Energie Plus Le Site

Outil d'aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire. Réalisé par Architecture et Climat, Faculté d'architecture, d'ingénierie architecturale, d'urbanisme (LOCI), site de Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Belgique avec le soutien de la Wallonie.

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Category Archives: Chauffage

slowheat
Author Image Posted By : Gregory Leonard 9 Mar, 2023

La démarche Slowheat

 

De quoi s’agit-il ?

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

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

Principes

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

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

Ressources

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

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

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

Slowheat à l’école des Bruyères

 

Author Image Posted By : 19 Mar, 2009

Coefficients de performance d’une PAC

Le COP du groupe moto-compresseur

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

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

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

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

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

Le COP global de la PAC

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

   Puissance thermique au condenseur (chaleur restituée dans le bâtiment)

COP = ————————————————————————–

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

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

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

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

Le COP global de l’installation

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

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

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

Le COP saisonnier ou global annuel de l’installation

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

Il vaut le rapport des valeurs mesurées :

 énergie calorifique restituée dans le bâtiment sur une saison de chauffe

COPA = ————————————————————————–

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

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

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

Le facteur de performance saisonnier SPF

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

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

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

Le rendement en énergie primaire des PAC

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

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

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

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

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

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Hydraulique

Hydraulique

A quoi sert un circulateur ? Notion de perte de charge

Pour que de l’eau avance dans une conduite, il faut qu’elle soit soumise à une différence de pression.

On peut dire que la pression plus forte au point A « pousse » l’eau vers la pression plus faible au point B.

Le déplacement de l’eau va s’accompagner de frottements qui engendre une perte de pression. On peut dire que la chute de pression entre les points A et B correspond aux frottements du fluide sur les parois de la canalisation. Elle est appelée la « perte de charge » du point A au point B.

Dans un circuit fermé, l’eau circule de A vers B parce que la pression au refoulement de la pompe est supérieure à la pression à l’aspiration.

PA – PB = perte de charge du réseau entre A et B = hauteur manométrique du circulateur.

Le gain de pression ainsi fourni par le circulateur est appelé sa « hauteur manométrique« . Cette hauteur manométrique du circulateur ne peut que correspondre à la perte de charge entre A et B.

Répartition du débit entre plusieurs circuits – Notion d’équilibrage

Le débit fourni par le circulateur doit se répartir entre 3 circuits identiques (dont les débits nécessaires sont les mêmes). On imagine également pour le calcul que la perte de charge dans chaque tronçon (AC, CD, DE, FG, GH et HB) est de 1 mCE (ou 0,1 bar) (dans un dimensionnement de réseau, on choisit une perte de charge constante par m de tuyau).

Si au point A, la pression est de 2,6 bar, elle sera de 1,9 bar au point B, pour que l’eau se mette en mouvement avec le débit voulu.

Si l’eau circule de A à F, c’est qu’il règne une différence de pression entre ces 2 points de 0,4 bar. Si l’eau circule de D à G, c’est grâce à une différence de pression de 0,3 bar.

Voici une première incohérence : dans le radiateur 1, la perte de charge est de 0,1 bar, ce qui lui donne son débit correct, mais elle est de 0,3 bar dans le radiateur 2. Il y a donc plus de débit dans le radiateur 2 que dans le radiateur 1, alors que les 2 radiateurs sont identiques. Le circuit est déséquilibré et il y aura surchauffe dans le local 2 ou manque de chaleur dans le local 1.

Il faut donc ramener la chute de pression dans le radiateur 2 à 0,1 bar pour que celui-ci délivre la même puissance que le radiateur 1. Cela s’effectue au moyen d’un robinet d’équilibrage sur lequel on créera une perte de charge de 0,2 bars.

Une situation semblable se pose pour le radiateur 3 pour lequel le robinet d’équilibrage devra créer une perte de charge de 0,4 bar.

Ce réseau est ainsi correctementéquilibré et un débit identique passe dans chaque radiateur.

Courbe caractéristique du réseau de distribution

La résistance du réseau de distribution dépend d’une part de sa configuration (longueur et forme des conduits, changements de direction, obstacles comme les vannes, les corps de chauffe, les filtres, …) et d’autre part de la vitesse de l’eau qui y circule. En effet, la résistance, ou autrement dit les pertes de charge, représente le frottement de l’eau dans les conduits. Ce dernier augmente avec la vitesse de l’eau.

Pour chaque type de circuit, on peut ainsi tracer une courbe qui représente la perte de charge en fonction du débit d’air, image de la vitesse.

Point de fonctionnement

Si l’on branche un circulateur sur un circuit de distribution, il stabilisera son débit à une valeur pour laquelle la pression qu’il fournit équivaut à la résistance du circuit. Ce point est le seul point de fonctionnement possible. Il correspond à l’intersection de la courbe caractéristique du circulateur et du circuit. Il définit la hauteur manométrique et le débit fournis par le circulateur lorsque, fonctionnant à une vitesse donnée, il est raccordé au circuit considéré.

Règles de similitude

Variation des grandeurs caractéristiques d’un circulateur lorsqu’on modifie sa vitesse à partir d’un point de fonctionnement donné
q1 / q2 = n1 / n2

Légende :

q = débit volume [m³/h]

n = vitesse de rotation [tr/min]

p = gain de pression [mCE ou bar]

Pw = puissance sur l’arbre [kW]
p1 / p2 = (n1 / n2)² = (q1 / q2)²
Pw1 / Pw2 = (n1 / n2)³ = (q1 / q2)³
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Economie réalisée grâce à l’intermittence du chauffage

Economie réalisée grâce à l'intermittence du chauffage

Image de l’économie : la température intérieure

La consommation d’une installation de chauffage est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de chauffage comme suit :

Schéma consommation de chauffage - 01.

Schéma consommation de chauffage - 02.

Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.

On voit donc que plus la température intérieure chute et plus le temps pendant lequel cette température est basse est important, plus l’économie d’énergie réalisée grâce à l’intermittence est importante.

Paramètres influençant l’économie

Si l’installation est coupée la nuit et le week-end, quelles seront les économies engendrées ? La figure ci-dessous résume les différents paramètres qui influencent le bilan thermique.

Schéma paramètres influençant l'économie.

L’économie est fonction du degré d’isolation

Plus le bâtiment est isolé, moins la chaleur emmagasinée s’échappera et plus la température intérieure restera stable lors de la coupure du chauffage. L’économie réalisée sera faible.

Au contraire, lorsque le chauffage est coupé dans un bâtiment peu isolé (des façades très vitrées, par exemple, avec des infiltrations d’air importantes)), la température intérieure chute rapidement. C’est dans ce genre de bâtiment « passoire » que le placement d’un régulateur-programmateur sera le plus rentable.

L’économie est fonction de l’inertie de bâtiment

Imaginons un local très lourd, très inerte (anciennes constructions massives) : la température intérieure chutera peu durant la coupure de nuit, car beaucoup de chaleur s’est accumulée dans les murs. Les économies seront faibles… . Par exemple, il ne sert à rien de placer un optimiseur dans un château fort.

Par contre, si le bâtiment est du type préfabriqué, fait de poutrelles et de cloisons légères : dès que le chauffage s’arrêtera, la température chutera. Dans ce cas, la consommation est pratiquement proportionnelle à l’horaire de chauffe. C’est l’exemple de la voiture qui monte rapidement en température dès l’apparition du soleil et qui se refroidit très vite aussi dès que l’on coupe le chauffage.

L’économie est fonction de la durée de coupure

Une coupure d’un week-end est beaucoup plus efficace qu’une coupure nocturne. La coupure sur le temps de midi est sans intérêt.

Économie d’énergie suite à un abaissement nocturne pour différents types de bâtiments en fonction de la durée de l’arrêt de chauffage. Le pourcentage d’économie se rapporte à un chauffage permanent.
  1. Bâtiments de construction légère
  2. Bâtiments de construction lourde

Par exemple, une interruption du chauffage de 12 heures génère 11 % d’économie dans un bâtiment de construction légère (faible inertie thermique). On gagne encore 5% si on coupe 2 heures de plus.

Source : Staefa Control.

L’économie est fonction du sur-dimensionnement de l’installation de chauffage

Si l’installation est très puissante (chaudière et radiateurs surdimensionnés), la relance du matin pourra se faire en dernière minute. Et donc la température intérieure de nuit pourra être plus faible.

Si l’installation est dimensionnée au plus juste, par les plus grands froids, il sera impossible de couper l’installation la nuit, sous peine de ne pouvoir assurer le confort au matin. Aucune économie ne sera possible.

L’économie est fonction du type d’installation de chauffage

Si le chauffage est assuré par un système à air chaud (chauffage très peu inerte), la mise en régime et l’arrêt du chauffage sont immédiats. Si l’installation est réalisée par un système de chauffage par le sol (chauffage très inerte), les temps de réponse seront forts longs et l’intermittence n’est guère envisageable …

Exemple

Exemple.

(Source : « Guide pour la pratique de l’Intermittence du chauffage dans le tertiaire à occupation discontinue », ADEME, 1989)

Trois bâtiments, respectivement de 500 (1 niveau), 2 000 (2 niveaux) et 4 000 m² (4 niveaux) sont chauffés 10 h par jour et 5 jours par semaine.

Le niveau de surpuissance de l’installation de chauffage est assez élevé puisqu’il atteint 2 fois les déperditions (calculées avec un taux de ventilation réduit).

Trois niveaux d’isolation ont été repris :

  • Peu isolé : simples vitrages, murs non isolés.
  • Très isolé : doubles vitrages, murs avec 8 cm d’isolant.
  • Bien isolé : niveau intermédiaire entre les 2 précédents.

Trois modes de coupure sont proposés :

Économie par rapport au fonctionnement continu

Mode de ralenti

Isolation

500 m²

2 000 m²

4 000 m²

Abaissement de température d’ eau
– peu isolé 12,5 % 11,4 % 10,8 %
bien isolé 11,7 % 10,9 % 10,3 %
très isolé 10,2 % 9,5 % 8,3 %

Coupure (horloge)
faible inertie
(150 kg/m²) 		peu isolé 37,7 % 31,9 % 29,5 %
bien isolé 33,8 % 29,6 % 26,6 %
très isolé 26,5 % 22,6 % 17,0 %
forte inertie
(400 kg/m²) 		peu isolé 37,5 % 28,0 % 25,0 %
bien isolé 30,6 % 25,2 % 22,0 %
très isolé 21,9 % 18,2 % 13,7 %
 

Optimiseur

faible inertie
(150 kg/m²) 		peu isolé 38,5 % 33,4 % 31,2 %
bien isolé 35,0 % 31,4 % 28,7 %
très isolé 28,6 % 25,1 % 20,1 %
forte inertie
(400 kg/m²) 		peu isolé 38,2 % 31,2 % 28,6 %
bien isolé 33,4 % 28,7 % 25,8 %
très isolé 25,6 % 22,2 % 17,6 %

Température de consigne

Le gain énergétique provient de la diminution des déperditions nocturnes. Et donc, plus la température intérieure descendra, plus l’économie augmentera. Il ne faut pas descendre sous une température de 12°C, parce que :

  • Cette température correspond au point de rosée de l’ambiance et que des problèmes de condensation pourraient se poser.
  • Malgré la relance du lundi matin, la température des murs serait trop froide et engendrerait de l’inconfort pour les occupants.
  • Maintenir 12°C dans le local témoin (où se trouve la sonde de régulation), c’est maintenir l’ensemble du bâtiment hors gel.

Une consigne de 16°C durant la nuit (voire moins) et 14°C durant les week-ends et les périodes scolaires est donc recommandée.

