles.

Exemples de chaudière à bûches.

Les éléments constitutifs de la chaudière à bûches sont la zone de remplissage, la zone de combustion ainsi que l’échangeur thermique. Cette distinction entre zones s’explique par leurs fonctions différentes. Les bûches sont placées manuellement dans la zone de remplissage. C’est dans cette zone qu’elles seront attaquées par l’air primaire.  Les gaz riches générés par cette première phase, essentiellement du monoxyde carbone CO et de l’hydrogène H₂, sont ensuite acheminés vers la zone de combustion où l’oxydation complète est réalisée par l’air secondaire. Différentes configurations existent suivant la direction et l’agencement des flux d’air. On peut trouver une combustion montante, latérale ou inversée. Les gaz de combustion issus de la seconde étape, essentiellement de la vapeur d’eau et du CO₂, sont à haute température. Ils sont admis dans l’échangeur thermique pour réchauffer l’eau de la chaudière. Ce tirage se fait par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières à pellets sont bien adaptées pour les applications domestiques, tertiaires et industrielles. D’une part, le système d’approvisionnement peut-être entièrement automatisé, ce qui est toujours le cas dans le secteur tertiaire. Cela donne un confort d’utilisation comparable aux chaudières mazout ou gaz. D’autre part, le bois se trouve sous forme compactée si bien qu’il demande le volume de stockage le plus faible parmi les différents conditionnements du bois.

Exemples de chaudière à pellets. Pour la dernière figure, illustration par une coupe dans une chaudière à pellets. On distingue clairement la couche d’isolation pour limiter les pertes vers la chaufferie, le foyer ainsi que la vis d’alimentation situés en bas et surplombés par l’échangeur.  En bas à gauche, une porte permet d’accéder au cendrier.

Comme pour les bûches, la combustion se fait en deux étapes séparées, ce qui influence la structure de la chaudière. Au départ, les pellets sont acheminés vers le foyer. Cela se fait généralement par un système de vis sans fin, mais on trouve aussi des systèmes où les pellets tombent dans le foyer. C’est au niveau du foyer que se passe la phase primaire de combustion.

Illustration d’une typologie de foyer à pellets où les pellets sont amenés via une vis sans fin par le dessous et l’air primaire est injecté latéralement par une série de trous percés dans un anneau.

Illustration de deux autres typologies différentes de foyer à pellets : la première figure correspond à une alimentation via une vis sans fin tandis que la dernière image montre des pellets qui tombent dans le foyer.

De nouveau, cette phase dégage des gaz riches, essentiellement du CO et de l’hydrogène H₂, qui se déplacent vers la zone dite de « post-combustion » où ces gaz subissent leur oxydation complète par l’air secondaire. La séparation en deux étapes permet de les contrôler indépendamment, permettant ainsi d’optimiser le processus de combustion (c’est-à-dire, obtenir les meilleurs rendements et minimiser l’émission de gaz nocifs).

Les gaz de combustion à haute température traversent l’échangeur thermique pour céder leur chaleur à l’eau de la chaudière. Ce déplacement est généré par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

Vue du haut d’un échangeur vertical avec un système de ressorts pour racler les dépôts. Au centre, on trouve la zone de post-combustion où une série d’injecteurs placés en anneau fournissent l’air secondaire de combustion.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs pour les chaudières basse température oscillent typiquement entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 20 à 30 % de la puissance nominale. Nous n’avons pas de rendement nominal à notre disposition pour les chaudières pellets à condensation.

Les chaudières à plaquettes sont elles aussi bien adaptées pour le secteur tertiaire et industriel. En effet, l’entièreté du processus d’approvisionnement est toujours automatisé de même que le nettoyage des tubes de l’échangeur et le décendrage. Néanmoins, il ne faut pas perdre de vue que le volume de stockage pour les plaquettes est plus important que pour les pellets.

Exemple de chaudière à plaquettes.

