Concevoir une nouvelle installation de chauffage

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1 Concevoir une nouvelle installation de chauffage A quoi faut-il être attentif lorsque l on remplace une installation de chauffage? Ir. M. Demol ygnis@skynet.be Concevoir une nouvelle installation de chauffage A quoi faut-il être attentif lorsque l on remplace une installation de chauffage? Choix du combustible Dimensionnement de la chaudière Choix de la chaudière et du brûleur Choix du circuit hydraulique et de la régulation Adaptation des équipements auxiliaires 1

2 Fuel ou gaz? L'efficacité énergétique Fuel Gaz Rendement 86 % 92 % 102 % Attention à la dégradation du rendement de la chaudière fuel, lié à l encrassement progressif des surfaces de chauffe Fuel ou gaz? La production de CO 2 1 kwh gaz = 0,2 kg CO 2 1 kwh fuel = 0,265 kg CO 2 Emission de CO 2 du gaz = 75% émission de CO 2 du fuel 2

3 L'investissement Fuel ou gaz? Gaz Fuel Chaudière et brûleur Raccordement à la cheminée Tuyauterie d'alimentation du brûleur, filtre à gaz, robinet d'isolement Raccordement au réseau gaz (dont le coût est négociable) Tuyauterie d'alimentation du brûleur, filtre à fuel, robinet, pompe à fuel Cuve à fuel (enterrée, en cave ou extérieure) Equipements de protection : détection des fuites de gaz, vannes électromagnétiques Fuel ou gaz? Le coût du combustible En moyenne, de 1996 à 2001, le gaz a été 8 % (tarif ND2 - pour les consommateurs de moins de m³/an) plus cher que le fuel (au tarif officiel). Si ristourne de 5 % sur le prix officiel du fuel, différence de 13 %. (Le tarif ND3 est environ 2% moins cher) 3

4 Le coût du combustible Fuel ou gaz? L'approvisionnement et le suivi des consommations Gaz : livraison continue Fuel : disponible sur tout le territoire Gaz : facturation mensuelle et suivi facile des consommations ( détection des dérives éventuelles) Fuel : comptabilité énergétique mensuelle impossible sans compteur fuel sur les brûleurs (et leur relevé). Seul un suivi annuel est possible, et encore avec mesure précise des stocks en cuve au moment des livraisons. 4

5 Fuel ou gaz? L'entretien Fuel : AR 78 Gaz : pas de réglementation, mais Future réglementation fuel + gaz Les émissions polluantes Fuel : stockage, transport Gaz : moins de Nox Autres utilisations Synthèse des avantages Pour le gaz Le meilleur rendement grâce aux chaudières à condensation Emission de CO2 moindre de 25 % (à consommation égale) Emission de NOx et de SO2 moindre Approvisionnement continu (absence de stockage) Suivi facile des consommations Et... Avec la libéralisation, il devrait y avoir possibilités également de négociation des prix Pour le fuel Combustible le moins cher et négociation des prix possible Disponible sur tout le territoire 5

6 Dimensionnement de la chaudière Rappel : Impact du surdimensionnement de la chaudière et du brûleur : Surinvestissement, Augmentation des pertes à l arrêt, Augmentation des émissions polluantes et de l encrassement Dimensionnement de la chaudière NBN B : La puissance utile de la (des) chaudière(s) doit donc être supérieure ou égale à : P TOT > (P ti + 0,5 P vi ) x (1 + M 0 + M cw ) où: P tot = déperditions calorifiques totales du bâtiment [W] P ti = déperditions par transmission de tous les locaux [W] P vi = déperditions par ventilation de tous les locaux [W] M 0 = majoration pour l'orientation (selon NBN B62-003) M cw = majoration pour les parois froides (selon NBN B62-003) Remarque : dans le cas d'une ventilation mécanique, il faut tenir compte, lors du calcul des déperditions, de la totalité des déperditions par ventilation mécanique de tous les locaux. 6

