Condensation des chaudières : comment maximiser leur performance ?

Les chaufferies équipées de chaudières à condensation offrent un meilleur rendement lorsque leur installation permet de faire condenser les produits de combustion. Choix des niveaux de températures, types de chaudières en fonction des réseaux de distribution, dimensionnement, régulation de la combustion... Découvrez les 8 règles à suivre pour maximiser les performances des chaudières à condensation.

Pour améliorer la performance de la condensation, il convient avant tout de minimiser la température de retour des circuits en entrée des chaudières. 

La température de retour en entrée de chaudière à condensation, devra être plus faible que la température de rosée des combustibles. Cela permet de maximiser la performance de la condensation et ainsi récupérer la chaleur latente pour optimiser le rendement thermique de la  machine.

La température de rosée, dépend du type de combustible. Pour le gaz naturel elle est de 59°C.

Quelques exemples de couples de températures favorables à la condensation :

• 60-40 °C, 65-50 °C, 60-45 °C ou 55-45 °C pour des radiateurs
• 45-35 °C pour des planchers chauffants

Le choix d’une température de départ basse permet de réduire les pertes thermiques des réseaux mais augmente la surface des émetteurs.

Attention toutefois car ces régimes basse température correspondent à des chutes de température sur l’eau plus faibles que la chute « classique » de 20 K : ceci induit un débit plus important et donc des pertes de charge et une consommation des auxiliaires plus élevées.

De nombreux schémas comportent encore cette bouteille de mélange ou de découplage. Celle-ci est un héritage du passé, à l'époque où on cherchait à faire éviter de condenser les chaudières et où les générateurs avaient des contraintes de débit ou de température.

Un peu d'histoire. Avant cette bouteille de découplage, on installait une pompe (le circulateur de bouclage) reliant directement le départ et le retour chauffage de manière à assurer un débit minimum dans l'échangeur. Mais voici qu’avec le temps, les chaudières se sont réduites en taille avec la volonté de réduire les volumes des chaufferies. La perte de charge de la chaudière s’en est évidemment ressentie, elle a largement augmentée.

Dans un premier temps, personne ne s’est pas rendu compte d’une autre conséquence plus grave que l’augmentation de cette perte de charge. Le circulateur de bouclage de chaudière, qui était souvent choisi avec une hauteur manométrique trop élevée avait l’effet suivant. Au cours de la saison de chauffe, alors que ce débit de bouclage aurait dû s’effacer devant le débit du réseau de chauffage des locaux, il s’ajoutait fortement à celui-ci. La perte de charge devenant trop importante, ces deux débits se réduisaient notablement. Un manque de chauffage se faisait alors sentir !

Que faisait alors l’exploitant ? Il s’essayait : il arrêtait le circulateur de bouclage, et le débit de chauffage redevenait convenable et chauffait normalement l’immeuble. Evidemment, quand revenait la demi-saison suivante, le circulateur de bouclage était toujours à l’arrêt. Les conséquences ne se sont pas fait attendre …trop peu de débit, et pour un débit à basse température …  Bien des générateurs furent hors service, soit parce ce qu’ils n’ont pas supporté des puissances de brûleurs importantes sans pouvoir échanger leur chaleur, soit parce que leur foyer se sont percés du fait d’une condensation des produits de combustion (à savoir que dans ces temps qui ne sont pas si vieux, les condenseurs étaient hydrauliquement indépendants et situés après le foyer principal).

Pour se parer de ce désastre « épidémique », les industriels, proposeront et même imposeront la bouteille d’équilibre (ou bouteille casse-pression) qui allait résoudre tous les maux : un débit primaire constant à température élevée pour irriguer le retour au foyer principal. Le condenseur, quand il existait, était irrigué indépendamment par des retours d’installation plutôt à basse température.

Aujourd’hui, les chaudières à condensation ne sont généralement pas conçues sur le modèle précédemment décrit. Le foyer principal est « condenseur », il est irrigué depuis un ou deux retours et ces générateurs sont généralement sans contrainte de débit minimum et sans contrainte de température minimum de retour. Installer ces générateurs à condensation sur une bouteille casse-pression  risque de permettre une circulation d'une partie de l’eau de départ chaudière directement vers son retour, augmentant ainsi artificiellement la température de ce retour et donc nuisant à la condensation recherchée.

Néanmoins, chaque industriel chaudiériste doit pouvoir expliquer aux professionnels les spécificités des schémas « bouteille » qu’il peut proposer.

Les modèles de chaudières à condensation ne réclamant pas de débit minimum d’irrigation, permettent la conception de circuits hydrauliques simplifiés.
La suppression de la bouteille de découplage et du circulateur primaire permet :

• une économie à l’investissement
• une réduction des consommations électriques
• une limitation des pertes thermiques

Le concepteur peut choisir un modèle de chaudière adapté à la nature des circuits à desservir afin de maximiser les performances énergétiques.