La chaudière à plaquettes est organisée de manière identique à la chaudière à pellets. On retrouve le foyer et son alimentation en combustible et en air primaire, la chambre de « post-combustion » pour l’oxydation avec l’air secondaire ainsi que l’échangeur thermique.

Les chaudières à plaquettes sont souvent capables de brûler aussi bien des plaquettes que des pellets, et ceci, dans de bonnes conditions. Néanmoins, l’inverse n’est pas vrai : les chaudières à pellets ne peuvent gérer efficacement les plaquettes.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent typiquement entre 88 et 92 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières industrielles sont caractérisées par des puissances importantes et une plus grande souplesse sur la nature et la qualité du combustible exigé. Elles sont souvent proposées pour des puissances supérieures à ~150 kW.  Ces chaudières peuvent brûler indifféremment des plaquettes et des pellets industriels (qui obéissent à des normes moins strictes que les pellets pour application domestique).

 Exemples de chaudière industrielle avec une grille de combustion :  tournante (image de gauche) et rectiligne (image de droite).

Dans cette catégorie de chaudières pour le tertiaire, on trouve essentiellement la combustion sur grille qui permet de brûler du bois présentant des granulométries différentes. De nouveau, on trouve une zone de combustion pour l’oxydation avec l’air secondaire et l’échangeur de chaleur.

Direction de la flamme par rapport à l’alimentation de la grille en fonction de la géométrie de la chaudière et de l’arrivée d’air primaire : combustion à contre-courant (figure de gauche), à co-courant (figure centrale) et latérale (figure de droite).

Exemple de chaudière industrielle de 1MW de l’hôpital de Dave brûlant des plaquettes. La première vue représente une vue globale de l’installation. La deuxième photographie montre l’ouverture sur le foyer (les flammes sont maintenues à l’intérieur,  car le foyer est mis en dépression par le ventilateur d’extraction).  La troisième photographie montre la combustion sur la grille.

Échangeur de chaleur

L’échangeur de chaleur est un élément constitutif récurrent des différents types de chaudière. Son objectif est de transférer la plus grande partie de l’énergie des gaz de combustion à haute température vers l’eau de la chaudière. Cette eau réchauffée sera ensuite acheminée vers le circuit de chauffage.

Généralement, les chaudières ne refroidissent pas les gaz de combustion jusqu’à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. Le soufre contenu dans l’eau condensée provoquerait la corrosion de l’échangeur. Néanmoins, certains fabricants présentent des chaudières à condensation. Dans ce cas, l’échangeur thermique est adapté pour supporter cette étape supplémentaire, par exemple en travaillant avec de l’acier inoxydable. Si la condensation n’est pas prévue, le circuit hydraulique devra être conçu pour maintenir la température de retour à un niveau suffisant pour éviter cette condensation.

En outre, l’échangeur doit être conçu pour éviter son encrassement. En effet, des cendres volantes ainsi que des suies sont présentes dans les fumées. Généralement, elles viennent s’agglomérer ou se condenser sur les points froids de la chaudière et donc particulièrement dans l’échangeur thermique (puisque sa fonction est de diminuer la température des fumées).

Différentes solutions sont présentées par les constructeurs. On pense notamment à la disposition des canaux de l’échangeur de manière verticale pour permettre l’écoulement naturel des crasses. Certains constructeurs ont équipé les canaux des échangeurs d’éléments métalliques, typiquement des ressorts spéciaux, qui viennent racler la surface de l’échangeur et ainsi assurer son nettoyage (voir figure du zoom sur l’échangeur dans la section sur les chaudières à pellets). Suivant les modèles cette procédure peut être réalisée automatiquement, par exemple sur une base quotidienne ou, mieux encore, sur base d’un nombre d’heures de fonctionnement. De manière moins souple et peu adaptée pour le tertiaire, la procédure peut être réalisée manuellement via une manette qui actionne le jeu de ressorts.

Zoom sur la face avant de la chaudière de l’hôpital de Dave : on voit ici une série d’actionneurs pneumatiques qui permettent de racler les canaux horizontaux de l’échangeur de chaleur.