7 Les déperditions -8 C 20 C Données nécessaires la surface et la composition de toutes les parois qui entourent le volume chauffé du bâtiment : murs extérieurs, murs intérieurs en contact avec des locaux non chauffés, portes et fenêtres, planchers sur sol, sur cave, sur vide ventilé, toiture ou plafond sous grenier non chauffé, coupoles,... les températures de consigne de chacune des zones intérieures 7

8 Données nécessaires Mauvaises méthodes en sommant la puissance des radiateurs existants les radiateurs sont presque toujours surdimensionnés ou en appliquant une proportionnelle au volume du bâtiment, du type W/m³ puissance nettement supérieure à la réalité c'est la surface déperditive qui définit les besoins de chaleur, pas le volume chauffé ou en reprenant la puissance des chaudières existantes les anciennes chaudières sont presque toujours surdimensionnées les bâtiments anciens ont souvent fait l'objet d'améliorations énergétiques (double vitrage, isolation de toiture,...) les chaudières ont un meilleur rendement utile 8

9 Faut-il surdimensionner la chaudière pour permettre l'intermittence? Selon la NBN B : oui Cahier des charges 105 et CSTC : non si on dimensionne les radiateurs en 80 /60 27% de surdimensionnement des émetteurs Moyenne sur la saison de chauffe : + de 100 % de surpuissance Arrêt du ralenti par froid extrême Vérification du dimensionnement Puissance ancienne chaudière = Puissance nouvelle chaudière Sur base des consommations antérieures ainsi que de l évaluation du rendement annuel de l ancienne installation! 9

10 Vérification du dimensionnement Vérification du dimensionnement : exemple m de long 20 m de large 6 m de haut Combles inoccupés et isolés Simple vitrage K

11 Vérification du dimensionnement : exemple Surface déperditive S : Façades et pignons : 2 x 6 m x 50 m = 600 m² 2 x 6 m x 20 m = 480 m² Sol et toit : 2 x 50 m x 20 m = m² Total = m² Volume chauffé V : 50 m x 20 m x 6 m = m³ V/S = m³ / m² = 3 Vérification du dimensionnement : exemple Puissance à installer : Entre : 20,2 + (33,8-20,2) x (100 70) / (150 70) = 25,3 W/m³ Et : 20,2 + (33,8-20,2) x (120 70) / (150 70) = 28,7 W/m³ Entre : 25,3 W/m³ x 6000 m³ = 152 kw Et : 28,7 W/m³ x 6000 m³ = 172 kw Ou pour Tint = 20 C et Text = -10 C : Entre : 152 kw x (20 - (-10 )) / (19 - (-8 )) = 169 kw Et : 172 kw x (20 - (-10 )) / (19 - (-8 )) = 191 kw 11

12 Surdimensionnement? A relativiser parfois! Car il s agit du surdimensionnement du brûleur, et non de la surface d échange de la chaudière Plus les surfaces d échange de la chaudière sont importantes, plus les températures des fumées seront faibles (diminution des pertes à la cheminée) Plus la plage de modulation du brûleur est grande, meilleures seront également les performances de la chaudière (voir plus loin) Choix de la chaudière - brûleur Evolution technologique en chaudières et brûleurs 12

13 Nouveaux concepts hydrauliques dépendant des exigences chaudières Brûleurs à condensation???? Chaudière fonte les chaudières en fonte s'adaptent aux chaufferies d'accès difficile car elles peuvent être montées sur place ; La fonte est plus cassante que l'acier et supporte mal les chocs thermiques Echange thermique diminuée de par les épaisseurs => nombreux chicanages et difficultés de nettoyage au combustible liquide. 13

14 Chaudière acier les chaudières en acier sont du type monobloc, étanches, et résistantes aux tensions thermiques; Echange thermique nettement améliorée, avec comme conséquence des risques plus importants de condensation et de corrosion en l absence de régulation appropriée. Chaudière acier inoxydable les chaudières en acier inoxydable résistent à la condensation, et n imposent plus aucune limite basse de température, