Pouvoir calorifique inférieur (PCI) et supérieur (PCS)

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

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

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

• Pour le gaz naturel (type L) : PCS = 9,79 kWh/m³_N et PCI = 8.83 kWh/m³_N, soit PCS = PCI  + 10.8 %
• Pour le gaz naturel (type H) : PCS = 10.94 kWh/m³_N et PCI = 9.88 kWh/m3_N, soit PCS = PCI + 10.7 %
• Pour le mazout (standard) : PCS = 12.67 kWh/kg et PCI = 11.88 kWh/kg, soit PCS =  PCI + 6.6 %

Dans le cas du gaz naturel ?

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

Dans le cas du fuel ?

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

• Teneur en eau plus faible : La teneur en vapeur d’eau des fumées issues du fuel est plus faible que pour le gaz naturel. Il en résulte une différence plus faible entre le PCS et le PCI (pour le fuel : PCS = PCI + 6 %). La quantité de chaleur maximum récupérable est donc plus faible, ce qui rend moins facile la rentabilité du surcoût de la technologie « condensation ».

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

Température de condensation des fumées (point de rosée) de combustion du gaz et du fuel, en fonction de leur teneur en CO_2. : pour les coefficients d’excès d’air typiques pour le gaz et le fioul, c’est-à-dire 1.2, la concentration en CO₂ est de, respectivement, 10 et 13 % donnant une température de rosée d’approximativement 55 °C et 47.5 °C.

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

Notons cependant que les gros fabricants de chaudières ont quasiment tous développé des chaudières à condensation fonctionnant au fuel. Néanmoins, ils ne proposent pas toujours ces produits dans toutes les gammes de puissance. L’acier inoxydable de l’échangeur a été étudié pour résister aux condensats acides.
Ainsi, l’existence d’un fuel à très faible teneur en souffre (« Gasoil Extra » avec une teneur en souffre inférieure à 50 ppm) officialisée par un arrêté royal publié le 23 octobre 02, peut ouvrir de nouvelles perspectives aux chaudières à condensation fonctionnant au fuel. Suivant la technologie de la chaudière à condensation au mazout, on est obligé de fonctionner avec un mazout Extra à faible teneur en Soufre ou, si la chaudière le permet, on peut fonctionner avec un mazout standard.

Dans le cas du bois ?

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

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

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

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

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

Pour comparer le rendement des chaudières à condensation et celui des chaudières classiques, il faut comparer leur rendement global annuel ou rendement saisonnier, qui prend en compte toutes les pertes de la chaudière (par les fumées, par rayonnement et d’entretien), en fonction de la charge réelle de la chaudière durant toute la saison de chauffe.

Ce gain réel obtenu par une chaudière à condensation est difficile à estimer d’une manière générale, car il dépend de la température d’eau qui irrigue la chaudière et qui est évidemment variable (elle dépend de la courbe de chauffe choisie et donc du dimensionnement des émetteurs).

Le tableau ci-dessous indique pour les différents rendements exprimés en fonction du PCS, l’équivalence pour le fioul ou le gaz exprimée en fonction du PCI

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

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

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

Quelles sont les conclusions de ce dernier graphe :

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Influence de l’excès d’air

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

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

Gains sur le rendement saisonnier

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

Si on compile les informations de l’ARGB pour le gaz et le résultat des programmes de simulation de certains fabricants, on peut dire que 6 .. 9 % d’économie sur la consommation annuelle est un ordre de grandeur réaliste pouvant être utilisé pour guider le choix de la nouvelle chaudière (voir peut-être un peu plus pour les meilleures installations).

Type d’échangeur

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

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

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

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

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

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

Circuits retour

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

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

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

Type de brûleur

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

1. Des chaudières dont le brûleur est un brûleur gaz pulsé traditionnel (souvent 2 allures) commercialisé séparément de la chaudière à condensation.
2. Des chaudières dont le brûleur est un brûleur à prémélange avec ventilateur (rampe de brûleurs, brûleurs radiant, …), modulant (de 10 à 100 % de leur puissance nominale). La modulation du brûleur se fait soit par variation de vitesse du ventilateur, soit par étranglement variable de la pulsion d’air et de gaz.
3. Des chaudières gaz à brûleur atmosphérique à prémélange, sans ventilateur. Ces brûleurs sont à une ou 2 allures. Étant donné la technologie assez basique appliquée (contrôle moindre de l’excès d’air, pas de modulation de la puissance), ces chaudières présentent généralement de moins bonnes performances que les 3 premières catégories ci-dessus.

Type d’alimentation en air

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

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

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

Irrigation

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

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

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

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

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

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

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

Certaines nouvelles chaudières gaz à condensation se caractérisent par l’absence d’isolation dans la jaquette. Et pourtant, leurs pertes vers l’ambiance sont très faibles.
Il y a plusieurs raisons à cela :

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

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

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

 Exemples de chaudière à condensation

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

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

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

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

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

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