Cendrier

Les cendres sont un produit naturel de la combustion. Qu’elles proviennent du foyer ou du nettoyage de l’échangeur thermique voire des filtres à fumées, une bonne conception de chaudière les fera aboutir dans un cendrier sous l’effet combiné de la gravité et de dispositifs mécaniques (comme une vis sans fin).

Suivant la teneur en minéraux du bois-énergie qui est à l’origine de la formation des cendres et de la consommation, le volume de cendres généré est plus ou moins important. Souvent, le volume du cendrier est fixé par le constructeur si bien que la fréquence de vidage du cendrier dépend des applications. Pour fixer les idées, on parle de décendrages espacés de deux semaines jusqu’à un seul décendrage par saison de chauffe. Les variations sont donc assez conséquentes, mais restent suffisamment espacées pour garantir le confort d’utilisation. Pour fixer les idées, le taux de cendres est d’approximativement 0.5% du poids avec des granulés jusqu’à 2 voire 3% pour des bois plus minéralisés (par exemple, contenant beaucoup d’écorces).

Pour garantir le caractère renouvelable de la combustion du bois, les cendres doivent être idéalement restituées à la nature. Il s’agit en effet de minéraux qui ont été prélevés au sol durant la croissance de l’arbre. Il est donc logique de restituer ces éléments pour avoir un bilan écologique le plus neutre possible. Néanmoins, à l’heure actuelle, la législation en région wallonne n’autorise pas les épandages en forêt et, pour l’agriculture, les cendres doivent être analysées et agrées par l’AFSCA pour pouvoir intégrer un amendement agricole.

Si le bois est sain, l’épandage ne pose pas de gros problèmes techniques. Par contre, si le bois est pollué, les cendres peuvent contenir des produits toxiques, par exemple du Plomb ou de l’Arsenic. Il n’est dès lors pas question de répandre ces cendres polluées directement dans la nature.

Ballon tampon et cycle de production

Dans les cas des chaudières au bois, on intercale parfois un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage.

Les chaudières au bois présentent des cycles de fonctionnement relativement longs, c’est-à-dire l’espace de temps entre la première injection de combustible et l’arrêt de fonctionnement de la chaudière. Pour les applications domestiques, on parle d’une demi-heure pour les chaudières à pellets et d’une heure pour les chaudières à bûches. Si on veut travailler sur des cycles de production plus courts, la qualité de la combustion sera dégradée significativement. Cette caractéristique est liée à la physique de la combustion du bois. En conclusion, on peut synthétiser que la chaudière doit fonctionner pendant une durée minimale pour travailler de manière efficace.

Les chaudières possèdent une modulation de puissance, c’est-à-dire que la puissance instantanée peut être inférieure à la puissance nominale de chaudière. Certains modèles de chaudière bois-énergie peuvent avoir une plage de modulation d’au maximum 25 à 100 %. Par exemple, une chaudière de 25 kW pourrait avoir une puissance instantanée minimale proche de 6 kW. Cette modulation permet de s’adapter aux besoins thermiques instantanés du bâtiment. Au mieux, on a une production de chaleur qui est égale à la chaleur consommée par le bâtiment. Dans ce cas, la chaudière fonctionne sur base de cycles de production longs. Tout se passe alors pour le mieux : on obtient un fonctionnement continu synonyme de meilleur rendement ainsi qu’un minimum de gaz nocifs produits.

La réalité est malheureusement un peu plus complexe. Suivant les saisons, l’ensoleillement voire l’occupation du bâtiment, les besoins de chaleur de celui-ci seront fort variables. Les puissances demandées pour chauffer le bâtiment peuvent varier à la fois en amplitude, mais aussi dans le temps. À certaines périodes, le besoin d’énergie du bâtiment peut être trop faible pour absorber toute l’énergie produite par un cycle de combustion de la chaudière au bois, même si la durée du cycle est limitée au minimum. En outre, on ne veut engendrer aucune surconsommation : on ne veut pas rejeter la puissance excédentaire ou surchauffer le bâtiment. Ces aspects sont traités dans la partie relative au dimensionnement des chaudières au bois.