Il faut en outre savoir que cette température de consigne ne sera que rarement atteinte (uniquement en plein hiver), ce du fait de l’inertie thermique du bâtiment qui ralentit la chute de température.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Rendement d’une installation de chauffage central

Rendement d'une installation de chauffage central

Définition

Le rendement global d’une installation de chauffage central est le rapport entre les besoins réels en chauffage et la consommation annuelle :

ηglobal = besoins réels [kWh] / consommation annuelle [kWh]

Le ηglobal est donc le reflet de toutes les pertes liées à l’installation de chauffage :

ηglobal = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation

ηglobal = 100 % – % pertes de production – % pertes de distribution – % pertes d’émission – % pertes de régulation

> ηproduction

Au niveau de la chaudière, les pertes consistent en :

  • Des pertes par les fumées. L’entièreté de la chaleur contenue dans le combustible n’est pas transmise à l’eau. En effet, les fumées sont évacuées à une température relativement élevée.
  • Des pertes par rayonnement. Une partie de la chaleur de la flamme est transmise à des parois de la chaudière, non en contact avec de l’eau. Cette chaleur est perdue vers la chaufferie.
  • Des pertes à l’arrêt. En dehors des périodes de fonctionnement du brûleur, la chaudière perd sa chaleur vers la chaufferie, au travers de ses parois. De plus, si le foyer de la chaudière reste ouvert, un courant d’air refroidit le corps de la chaudière et évacue sa chaleur vers la cheminée.

> ηdistribution

Lorsque des conduits de distribution d’eau chaude parcourent des locaux non chauffés (chaufferie, vide ventilé, couloir, grenier, extérieur, …), ceux-ci perdent une partie de leur chaleur et celle-ci ne peut être récupérée utilement pour le bâtiment.

Il en va de même pour les vannes, circulateurs,… situés dans des endroits ne devant pas être chauffés.

> ηémission

Une partie de la chaleur émise par les émetteurs de chaleur (radiateurs, chauffage par le sol, …) est directement perdue sans avoir pu profiter au local.

Par exemple, un radiateur placé sur une paroi extérieure rayonne directement vers cette dernière. De même, un radiateur placé en dessous d’une fenêtre augmente la température de l’air le long de cette dernière et donc accentue ses déperditions.

> ηrégulation

Toute décalage (en puissance et en temps) entre la fourniture de chaleur et les besoins instantanés constitue une perte.

Par exemple, lorsque l’émission de chaleur ne se réduit pas à l’apparition du soleil dans un local.

Par exemple, l’inertie du bâtiment et de l’installation impliquent que la température intérieure ne se réduit pas instantanément lors de la mise au ralenti de l’installation. La remise en régime n’est pas, non plus instantanée, et demande d’anticiper l’occupation.

Ordre de grandeur

Type d’installation

Rendements en %
(ηglobal = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation)

ηproduction

ηdistribution

ηémission

ηrégulation

ηglobal
Très ancienne chaudière surdimensionnée ou très peu performante, longue boucle de distribution (années 60-70) 75 .. 80 % 80 .. 85 % 90 .. 95 % 85 .. 90 % 46 .. 58 %
Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution 80 .. 85 % 90 .. 95 % 95 % 90 % 62 .. 69 %
Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, … (années 90 et début 2000) 90 .. 93 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 77 .. 82 %
Chaudière mazout à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense 97 .. 98 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 83 .. 87 %
Chaudière gaz à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense 101 .. 103 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 87 .. 91 %

Découvrez cet exemple de remplacement du système de chauffage (chauffage central à mazout) à la Maison de Repos et de Soins Ferdinand Nicolay à Stavelôot.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Régime de dimensionnement

Régime de dimensionnement

Un équipement de chauffage (chaudière, radiateur ou batterie de chauffage) est « dimensionné en régime 90/70 »

Que signifie cette expression ?

Prenons l’exemple d’un radiateur :

Pour assurer le confort (température de consigne de 20°C) dans un local, pour une température extérieure extrême de – 10°C (température dite « de base », fonction de la région), le calcul des déperditions indique qu’il faut un radiateur de 2 000 W.

Si on choisit un radiateur de 2 000 W dimensionné en régime 90/70, cela signifie que l’eau entre dans le radiateur à 90°C, qu’elle cède 2 000 W de chaleur au local à 20°C, et sort avec une température de 70°C.

Si on choisit un radiateur de 2 000 W dimensionné en régime 70/50, cela signifie que, si on alimente le radiateur avec de l’eau à 70°C, celle-ci cédera 2 000 W de chaleur au local à 20°C, et ressortira avec une température de 50°C.

Évidement, la différence de température entre le local et la température moyenne du radiateur est plus faible :(60°C – 20°C) au lieu de (80°C – 20°C). Pour fournir la même puissance, la surface du radiateur deviendra plus importante.

Or la puissance émise par un radiateur varie en fonction de la différence de température entre le local et la température moyenne du radiateur, le tout exposant 1,3.

La surface du radiateur dimensionné en régime 70/50 sera de :

1 / ( (60 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C]) ) Exp 1,3 = 1,69 ou 169 [%]

Notons que la norme NBN EN 442-1 (1996) propose que la puissance nominale des radiateurs et convecteurs reprise par le fabricant pour caractériser leur matériel, soit calculée pour une différence de température de 50°C entre l’eau du radiateur et l’air ambiant, soit un régime 80/60.

La surface du radiateur dimensionné en régime 80/60 sera de :

1 / ( (70 [°C] – 20 [°C]) / (80 [°C] – 20 [°C]) ) Exp 1,3 = 1,26 ou 126 [%]
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Rendement d’une chaudière

Date : page réalisée sous l’hégémonie Dreamweaver

Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 06.02.09

  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Lorsque l’on caractérise les performances d’une chaudière, il faut distinguer le rendement de la chaudière lorsque le brûleur est en fonctionnnement, c’est le rendement nominal ou utile et le rendement global sur toute la saison de chauffe, c’est le rendement saisonnier. Ce dernier prend en compte non seulement les performances pendant les périodes de marche, mais aussi pendant les périodes d’arrêt du brûleur.

Rendement nominal ou rendement utile

Le rendement utile ηutile d’une chaudière est son rendement instantané lorsque le brûleur fonctionne. C’est le rapport entre la puissance contenue dans le combustible et la puissance thermique transmise à l’eau de chauffage

ηutile = Pu / Pa

où,

  • Pa = puissance contenue dans le combustible = débit de combustible x son pouvoir calorifique PCI (ou PCS)
  • Pu = puissance utile de la chaudière ou puissance fournie à l’eau de chauffage

Il s’agit d’un rendement instantané qui peut varier en fonction des conditions d’exploitation de la chaudière (température de l’eau, puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière). Le fabricant de chaudières doit pouvoir fournir sa valeur à charge nominale et dans des conditions de combustion idéales (rendement nominal) dans leur documentation technique.
La différence entre la puissance utile fournie à l’eau (Pu) et la puissance contenue dans le combustible est constituée de pertes :

  • Vers la cheminée. Les fumées de combustion sont évacuées encore chaudes. Cette chaleur est perdue.
  • Vers la chaufferie. La chaudière est comme un gros radiateur qui émet de la chaleur vers l’ambiance de la chaufferie.

Pertes d’une chaudière lorsque son brûleur est en fonctionnement.

Le rendement utile d’une chaudière peut donc s’exprimer sous la forme:

ηutile = (Pa – Pertes fumées – Pertes ambiance) / Pa

En pratique, on utilise souvent la forme :

ηutile = ηcomb – %qr

où,

    • ηcomb = rendement de combustion [%]
    • %qr = pourcentage de réduction due aux pertes vers l’ambiance durant le fonctionnement du brûleur

Pertes par les fumées et rendement de combustion

Les pertes par les fumées proviennent

  • De la chaleur sensible contenue dans les fumées qui sont nettement plus chaudes que l’air aspiré dans la chaufferie.
  • De la chaleur latente, si la vapeur d’eau contenue dans les fumées n’est pas entièrement condensée. Cette perte est prise en compte dans le rendement chiffré si on compare l’énergie fournie au Pouvoir Calorifique Supérieur.
  • Des imbrûlés issus d’un mauvais mélange entre l’air et le combustible, provoquant la production de CO au lieu de CO2 (la chaleur dégagée est alors inférieure à celle fournie par une combustion complète).

Le rendement de combustion se définit comme :

ηcomb = (Pa – Pertes fumées) / Pa

où,

  • Pa = puissance contenue dans le combustible = débit de combustible x PCI (ou PCS)

Le rendement de combustion est le plus souvent calculé par rapport au pouvoir calorifique inférieur (PCI) du combustible. Il en résulte des rendements souvent supérieurs à 100 % pour les chaudières à condensation.
Le rendement de combustion est l’image de la qualité de la combustion et de l’échange entre thermique entre les fumées et le fluide caloporteur.
En pratique, on exprime souvent le rendement de combustion par la formule de Siegert :

ηcomb = 100 – f x (Tfumées – Tamb) / %CO2

où :

  • Tfumées = la température des fumées à la sortie de la chaudière [°C]
  • Tamb = température ambiante de la chaufferie [°C]
  • %CO2 = la teneur en CO2 des fumées [%]
  • f = facteur dépendant principalement du type de combustible (mazout : f = .. 0,57 ..; gaz naturel : f = .. 0,47 ..)

On relève les deux éléments clés de cette formule

  • La température des fumées. Plus celle-ci est élevée, plus il y a de perte de chaleur vers la cheminée, et moins bon est l’échange entre l’eau et les fumées.
  • Le pourcentage de CO2 contenu dans les fumées qui symbolise la transformation complète du combustible.

Evolution du contenu des fumées avec l’excès d’air [%] de combustion.

Pertes par l’ambiance

Les pertes vers l’ambiance proviennent de l’échange thermique par rayonnement et convection entre la chaudière et son environnement. Ces pertes proviennent d’une part de la masse d’eau chaude présente dans la chaudière et d’autre part des parties non irriguées de la chaudière qui s’échauffent directement sous le rayonnement de la flamme. On parle dans ce dernier cas de pertes par parois sèches.
Les pertes par l’ambiance sont fonction notamment de la température moyenne de l’eau dans la chaudière, de la configuration de cette dernière et de son degré d’isolation (attention aux surfaces non isolées telles que les portes ou le socle). Elles sont donc en partie dépendantes de la vétusté de la chaudière et de sa régulation.

  1. Chaudière au charbon convertie au fuel.
  2. Chaudière gaz atmosphérique.
  3. Chaudière fuel ou gaz à brûleur pulsé.

Pertes vers l’ambiance totales (pertes par parois sèches + pertes par parois irriguées) des anciennes chaudières lorsque le brûleur est en action, en pourcentage de la puissance de la chaudière.

Source : le Recknagel.

Rendement saisonnier

Le rendement saisonnier ηsais est le rapport entre l’énergie totale transmise à l’eau de chauffage durant toute la saison de chauffe Qu et l’énergie contenue dans le combustible consommé durant cette période Qa :

ηsais = Qu / Qa

C’est ce rendement qui permet de chiffrer les performances globales de la chaudière. La consommation en combustible est directement à celui-ci.

Pertes à l’arrêt

La puissance des chaudières étant dimensionnée pour des températures extérieures extrêmes, celles-ci fonctionneront la plupart du temps à charge partielle. Dans ce cas, le brûleur, à l’exception des brûleurs modulants, alternera les périodes de fonctionnement et les périodes d’arrêt, de manière à obtenir la puissance moyenne nécessaire.
Le rendement nominal ne représentant que les performances de la chaudière durant le fonctionnement du brûleur, il importe d’introduire la notion de rendement saisonnier qui prendra également en compte les pertes de la chaudière durant les périodes d’arrêt de ce dernier.
Lorsque le brûleur est à l’arrêt, la chaudière conserve une certaine température. Dès lors, elle échangera de la chaleur :

  • Par rayonnement et convection, avec l’ambiance de la chaufferie (on peut la considérer comme un gros radiateur). Remarquons que cette perte est inférieure aux pertes vers l’ambiance décrites ci-dessus. En effet lorsque le brûleur est en fonctionnement, certaines parties de la chaudière non en contact avec l’eau, s’échauffent par le rayonnement de la flamme (porte, le bas de la chaudière s’il n’est pas irrigué, …), ce qui augmente les pertes totales vers l’ambiance..
  • Par convection interne vers la cheminée. On parle de pertes par balayage. En effet, si l’amenée d’air du brûleur reste ouverte à l’arrêt (brûleur à air pulsé gaz ou fuel sans clapet d’air automatique ou brûleur gaz atmosphérique), l’intérieur chaud de la chaudière est en permanence parcouru par un courant d’air qui évacue sa chaleur vers la cheminée par tirage naturel.

Pertes à l’arrêt d’une chaudière.

Ces deux types de perte constituent les pertes à l’arrêt ou d’entretien de la chaudière. Les pertes d’entretien d’une chaudière s’expriment au travers d’un pourcentage de la puissance nominale de la chaudière : le coefficient d’entretien ou de pertes à l’arrêt qE :

Pertes à l’arrêt [kW] = qE x Puissance nominale chaudière [kW]

Le coefficient qE d’une chaudière est repris dans sa documentation technique en fonction de sa température de fonctionnement.
qE varie en fonction de cette température, approximativement, suivant la formule :

qE2 = qE1 x ( (Tchau 2 – Tamb) / (Tchau 1 – Tamb) ) 1,25

où,

  • qE2, qE1 = les coefficients de perte à l’arrêt pour une température d’eau de chaudière respectivement de Tchau 2 et Tchau 1 et une température de chaufferie de Tamb.

Expression du rendement saisonnier

On peut exprimer le rendement saisonnier d’une chaudière par la formule de Dittrich :

ηsais = ηutile / (1 + qE x (nT/nB – 1))

où,

  • ηutile = rendement utile (quand le brûleur fonctionne)
  • nT = nombre total d’heures de la saison de chauffe [h] (environ 5 800 heures en moyenne Belgique et environ 6 500 heures dans l »entre Sambre et Meuse » et en haute Belgique)
  • nB = nombre d’heures de fonctionnement du brûleur durant l’année [h]
  • nB/nT = temps de fonctionnement du brûleur / temps d’utilisation de la chaudière, est aussi appelé facteur de charge de la chaudière

Facteurs d’influence du rendement saisonnier

Le rendement saisonnier augmente :

  • quand le réglage de la combustion est optimal (augmentation du rendement de combustion),
  • quand la température de l’eau diminue (augmentation de l’échange entre les fumées et l’eau et diminution des pertes à l’arrêt),
  • quand la puissance du brûleur est la plus proche possible des besoins (augmentation du facteur de charge et diminution des temps d’arrêt de la chaudière), c’est-à-dire, en ne surdimensionnant pas le brûleur, en utilisant un brûleur 2 allures ou modulant).

Par exemple, un brûleur modulant (gaz ou fuel) qui pourrait faire varier sa puissance entre 0 et 100 % (matériel n’existant pas sur le marché), fonctionnerait en permanence, supprimant ainsi les temps d’attente de la chaudière. Le facteur de charge de la chaudière serait égal à 1 et le rendement saisonnier serait égal au rendement utile, c’est-à-dire quasi égal au rendement de combustion (aux pertes vers l’ambiance près).

Exemple.

Une ancienne chaudière de 500 kW équipée d’un brûleur d’une puissance de 450 kW a un rendement de combustion mesuré de 88,7 %.

Ses pertes vers l’ambiance sont estimées à 1 %.

Son brûleur n’est pas équipé d’un clapet d’air se refermant à l’arrêt. Ses

pertes à l’arrêt sont estimées à 2 % (1,5 % pour les pertes par balayage et 0,5 % pour les pertes vers la chaufferie).

La consommation du bâtiment est de 39 000 litres de fuel par an. Le temps de fonctionnement du brûleur est donc de :

39 000 [litres/an] x 10 [kWh/litre] / 450 [kW] = 867 [h/an]

pour une saison de chauffe de 5 800 h/an.Le rendement saisonnier de cette chaudière est donc estimé à :

ηsais = (88,7 [%] – 1 [%]) / (1 + 0,02 x
(5 800 [h/an] / 867 [h/an] – 1)) = 78,7 [%]

Si on rénovait l’installation en l’équipant d’une chaudière moderne redimensionnée de 250 kW. Les pertes à l’arrêt de la nouvelle chaudière sont de 0,2 %. Le rendement utile annoncé par le constructeur est de 93 %.

Comme la puissance de la chaudière a été divisée par 1,8, le temps de fonctionnement sera augmenté dans la même proportion :

nB = 867 [h/an] x 1,8 = 1 560 [h/an]

Le rendement saisonnier de cette chaudière sera donc estimé à :

ηsais = (93 [%]) / (1 + 0,002 x (5 800 [h/an] /
1 560 [h/an] – 1)) = 92,5 [%]

Grâce à cette rénovation, la consommation énergétique sera abaissée à :

39 000 [litres/an] / 92,5 [%] x 78,7 [%] = 33 181 [litres/an]

Calculs

 Pour estimer le rendement saisonnier de votre propre installation (sur base du climat moyen d’Uccle), cliquez ici !

