Dossier Technique

Condensation des chaudières : comment maximiser leur performance ?

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8 règles pour optimiser la conception d'une chaufferie gaz à condensation et obtenir ainsi les meilleurs performances lors de la production du chauffage et de l'eau chaude sanitaire.

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.

Règle n°1 : Organiser les réseaux de distribution par niveaux de température

Minimiser la température de retour des circuits en entrée de chaudière

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.

Température limite au-dessus de laquelle la condensation n’est plus possible

Type de combustible

PCS/PCI

Température de rosée

Gaz naturel

1,11

59°C

Propane commercial

1,08

54°C

Fioul domestique

1,07

52°C

 

Chaudière : tableau de température de rosée limites
Tableau de températures de rosée limites
A savoir

Pour une installation neuve ou entièrement réhabilitée, le concepteur doit organiser les circuits par zones desservies et par niveau de température : radiateurs, planchers chauffant, ventilo-convecteurs, batteries chaudes, ECS… de façon à valoriser au mieux les retours à basse température de l’installation. Le choix d’équipements fonctionnant à basse température est rendu possible dans le cas de bâtis à faibles déperditions (immeuble neuf ou immeuble existant après rénovation du bâti).                      
Comment optimiser le rendement du générateur ?

Pour optimiser le rendement du générateur, il convient de choisir une température nominale de départ chauffage la plus basse. La température de retour nominale est déterminée de façon à obtenir une efficacité proche de 0,3 sur les émetteurs. 

Choisir des températures favorables à la condensation

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.

Rénovation de chaufferie ? Réalisez un diagnostic instrumenté

Dans le cas d’une rénovation de chaufferie, un diagnostic instrumenté permettra de vérifier les conditions de fonctionnement des différents réseaux : régimes de température, débit, type de fonctionnement (débit constant ou variable). L’historique des interventions de l’exploitant sur les réseaux permettra de juger de l’opportunité de procéder à un rééquilibrage hydraulique, et/ou à la pose de vannes en pieds de colonne pour maîtriser les conditions de réglages des réseaux.               

Règle n°2 : Choisir une chaudière à condensation adaptée aux circuits à alimenter

Eviter la mise en place d’une bouteille de découplage

La bouteille de découplage « protège » le générateur du point de vue du fonctionnement hydraulique, mais peut induire une température de retour plus élevée (selon les rapports de débits primaires/secondaires). La mise en place d’une bouteille de découplage entre la production et les réseaux de distribution est cependant nécessaire dans les cas suivants :

  • la chaudière à condensation présente de fortes pertes de charge par rapport à celles de la distribution : c’est le cas si la perte de charge de la chaudière est supérieure à 25 % de la HMT (hauteur manométrique totale) du circulateur secondaire. Ces pertes de charge peuvent engendrer des variations de débit gênantes dans le circuit de chauffage ou un sur-débit aux faibles ouvertures de la vanne de régulation. Le circulateur de charge de la chaudière est dimensionné pour les pertes de charge de la chaudière.
  • les travaux en chaufferie portent sur le remplacement des générateurs et leurs accessoires, et il n’y a pas d’intervention prévue sur les réseaux secondaires
  • les réseaux secondaires sont anciens, et feront l’objet d’une rénovation ultérieure (équilibrage, calorifuge, traitement désembouage, etc...)
Bouteille de découplage : comment optimiser la condensation ?

Avec une bouteille de découplage, la condensation n’est pas maximale. Une régulation et une programmation bien étudiées permettent cependant de bénéficier des hautes performances des générateurs gaz récents. 

Dans certaines configurations, il peut être nécessaire de conserver des générateurs de type haute température. Dans ce cas, il convient d’étudier la faisabilité de monter un condenseur extérieur sur le conduit de fumées et de le raccorder en dérivation sur le circuit dont le retour est à plus faible température.

Chaudière à condensation : bien choisir le nombre de piquages

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.