L'exemple d'une chaudière à 3 piquages

Cas d’une installation comportant un ou plusieurs circuits de planchers chauffant et un ou plusieurs circuits de radiateurs : la température résultant du mélange des températures de retour des circuits plancher et radiateurs peut ne pas être suffisamment faible pour engendrer la condensation. En revanche, la température, plus basse, en sortie du plancher le permet. Il est alors pertinent de choisir une chaudière à condensation 3 piquages de façon à valoriser le retour basse température du ou des circuits plancher chauffant.

Chaudières à 2,3,4 piquages : quelle solution choisir ?

Le tableau suivant propose une orientation qualitative de choix entre les solutions à deux, trois ou quatre piquages en fonction du type de circuit de l’installation.

Les solutions de production semi-accumulée ou semi-instantanée avec échangeur primaire associées à des chaudières à condensation ne permettent pas un fonctionnement optimum de ces dernières. En effet, la température en sortie chaudière est maintenue constante (70 - 80 °C) du fait de la présence de la production d’ECS.
La figure ci-dessus présente une installation semi accumulée (ou semi instantanée).

Comme on peut le voir dans ce schéma, la pompe secondaire de l’échangeur est toujours en fonctionnement afin que la sonde du régulateur soit irriguée. Les pertes dues au bouclage abaissent la température en sortie échangeur secondaire et nécessitent alors un besoin quasi continuel afin de maintenir la température dans le bouclage. La chaudière est ainsi contrainte de produire de l’eau à haute température constamment.

Placer le retour du bouclage eau chaude sanitaire dans le ballon de stockage lui-même, permet d’éviter ce phénomène. Encore faut-il que le ballon soit d’un volume suffisamment important par rapport au débit d’eau qui revient du bouclage. Pour mémoire, chaque colonne qui redescend c’est 150 litres/h qui reviennent vers la chaufferie autour de 51, 52°C.

Si le volume de stockage est faible par rapport au débit qui revient du bouclage, la chaudière sera forcée de se remettre en route sans cesse pour combattre les pertes de bouclage. Elle montera donc régulièrement en température, ce qui nuira à sa condensation et donc sa performance.

L’objectif est donc de faire fonctionner la chaudière sur sa loi d’eau de chauffage, le plus longtemps possible lorsqu’il n’y a pas de demande ECS. Un ballon de stockage important s’impose alors.

L’objectif de cette configuration est de couper la pompe P-ECS lorsque la consigne dans le ballon ECS est atteinte. La chaudière est alors autorisée à fonctionner sur sa loi d’eau. La condensation pourra être effective hors périodes de chauffe du ballon ECS. La durée de fonctionnement de la chaudière sur sa loi d’eau est bien sûr fonction du différentiel de la sonde du ballon, de son volume, du débit de bouclage et de son isolation. En outre, cette solution permet de s’affranchir d’une pompe. A noter à nouveau que le volume du ballon doit être conséquent par rapport au débit qui revient du bouclage.

Cette solution permet de produire de l’ECS instantanée. Lorsque la température de consigne est atteinte dans le ballon, la pompe P-ECS est arrêtée et la chaudière est autorisée à fonctionner sur sa loi d’eau de chauffage. De la même manière que précédemment, la condensation pourra être effective hors période de chauffe du ballon d’eau chaude. On notera cependant que deux pompes sont nécessaires et que le volume de ce ballon primaire doit être conséquent lui aussi.

La puissance de la chaudière à condensation  doit pouvoir couvrir simultanément les besoins permanents d’ECS et de chauffage. Ponctuellement, lors de soutirages importants d’ECS, il arrive que l’énergie contenue dans le ballon (production semi-instantanée) soit insuffisante. Dans ce cas, la priorité est donnée à l’ECS jusqu’à couverture du besoin.

Pour déterminer la puissance de la chaudière, il faut calculer la puissance de chauffage PCH (calcul de déperditions) et les puissances moyennes et maximales nécessaires pour l’ECS appelées respectivement PEC et PECS. La puissance installée en chaufferie sera la plus grande des deux valeurs suivantes : (PECS) ou (PCH + PEC).

Dans le cas d’une installation plus complexe (plusieurs circuits ou générateurs), le concepteur se réfèrera aux règles de l’art pour dimensionner la production.

Afin de maximiser la performance de la condensation, il est nécessaire de se rapprocher de la combustion stoechiométrique du gaz naturel. Si la combustion est réalisée avec excès d’air, la température de rosée sera inférieure au seuil de 59°C, avec comme conséquence une durée de condensation plus courte. Une chaudière équipée d’une sonde d’O2 comporte une régulation continue de la combustion permettant d’assurer ces conditions optimales.

Les chaudières à condensation sont équipées d’une régulation modulante. Les seuils de modulation se situent généralement dans une fourchette de 10 à 30 % de la puissance nominale de la chaudière.

Afin d’obtenir un rendement saisonnier optimum, il est indispensable que le taux de charge de l’installation et donc de la chaudière soit supérieur à ce seuil. En effet, plus la chaudière sera surdimensionnée par rapport aux besoins de chauffage du bâtiment et plus le nombre de jours sans modulation sera important, dégradant ainsi ses performances. Limiter les cycles marche/arrêt permet de réduire les pics de pollution ainsi que les pertes par préventilation.

Illustration avec l’hiver 2012-2013 à Orly et une chaudière dont la plage de modulation est 20-100 % : 

La régulation de la température de départ chaudière permet d’ajuster en continu la production en fonction des besoins.

Dans le cas d’un circuit de chauffage « classique », la régulation peut être basée sur la température extérieure. La température peut être rehaussée en cas d’appel de puissance pour la production d’eau chaude sanitaire.

Ci-dessous, les schémas de loi d'eau d'un projet de rénovation et de fréquence d'apparition de température extérieure. On notera que malgré une loi d’eau 90/70, la condensation est possible 90% du temps.

L’action sur le brûleur de la chaudière, ou sur la production dans le cas de plusieurs chaudières, permet de produire de l’eau à température plus basse, favorable à la condensation. La chaudière n’est plus maintenue à une température inutilement élevée, les pertes thermiques sont réduites et le rendement est ainsi amélioré.

Cette fonction est naturellement assurée par les régulations intégrées aux chaudières. Il s’agit de demander à la chaudière de produire une température d’eau variable selon la température extérieure mesurée.

Cette fonction peut également être assurée par les régulateurs localisés en tableau électrique. Nombre de chaudières disposent désormais d’une entrée analogique de type 0-10 V permettant de fixer la consigne de température d’eau de la chaudière. Le signal 0-10 V est analogue à la température de consigne, 10 V = 90 °C de consigne par exemple.

Le débit nominal de chaque circuit doit être réglé et vérifié à la mise en service. Il convient de :

• ne pas surdimensionner les circulateurs, un sous-dimensionnement compris entre 5 et 15 % est préférable
• mettre systématiquement en place une vanne d’équilibrage à mesure de débit, pour ajuster le débit à la valeur calculée

Il est préférable d’opter pour des modules d’appartement avec vanne à deux voies plutôt qu’avec bouteille pour les raisons indiquées plus haut.

Dans le cas d’une installation mixte, la chaudière doit produire une eau à la température du circuit radiateur (habituellement 80°C). Dans ce cas, deux montages permettent d’abaisser la température à une valeur acceptable pour un plancher chauffant : 

Étant donné que les chaudières à condensation n’ont pas de contraintes de température de retour minimale, il convient, dans le but de maximiser la performance de la condensation, d’opter pour le montage avec la vanne trois voies montée en mélange.

Le montage en décharge permet lui aussi d’abaisser la température en entrée du plancher chauffant mais élève la température de retour à cause de la vanne trois voies. Il est donc adapté aux chaudières ayant une limitation de température de retour et une contrainte au niveau de la constance du débit mais moins à la condensation.

Pour l’alimentation des ventilo-convecteurs par exemple, préférer une vanne de régulation à deux voies plutôt qu’une vanne à trois voies qui engendrent un réchauffage des retours.

La régulation est inchangée car dans les deux cas la batterie est irriguée par un débit variable. La mise en place de vannes à deux voies permet en outre l’installation d’un circulateur à vitesse variable qui engendrera une réduction des consommations électriques.

Les conseils à retenir 

1/ Éviter les vannes à trois voies qui, lorsqu’elles se ferment, recyclent l’eau chaude vers la production       

2/ Préférer les vannes à deux voies associées à des circulateurs à vitesse variable

Les vannes à trois voies en mélange ont pour avantages de ne pas engendrer de réchauffage des retours et de limiter la température d’alimentation de l’échangeur à plaques et donc l’entartrage. Elles sont recommandées par rapport à un montage en décharge.

Les conseils à retenir 

1/ Éviter les vannes à trois voies montées en décharge qui réchauffent les retours 

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2/ Préférer les vannes à trois voies en mélange car la température en entrée de chaudière est identique à la température de sortie de batterie

D’une façon générale, les circuits hydrauliques de chaufferies avec chaudière à condensation doivent comporter, comme toute chaufferie :

• une vanne d’équilibrage en série avec chaque circulateur à vitesse fixe afin d’ajuster son point de fonctionnement. Elle est placée de préférence sur le retour des circuits, là où les températures sont plus faibles pour limiter les pertes thermiques. Une vanne équipée pour la mesure du débit est à prévoir,
• des vannes d’isolement en nombre suffisant, sans plus, pour faciliter les interventions de maintenance et de remplacement de matériels sans augmenter inutilement les pertes thermiques.

Il convient de plus de réduire les longueurs de canalisations du circuit de chaufferie afin d’en limiter les pertes thermiques et :

• d’éviter la mise en place systématique d’une boucle de Tichelmann lorsque les chaudières mises en parallèle présentent des pertes de charge différentes,
• de ne pas placer de vanne d’équilibrage sur la voie by-pass des vannes à trois voies de régulation. Elle fait rarement l’objet d’un réglage lors de la mise en service de l’installation : il est constaté que sa présence a tendance à augmenter le débit dans le circuit de la chaudière aux faibles ouvertures de la vanne de régulation et donc à augmenter le débit de fuite de la vanne lorsque celle-ci est fermée.