Calculs

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Pertes au démarrage et à l’arrêt du brûleur

Attention, la mesure du rendement de combustion ne prend en compte la qualité de combustion que lorsque le brûleur est en régime. Elle néglige les pertes qui apparaissent lors de l’allumage et de l’arrêt du brûleur.
Dans la pratique et, même avec un brûleur le plus finement réglé, il est impossible d’éviter, à certains moments, la formation de CO, d’imbrûlés et d’émissions polluantes comme les NOx. Ces derniers sont évidemment toxiques et leur formation diminue légèrement le rendement de combustion moyen et accélère l’encrassement de la chaudière.
Ils apparaissent inévitablement au démarrage et à l’arrêt du brûleur. Au démarrage, par exemple, on injecte du combustible qui doit s’enflammer. Les premières gouttes ne pourront le faire correctement car elles ne se trouveront pas dans les conditions idéales de mélange et de température. Un phénomène semblable se déroule à l’arrêt pour les dernières gouttes injectées.
Il est difficile de chiffrer les pertes et les émissions polluantes complémentaires que cela engendre. Il faut cependant avoir en tête celles-ci seront d’autant plus importantes que le nombre de cycles de marche/arrêt des brûleurs est élevé.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Combustion et combustibles

Date : page réalisée sous l’hégémonie Dreamweaver

Auteur : les anciens, actualisée par Laurent (2010).

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 06.02.09

  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
  • Mise en page 2eme, Sylvie (08/2010).

Définition

La combustion peut être définie comme la réaction chimique qui a lieu lors de la combinaison entre l’oxygène et une matière combustible. Cette réaction est globalement exothermique, c’est-à-dire qu’elle se produit avec un dégagement de chaleur. Dans le cas du bâtiment, cette chaleur est essentiellement utilisée pour maintenir une température de confort.
Les combustibles sont multiples (gaz, pétrole, bois, charbon, …) mais ils ont un point commun : celui de contenir principalement des hydrocarbures, c’est-à-dire des combinaisons multiples de carbones et d’hydrogènes. La composition des combustibles peut être représentées par la formule générique :

C Hy Ox

soit pour un atome de carbone (C), on trouve en moyenne « y » atomes d’hydrogène (H) et « x » atomes d’oxygène (O).

Combustible Composition générique typique
Biomasse C H1.44 O0.66
Charbon (tourbe) C H1.2 O0.5
Charbon (anthracite) C H0.4 O0.02
Pétrole C H1.8
Gaz C H3.75 … C H3.95

Par exemple, le CH4, appelé méthane, est le constituant principal du gaz naturel (entre 83 % et 88 % en volume). Un litre de fuel, est, quant à lui, constitué d’environ 726 gr de carbone (C), 110 gr d’hydrogène (H) et 2 gr de soufre (S). De manière générale, on constate qu’il y a plus d’oxygène dans la biomasse que dans les combustibles fossiles.

Produits de la combustion

Deux produits principaux résulteront d’une combustion correcte : du dioxyde de carbone (ou CO2) et de l’eau (ou H2O).
En effet, si on considère la combustion « stoechiométrique » (c’est-à-dire contenant la quantité d’oxygène exacte pour faire réagir le combustible de manière parfaite), on obtient,

CHyOx + (1 + y/4 – x/2) O2 —› CO2  + y/2 H2O

Par exemple, on obtient pour le méthane

CH4 + 2 O2 —› CO2 + 2 H2O

C’est le CO2 dont on parle au niveau de la pollution atmosphérique et de la problématique du réchauffement de la planète qu’il entraîne. Il est principalement lié à l’utilisation des combustibles fossiles, elle-même liée à l’activité économique. Voici 2>les ordres de grandeur du CO2 produit.

Production de CO2 lors de la combustion de
(on peut estimer grossièrement qu’au niveau valeur énergétique, 1 m³ de gaz = 1 litre de fuel) :
1 m³ de gaz 2 kg CO2/m³
1 litre de fuel 2,7 kg CO2/litre

Les fumées en sortie de chaudière contiendront également de la vapeur d’eau (H2O).

Production de H2O lors de la combustion de
1 m³ de gaz 1,68 kg/m³
1 litre de fuel 0,9 kg/litre

Mais l’oxygène provient de l’air atmosphérique et celui-ci contient également de l’azote (N), qui théoriquement reste neutre dans la réaction de combustion et devrait être rejeté comme tel dans les fumées. Cependant, sous certaines conditions de combustion, cela n’est pas le cas. En effet, l’azote se combine avec l’oxygène pour former des oxydes d’azote NO, NO2, N2O,… rassemblés sous la dénomination NOx. Ceux-ci sont en partie responsables des pluies acides.
Les combustibles contiennent également des traces d’autres éléments dont la combustion est nocive pour l’environnement. Le principal est le soufre dont l’oxydation fournira du SO2 et du SO3. Ce dernier formera de l’acide sulfurique par combinaison avec de l’eau (par exemple, lors du contact entre les fumées et les nuages). C’est ce qui entraîne aussi la formation de pluie acide.
Si le gaz naturel ne contient pratiquement pas de soufre, le mazout et le charbon sont à ce niveau assez polluants et la réglementation vise à abaisser la teneur en souffre maximale autorisée.
En résumé, les produits de la combustion sont principalement constitués de CO2, d’H2O, de NOx et de SOx.

Quantité d’air nécessaire

La quantité d’air nécessaire pour brûler 1 m³ ou 1 litre de combustible dépendra des caractéristiques de celui-ci. Mais il est bon d’avoir en tête un ordre de grandeur.

« La combustion 1 m³ de gaz naturel ou d’1 litre de fuel requiert environ 10 m³ d’air à 15°C »

À cette quantité « stoechiométrique », c’est-à-dire requise par l’équation chimique de la combustion, s’ajoute un léger excès d’air pour s’assurer que toutes les molécules de combustible soient bien en contact avec l’oxygène. En effet, il faut prévoir que certaines molécules d’oxygène vont traverser le foyer sans se lier au combustible. Dit autrement, il faut éviter d’avoir des zones, des poches, où le processus de combustion viendrait à manquer localement d’oxygène.
On travaille donc avec un excès d’air comburant qui s’élève par exemple pour la combustion du fuel à environ 20 %. Il faut donc prévoir 12 m³ d’air pour brûler 1 litre de fuel.
Lorsqu’une combustion se fait avec une arrivée insuffisante d’oxygène, on parle de combustion incomplète. Celle-ci se traduit par la production d’imbrûlés (suies qui encrassent la chaudière) ou d’éléments partiellement oxydés, pouvant encore brûler, comme le monoxyde de carbone (CO).

Le CO est un gaz très dangereux : il est inodore, il passe dans le sang, se fixe sur l’hémoglobine à la place de l’oxygène et empêche le transport de celui-ci jusqu’aux cellules. Une teneur de 0,2 % de CO dans l’air entraîne la mort en moins d’une demi-heure …

La figure suivante montre l’évolution de la composition des fumées en fonction de l’excès d’air dans le cas d’une combustion à prémélange (d’air et du combustible). On constate qu’en présence d’un manque d’oxygène, il y production de CO. Lorsque l’excès d’air augmente au-delà d’une certaine valeur, la teneur en CO2 des fumées diminue par dilution, dilution qui diminue le rendement de combustion dans la mesure où les fumées ont une température plus basses.

Evolution du contenu des fumées avec l’excès d’air [%] de combustion : cas de la combustion avec prémélange air-combustible (par exemple mélange d’air et de gaz naturel).

Le pouvoir calorifique d’un combustible

Généralités

Le pouvoir calorifique d’un combustible est la chaleur que peut dégager la combustion complète d’une unité de combustible. Dans le milieu scientifique, on l’exprime souvent en kJ/kg de combustible. Néanmoins, suivant le domaine d’application, on peut l’exprimer dans d’autres unités plus pratiques, par exemple, en kWh/m³ pour le gaz ou kWh/litre pour le fuel.
Dans les produits de la combustion, il y a de la vapeur d’eau, issue de la réaction de l’hydrogène du combustible. Dans certains appareils de combustion, l’eau reste à l’état de vapeur et s’échappe dans cet état vers la cheminée. La chaleur nécessaire pour vaporiser l’eau est donc perdue. Au contraire, certains appareils permettent de condenser l’eau et de récupérer l’énergie dégagée par l’eau pendant son changement de phase. On pense typiquement aux chaudières dites à condensation qui utilisent ce procédé pour augmenter leur rendement.
Sur base de cette distinction, on définit deux pouvoirs calorifiques :

  • Le pouvoir calorifique inférieur (PCI ou Hi), mesuré en conservant l’eau à l’état vapeur,
  • Le pouvoir calorifique supérieur (PCS ou Hs), mesuré après avoir récupéré la chaleur de condensation de l’eau.

Cas des combustibles « purs »

Exemples :

  • Le gaz « riche » algérien présente un PCI d’environ 36 MJ/m³N et un PCS d’environ 40 MJ/m³N.
  • Le fuel présente un PCI d’environ 36 MJ/litre et un PCS d’environ 39 MJ/litre.
PCI du combustible

Vecteur

 Unité en MJ (en kWh) (en Wh)
Gaz naturel pauvre m³ 32,97 9,16 9 160
Électricité kWh 3,6 1 1 000
Gaz butane kg 45,56 12,66 12 660
Gaz naturel riche m³ 36,43 10,12 10 120
Houille kg 29,3 8,14 8 140
Anthracite 10/20 kg 31,4 8,72 8 720
Coke kg 28,5 7,92 7 920
Propane L 23,72 6,59 6 590
Gasoil chauffage L 35,87 9,96 9 960
Fuel léger L 36,37 10,10 10 100
Fuel moyen L 37,68 10,47 10 470
Fuel lourd L 38,16 10,60 10 600
Fuel extra lourd L 38,58 10,72 10 720

On peut déduire le PCI par unité de masse d’un combustible pur caractérisé par la composition CHyOx par la formule expérimentale suivante exprimée en MJ/kg :

PCI = enthalpie de réaction / masse molaire = [(393.6 + 102.2 y – (110.6 + 204.4 y) x ) / (1 + y)]  /  [12 + y + 16 x]  en [MJ/kg]

Cette formule est d’application pour tous les combustible, qu’ils soient fossiles ou issus de la biomasse. Néanmoins, il donne l’énergie pour un combustible pur (c’est-à-dire non dilué par un agent supplémentaire comme de l’eau).

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Fonctionnement d’une cheminée

Fonctionnement d'une cheminée

Notion de tirage

Lorsqu’un gaz est chauffé, il se dilate. Une même masse de gaz aura donc un volume plus grand si elle est plus chaude ou un même volume de gaz sera plus léger s’il est plus chaud.

Par exemple, la masse volumique de l’air (à la pression atmosphérique) est de 1,293 kg/m³ à 20°C, celle des gaz de combustion à 200°C est de 0,760 kg/m³.

Les gaz légers auront donc tendance à monter s’ils sont immergés dans un gaz plus lourd.

Ceci signifie que plus la différence de température entre les gaz chauds dans la cheminée et l’air extérieur est grande, plus les gaz ont tendance à monter.

Une cheminée fonctionne donc mieux en hiver qu’en mi-saison ou qu’en été (si la chaudière est utilisée pour la production d’eau chaude sanitaire).

Plus la colonne de gaz chaud est haute, plus le tirage est important.

Si on ferme avec une plaque les extrémités hautes et basses de la cheminée remplie de gaz chaud et que l’on mesure la pression dans le conduit, on constatera que le couvercle supérieur est soumis à une certaine pression et que cette pression décroit quand on descend dans la cheminée pour devenir nulle au niveau de la plaque inférieure.

Si on enlève la plaque supérieure, la pression au sommet de la cheminée devient subitement égale à la pression atmosphérique et comme la pression décroit le long du conduit une dépression s’exerce sur la plaque inférieure.

Si on ouvre la bas de la cheminée, tout en maintenant la température dans le conduit, la colonne de gaz chaud montera de plus en plus vite pour atteindre un maximum et sa vitesse ne changera plus.