Schéma d'exemple : le choix d'une chaudière 3 piquages pour maximiser la performance de la condensation
Schéma d'exemple : le choix d'une chaudière 3 piquages pour maximiser la performance de la condensation

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.

Tableau chaudière 2,3,4 piquages : quelle solution choisir ?

 

Types de circuits et régulation

Chauffage

ECS

Chauffage

ECS

Chauffage

ECS

Lois d'eau égales ex. 2 circuits radiateurs

Sans

Lois d'eau non égales ex. 1 circuit radiateur + 1 circuit plancher

Gestion de pompe ex. ECS semi-accumulée ou accumulée

Lois d'eau non égales ex. 1 circuit radiateur + 1 circuit plancher

Haute température (constante) tout type de production

Nombre de piquages de la chaudière

2

***

**

*

3

**

***

**

4

**

***

***

Condenseur externe

**

**

**

Rack de chaudières individuelles

**

**

**

*** montage préférentiel : performances maximales
** montage assurant de bonnes performances
* montage nécessitant une étape hydraulique et une régulation spécifique

Choix du modèle : le conseil de notre expert

Compte-tenu de l’offre industrielle, le concepteur d'une installation est invité à faire vérifier la pertinence de son choix de modèle auprès du service prescription du constructeur de la chaudière. Les échanges permettront également de s’assurer des conditions d’implantation et de manutention nécessaires pour le chantier.   

Règle n°3 : Adapter le schéma de production ECS

Les contraintes des solutions de production semi-accumulée ou semi-instantanée avec échangeur primaire

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).

Schéma de fonctionnement d'un échangeur semi-instantané
Schéma de fonctionnement d'un échangeur semi-instantané

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 provoque un besoin quasi continuel afin de maintenir la température dans le bouclage. La vanne trois voies au primaire de l’échangeur reste donc faiblement ouverte. La chaudière est alors contrainte de produire de l’eau à 80 °C. Si elle passait malgré tout sur sa loi glissante, c’est le réseau ECS qui viendrait se décharger sur la boucle de chauffage. Ce problème se rencontrerait également sur une chaudière 3 piquages bien qu’il serait légèrement atténué par rapport à une chaudière 2 piquages. En effet, une petite partie du débit de retour du réseau serait transféré en partie basse du condenseur.

L’objectif est donc de faire fonctionner la chaudière sur une loi glissante lorsqu’il n’y a pas de demande ECS. 

Quelles solutions pour répondre à ces contraintes ?

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.

Solution avec ballon de stockage à échangeur intégré
Solution avec ballon de stockage à échangeur intégré

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 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.

Solution avec ballon de stockage primaire
Solution avec ballon de stockage primaire

Règle n°4 : Dimensionner la production "au plus juste"

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).

Exemple de calcul
La puissance de chauffage, déterminée à l’aide d’un calcul de déperditions, est de 150 kW. La puissance maximale d’ECS est de 100 kW et la puissance moyenne de 30 kW. La puissance à installer en chaufferie est de 180 kW.                                                                                                               

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.

Règle n°5 : Choisir une chaudière avec régulation de combustion

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.

Schéma d'une chaudière à combustion stoechiométrique
Schéma d'une chaudière à combustion stoechiométrique

Règle n°6 : Privilégier la modulation et un faible taux de charge chaudière

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 % : 

Schémas de surdimensionnement sur une saison de chauffe et pertes associées
Schémas de surdimensionnement sur une saison de chauffe et pertes associées
Chaufferie condensation : ce qu’il faut privilégier

Pour une chaufferie composée de deux chaudières à condensation, il convient de privilégier une cascade parallèle. En effet, plus les taux de charge (supérieurs au seuil de modulation) sont faibles et plus les performances de la chaudière sont bonnes. On peut considérer qu’une chaudière à 100 % génère un rendement de 100 % PCI alors que deux chaudières à 50 % génèrent un rendement de 106 % PCI. Ceci s’explique par le fait qu’à 50 % de charge les surfaces d’échange des condenseurs sont « surdimensionnées » et favorisent donc la condensation.                                                       
Chaufferie mixte (condensation + haute performance) : à savoir

Pour une chaufferie composée d’une chaudière à condensation et d’une chaudière à basse température, il convient de privilégier une cascade hiérarchique, c’est-à-dire de donner la priorité de fonctionnement à la chaudière à condensation dans la commande en séquence. La chaudière basse température vient en appoint. Le rendement est alors amélioré.
Il est donc déconseillé d’effectuer des permutations d’ordre de priorité pour équilibrer les durées de fonctionnement sur la saison de chauffe.                                                 

Règle n°7 : Privilégier une production à température variable, régulée en fonction des besoins

Les circuits de chauffage « classique »

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 : 

Schémas loi d'eau en rénovation et fréquence d'apparition de température extérieure
Schémas loi d'eau en rénovation et fréquence d'apparition de température extérieure

Le rôle des régulations intégrées

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.

La solution consistant à commander la production en tout ou rien par le régulateur n’est pas recommandée pour plusieurs raisons, dont la difficulté de mise en place de la sonde de température en sortie de chaudière qui doit être en permanence irriguée.

Il convient d’être attentif : 
- au réglage de la courbe de chauffe. Elle doit être paramétrée à un niveau suffisant pour répondre aux besoins, sans plus
- en rénovation, penser à supprimer la limitation de température de retour qui a pour objet d’éviter que la température en entrée de chaudière ne passe au-dessous d’un seuil de température qui engendre la condensation
- à l’emplacement de la sonde de température extérieure (au nord ou nord-ouest)

Même avec des émetteurs haute température (cas d’une rénovation où on ne change pas les émetteurs par exemple), la condensation présente un réel intérêt.                   

Règle n°8 : Mettre en oeuvre une bonne conception de la distribution

Ne pas surdimensionner le circulateur

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

Préférer un cirulateur à vitesse variable

Les retours sont réchauffés lorsque la soupape de décharge s’ouvre sous l’effet de la fermeture des robinets thermostatiques du réseau de radiateurs ou des vannes à deux voies des terminaux. Il est conseillé de remplacer l’ensemble circulateur à vitesse fixe et soupape de décharge (ou régulateur de pression différentielle), par un circulateur à vitesse variable qui permet en plus une réduction des consommations électriques par rapport à un circulateur à vitesse fixe. À la mise en service du circulateur à vitesse variable, l’installateur doit procéder au réglage de la consigne de HMT (hauteur manométrique totale).
Schéma d'un circulateur à vitesse variable
Schéma d'un circulateur à vitesse variable

Cas d'un CIC (chauffage individuel centralisé)

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.

Cas d'une distribution mixte (radiateurs et plancher chauffant)

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.

Montage avec vanne trois voies montée en mélange
Montage avec 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.

Montage en décharge
Montage en décharge

Préférer des vannes à deux voies de régulation aux vannes à trois voies

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.

A noter
Avec une vanne à deux voies, attention toutefois à l’implantation de la sonde de change-over dans le cas des ventilo-convecteurs deux tubes.                         

Les conseils à retenir 

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

Schémas vanne trois voies
Schémas vanne trois voies

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

SChéma vanne deux voies associées à des circulateurs à vitesse variable
Préférer les vannes à deux voies associées à des circulateurs à vitesse variable

Cas d'une production d'eau chaude sanitaire par échangeur à plaque

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 

Schéma vanne 3 voies décharge
Schéma vanne 3 voies décharge

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

Schéma vanne 3 voies mélange
Schéma vanne 3 voies mélange

Circuits hydrauliques : prescriptions générales

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.
Annexes : Symboles utilisés dans les schémas
Symboles utilisés dans les schémas
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1 commentaire sur cet article
Par Clément , le 23/03/2017 à 07:29
Article très intéressant
Article très intéressant. Merci.