Si on ne peut absorber raisonnablement la quantité minimale d’énergie produite par une chaudière, une solution est d’intercaler un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage. Le volume du ballon est dimensionné pour absorber une bonne partie de l’énergie d’un cycle minimal de combustion, si bien que la chaudière est assurée de fonctionner dans des conditions optimales. L’énergie qui n’est pas consommée instantanément par le bâtiment est stockée dans le ballon. Ensuite, une fois la chaudière éteinte, le circuit de chauffage vient s’alimenter dans cette réserve de chaleur au rythme des demandes du bâtiment. Le ballon tampon permet de « temporiser ». Ce ballon permet de faire un découplage entre le rythme de la chaudière et le rythme des demandes du bâtiment. D’un côté, la chaudière peut fonctionner sur base de cycles suffisamment longs, indépendamment de la demande du bâtiment. D’un autre côté, le bâtiment peut toujours être chauffé à la bonne puissance et au bon moment. On a une combustion efficace et aucune surconsommation. Au pire, on a les pertes du ballon tampon.

Installation avec chaudière industrielle de 230 kW de l’école IND à Saint-Hubert. On trouve à gauche la chaudière (en jaune) et le ballon tampon associé (en gris). On voit aussi les conteneurs de cendres (« poubelles » métalliques en gris à gauche de l’image).

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.

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).

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.

Brûleur gaz à air pulsé

1. Moteur.
2. Boîte de contrôle.
3. Transformateur.
4. Pressostat mini air (brûleur 1 allure).
5. Pressostat mini air (brûleur 2 allures).
6. Electrodes.
7. Moteur volet d’air.
8. Electrovanne (2ème allure).
9. Electrovanne de sécurité.
10. Pressostat mini gaz.
11. Electrovanne (1ère allure).
12. 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.

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).

1. Bobinage.
2. Armature concentrant le champ magnétique.
3. Noyau mobile.
4. Clapet de fermeture.
5. Siège du clapet.
6. Corps de vanne.
7. Ressort.
8. 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 :

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, …

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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, …

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.

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.

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.

Un vase d’expansion fermé à pression constante est également constitué.

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.

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.

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°.

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 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.

La pente

La pente de la courbe est représentée sur la plupart des régulateurs, par un nombre décimal (souvent de 0 à 4,5).

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.

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,

• 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,

• une visualisation de la courbe de chauffe cela permet un choix immédiat,
• un boîtier de dialogue.

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.

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.

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.

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, …).

Quatre situations peuvent se présenter à l’utilisateur :

1. Premier réglage de la courbe de chauffe (par exemple à l’installation).
2. Ajustement de la courbe de chauffe en mi-saison.
3. Ajustement de la courbe de chauffe en plein hiver.
4. 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.

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.

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)

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.

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 : 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.

> 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.

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.

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.

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.

Comprendre ce principe de fonctionnement, c’est éviter les erreurs de manipulation :

 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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 ».

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.

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 ».

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.

1. Sous structure;
2. support (mdf, isolant,…);
3. – 5.  diffuseur en aluminium;
4. tube en polyéthylène réticulé;
5. revêtement final (collé plein bain).

Le brûleur fuel :

1. Moteur.
2. Boîte de contrôle.
3. Transformateur.
4. Electrodes.
5. Ventilateur.
6. Volute.
7. Déflecteur.
8. Gicleur.
9. Réchauffeur.
10. Cellule photosensible.
11. Electrovanne.
12. 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.

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 :

1. Bobinage.
2. Armature concentrant le champ magnétique.
3. Noyau mobile.
4. Clapet de fermeture.
5. Siège du clapet.
6. Corps de vanne.
7. Ressort.
8. Partie métallique non conductrice de champ magnétique.

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.

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).

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.

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.

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 :

1. 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.
2. Soit une pompe à deux étages alimente un seul gicleur, via deux régulateurs de pression.
3. 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 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.

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.

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.

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.

• 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 %.

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).

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.

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.

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.