La dépression créée ou tirage de la cheminée est calculée par :

ΔPch = g x h x (ρair – ρgaz)

où,

  • ΔPch = tirage de la cheminée [Pa]
  • g ≈ 9,81 m/s² = accélération de la pesanteur [m/s²]
  • h = fauteur de la cheminée [m]
  • ρair et ρgaz = masses volumiques de l’air à la température extérieure et des fumées [kg/m³]

Donc plus la cheminée est haute et plus les fumées sont chaudes, plus le tirage est important.

Régulateur de tirage

Le tirage dans la cheminée est fonction de sa hauteur et de la différence de température entre l’air extérieur et les fumées. Cette dernière est variable en fonction de la saison.

La pression différentielle au niveau du raccordement de la chaudière et donc au niveau du brûleur varie donc. Comme presqu’aucun brûleur pulsé (gaz ou fuel) n’adapte la vitesse de son ventilateur en conséquence, l’amenée d’air comburant est donc influencée par les conditions atmosphériques. Il en va de même pour l’échange de chaleur dans la chaudière (les fumées sortent plus vite et plus chaudes de la chaudière) et donc pour le rendement de combustion.

Le rôle du régulateur de tirage est de compenser cette fluctuation. Il peut être motorisé ou non motorisé. Dans ce deuxième cas, il est composé d’un clapet circulaire ou carré placé sur un axe excentrique. Un contre-poids réglable permet d’ajuster l’ouverture en fonction de la dépression.

Régulateur de tirage.

Si le tirage augmente (entraînant une perte de rendement de combustion), le régulateur de tirage s’ouvre et mélange les fumées avec de l’air de la chaufferie. Le volume de gaz aspiré par la cheminée augmente et la température diminue. Il y a donc moins de tirage.

Le tirage reste ainsi quasiment constant au niveau du raccordement de la chaudière.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Régulation de vitesse des circulateurs

Régulation de vitesse des circulateurs

Comment commander la vitesse de rotation d’un circulateur de chauffage ?

Pour comprendre les solutions à adopter sur les réseaux équipés de vannes deux voies, on décrit ci-dessous la situation hydraulique lors de la fermeture des vannes.

Que se passe-t-il lorsqu’une vanne thermostatique se ferme ?

La température est presque atteinte dans le local. Le débit d’alimentation du radiateur doit diminuer. La vanne se ferme.

Point de fonctionnement d’un circulateur. Lorsque la vanne thermostatique se ferme, la courbe caractéristique du circuit se redresse et le point de fonctionnement passe de F à F’.

L’augmentation de la perte de charge suite à la fermeture de la vanne entraîne une augmentation de la pression délivrée par le circulateur.

Mais on aurait pu également représenter cette évolution comme suit :

Le débit ayant diminué, le Δp du réseau a diminué également. Et une perte de charge locale supplémentaire Δpvanne a été provoquée pour freiner le débit.

Ce Δpvanne est provoqué en pure perte ! Idéalement, c’est la vitesse du circulateur qui aurait du diminuer :

Diminution de la vitesse du circulateur pour atteindre de débit q’ souhaité.

H » est suffisant pour générer un débit q’ dans le radiateur !

La pompe s’adapte alors aux besoins et suit la courbe du réseau. La consommation énergétique est minimale.

« Freiner avec une vanne thermostatique, c’est un peu appuyer sur la pédale de frein sans lâcher l’accélérateur ! »

Mais les installations ne comprennent pas qu’un seul radiateur, et la solution qui consisterait à réguler la vitesse du circulateur par un thermostat d’ambiance et de se passer de vanne thermostatique n’est malheureusement pas applicable.

Et si on place une soupape à pression différentielle ?

Le débit qui ne passa pas dans le radiateur est à présent by-passé dans la soupape. Le circulateur n’y voit que du feu ! Autrement dit, la consommation restera identique.

Et si on place un circulateur à vitesse variable réglé pour maintenir la pression ?

Diminution de la vitesse du circulateur pour maintenir une pression constante dans le réseau. Le point de fonctionnement devient F »’

Cette solution apparaît comme une demi-mesure : le réseau n’a plus besoin d’une pression identique puisque le débit de l’eau a diminué, entraînant la diminution des pertes de charge. L’économie d’énergie est donc partielle.

Comparons les niveaux d’énergie des différentes solutions (les surfaces en vert symbolisent la puissance absorbée par le circulateur) :

Solution 1 : étranglement.

Solution 2 : réduction de vitesse pour maintenir une pression constante.

Solution 3 : réduction de vitesse suivant la courbe caractéristique du réseau.

Et si plusieurs vannes sont présentes sur le réseau?

Si plusieurs vannes sont présentes sur le réseau, faut-il toujours essayer de réduire la vitesse en restant sur la courbe du réseau ?

La situation est un peu plus complexe car plusieurs réseaux sont mis en parallèle et en série.

Si le réseau commun représente l’essentiel de la perte de charge : OUI

La fermeture de q2 peut être interprétée comme dans le cas précédent, en bonne approximation.

C’est la cas des longs réseaux de chaleur entre chaufferie et sous-stations : le pilotage de la pompe nécessite des prises d’informations dans les sous-stations (télégestion obligatoire).

Si le réseau commun est court et que chaque radiateur comporte son propre circuit : NON

Lorsqu’un des radiateurs se fermera, le débit total diminuera mais son influence est faible sur les pertes de charges à vaincre par le circulateur. La pression disponible pour l’autre radiateur doit pratiquement rester identique.

Si le réseau est constitué d’associations multiples de radiateurs en parallèle et en série (cas le plus fréquent des réseaux de chauffage de grands bâtiments) ?

C’est la solution intermédiaire qui doit être rencontrée. De là, la solution proposée par certains fabricants de faire suivre une diminution linéaire de la pression lorsque le débit demandé diminue.

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