Chaudière à condensation en chaufferie

Le principe de la chaudière à condensation est de la récupération de la chaleur latente par liquéfaction de la vapeur d’eau contenue dans les produits de combustion.

Etape 1 : le circuit d’eau est réchauffé par le brûleur gaz naturel. La combustion émet des produits contenant de la vapeur d’eau à haute température.
Etape 2 : l’eau chaude produite est distribuée aux émetteurs de chauffage (radiateurs par exemple) via le circuit de chauffage.
Etape 3 : les produits de combustion se refroidissent au contact du retour du circuit de chauffage qui revient dans le condenseur. Au cours de ce processus, toute ou partie de la vapeur d’eau contenue dans les produits se liquéfie, les produits sont refroidis et l’eau réchauffée.
Etape 4 : les condensats acides résultant de la condensation des produits sont évacués vers le réseau d’eaux usées. 
En récupérant cette chaleur latente, les chaudières à condensation bénéficient d’un surplus d’énergie et consomment donc moins d’énergie que des chaudières traditionnelles.
La directive européenne sur l’efficacité énergétique (règlement européen 813/2013), soit l’ERP (Energy Related Product), impose des rendements minimaux pour toutes les chaudières gaz de puissance de plus de 70 kW et inférieure à 400 kW, vendues depuis le 26 septembre 2015 :

• 95,5 % PCI à pleine charge ou 86 % PCS
• 104,4 % PCI à 30 % de charge ou 94 % PCS

Concrètement, cela revient à imposer la condensation pour les chaudières de plus de 70 kW.
 

Afin de réaliser un dimensionnement optimal, le profil des besoins thermiques (soit la monotone de puissance) doit être connu. Définir la monotone de puissance, qui représente le nombre d’heures durant lesquelles la puissance thermique est appelée au cours de l’année, permet de :

• Confirmer et optimiser le calcul des déperditions de chauffage
• Identifier la pointe de production d’ECS
• Identifier les taux de charge partielle dans le cas de plusieurs chaudières montées en série hydraulique

Ci-dessous un exemple de monotone de puissance :
 

Dans cet exemple, les puissances appelées sont inférieures à 50 % de la puissance max (flèche rouge) pendant 70 % du temps (1 – (2500/8000)).

Pour obtenir ce tracé, plusieurs options sont possibles :

• Estimer la monotone à partir des déperditions thermiques globales du bâtiment (à la température extérieure de base) et d’un fichier météo (températures extérieures) du site considéré 
• Utiliser un logiciel de simulation thermique dynamique (STD) caractérisant l’installation 
• Réaliser des mesures sur site des besoins de chaleur sur plusieurs semaines voire sur une saison de chauffe complète (méthode uniquement possible dans le cas de bâtiments existants).

L’analyse de cette monotone montre bien souvent que les chaufferies des bâtiments fonctionnent généralement pendant 80% du temps à moins de 30% de charge. C’est pourquoi il est vivement recommandé de mettre en place plusieurs chaudières en cascade plutôt qu’une seule chaudière de forte puissance. 

Il existe plusieurs façons de gérer la cascade des chaudières :

Dans une cascade hiérarchique (ou avec priorité), la première chaudière fonctionne jusqu’à atteindre 100 % de charge utile avant que la chaudière suivante se mette en marche.

Dans une cascade en parallèle, les chaudières fonctionnent simultanément à la même charge le plus tôt et le plus souvent possible.

La cascade hiérarchique est souvent utilisée en présence de chaudières basse température ou d’un duo chaudière basse température et chaudière à condensation. En présence de chaudières à condensation uniquement, il faut privilégier la cascade parallèle pour utiliser la surface d’échange totale disponible des 2 chaudières le plus tôt et le plus souvent possible. C’est comme si l’on était en présence d’une seule chaudière deux fois plus puissante et ayant une surface d’échange double. Cela permet de travailler au plus bas taux de charge sur les deux chaudières, et de ce fait de gagner jusqu’à plus de 6 % de rendement par rapport à une cascade hiérarchique.

La puissance nécessaire pour la production d’ECS est calculée à partir des éléments suivants :

• le volume journalier
• le volume et la durée de la pointe pluri-horaire
• le volume dix minutes

Ces besoins peuvent être estimés soit par des méthodes de dimensionnement, soit calculés par simulation thermique dynamique ou encore mesurés sur site.

Dès lors, il est possible de déterminer le système de production d’ECS :

• production accumulée
• production semi-accumulée
• production semi-instantanée ou instantanée

Les chaufferies collectives sont souvent dimensionnées avec des facteurs de surpuissance. Ils sont entre autres liés aux facteurs de relance définis par la norme EN 12831, au cumul des puissances chauffage et ECS, et à la sécurité de puissance minimum à garantir en cas de panne d’un des générateurs.

Une surpuissance pourrait laisser croire que la chaudière va travailler à des taux de charge plus faibles bénéfiques à la performance, mais il en est tout autre. Chaque chaudière dispose en effet d’un seuil minimum de modulation en dessous duquel la chaudière fonctionne en cycle marche arrêt. Ces cycles vont donc entraîner une usure prématurée du brûleur, une augmentation des pertes par pré-ventilation et des pics de polluant (monoxyde de carbone CO).

Avec une très faible surpuissance (de l’ordre de 10% seulement), le brûleur cycle 25% de la saison de chauffe. En considérant 66% de surpuissance, le brûleur cycle 50% des jours de chauffe. 

Plusieurs configurations de chaudières peuvent se présenter selon les spécificités d’un projet (réseau de chauffage haute et/ou basse température, production d’ECS…). Il n’y a pas de solution unique, l’essentiel est de choisir un schéma hydraulique qui permette à la chaudière de condenser le plus souvent possible. Il existe ainsi 3 types de chaudières : 

Adapté en présence d’un seul type d’émetteur (un seul retour et un seul départ de chauffe).
La configuration en 2 piquages est le choix le plus adapté pour des circuits à lois d’eau identiques. Cette chaudière dispose d’un foyer condenseur avec un départ et un retour. Avec ce matériel, il faut une température moyenne la plus basse possible pour obtenir des meilleurs rendements. L’installation hydraulique est ainsi simplifiée au maximum.

Adapté en présence de deux types d’émetteurs à loi d’eau différente (radiateur et ECS ou radiateur et plancher chauffant BT par exemple). La chaudière dispose d’un seul départ de chauffe et de deux retours : un à basse température et un à haute température.
La configuration en 3 piquages fonctionne comme une configuration 2 piquages sauf que les retours haute et basse température sont dissociés : le retour basse température arrive en bas de l’échangeur (retour 1) et le retour haute température arrive en position médiane (retour 2), ce qui permet d’optimiser la performance.

Le circuit raccordé au condenseur doit être le plus demandeur (celui qui fonctionne le plus longtemps avec un débit suffisant) pour bien irriguer le condenseur et si possible disposer d’une température de retour la plus basse. Cette exigence peut parfois être contradictoire. Par exemple, dans le cas d’une chaudière qui alimente deux réseaux, un dans la partie Nord et un dans la partie Sud d’un bâtiment, il est recommandé de connecter le circuit Nord au condenseur car il va fonctionner plus que le circuit Sud qui pourtant génère un retour à plus basse température.

La puissance du circuit raccordé au condenseur doit être à minima égale à la puissance de récupération de ce dernier, soit environ 15 % de la puissance chaudière.

Cette configuration est particulièrement adaptée aux installations composées de circuits régulés (en fonction de la température extérieure), et en présence de circuits non régulés, soit un départ constant à haute température comme par exemple des sous-stations. C’est dans ce cas de figure que l’on peut constater les plus grands écarts de rendements avec les configurations 3 et surtout 2 piquages.

La chaudière dispose de 2 départs chauffage (un départ de l’échangeur et un départ du condenseur) et de 2 retours (un retour à l’échangeur et un retour au condenseur) et peut se présenter sous deux formes :

• Une chaudière avec un récupérateur à condensation indépendant placé en série sur la sortie des produits de combustion.

• Une chaudière qui intègre directement le condenseur sous son habitacle : dans ce cas, la chaudière dispose de 2 départs (au niveau de l’échangeur principal et à celui du condenseur) et 2 retours (au niveau de l’échangeur principal et à celui du condenseur).

La configuration 4 piquages peut aussi se justifier en présence de circuits régulés à lois d’eau différentes. Dans ce cas de figure, plus l’écart entre les lois d’eau est important (par exemple radiateurs 80 °C/60 °C et PCBT 40 °C /30 °C), plus le gain de rendement l’est aussi. Ceci s’explique par le fait que le condenseur est alimenté par le circuit le plus favorable à la condensation, soit avec la température la plus froide et un débit maximal. Tout ce qui n’est pas récupéré par l’échangeur principal, l’est par le condenseur.

Une bonne conception avec une chaudière 4 piquages, repose sur le respect des règles hydrauliques suivantes :

• Ne raccorder qu’un seul circuit au condenseur et le choisir de la façon suivante :
  • sélectionner le circuit le plus demandeur (privilégier un circuit nord à un sud)
  • s’assurer que son régime de température est le plus bas possible
  • s’assurer également que sa puissance correspond au minimum à la puissance de récupération du condenseur de la chaudière (minimum 15 %)
• Prévoir un débit minimal dans le condenseur pour éviter toute ébullition ce qui entraînerait sa dégradation (à moins qu’il ne soit conçu pour éviter le point d’ébullition sans même être irrigué pendant la phase estivale lorsque la chaudière assure les besoins d’eau chaude sanitaire par exemple). Pour ce faire, une solution consiste à placer un jeu de vannes trois voies été/hiver qui ira chercher l’eau du primaire pour l’irriguer.

Choisir une configuration 2, 3 ou 4 piquages reviendrait donc à déplacer le condenseur (bleu) sur le schéma hydraulique ci-dessous.

A noter que sur ces trois schémas, l’échangeur principal de la chaudière est noté EP (couleur rouge), le condenseur de la chaudière est noté Cd (couleur bleu).

Suivant le mode de production d’eau chaude sanitaire, et du fonctionnement permanent ou non des pompes des échangeurs, la production d’ECS peut elle aussi être un départ haute température constante pour la chaudière.

Voir la schémathèque hydraulique pour plus de précisions sur les différentes configurations de chaudières adaptées aux usages chauffage et ECS.

(*) Les murs et la couverture de la chaufferie située en dehors du bâtiment (habitation, bureaux, ERP ou d'une zone accessible au public) doivent être :

• pour les parties distantes de moins de 10 mètres, construits en matériaux MO et de degré coupe feu 2h au moins
• pour les parties distantes de plus de 10 mètres, construits en matériaux MO.

Un conduit d’évacuation des produits de combustion doit satisfaire à 4 exigences : assurer un tirage suffisant, être étanche aux gaz et fumées, posséder une grande stabilité mécanique, quelle que soit sa hauteur, et être résistant à la corrosion.

Le prix fourni/posé d’une installation de chaudière(s) à condensation collective(s) est estimé à environ 100 € / kW (hors distribution).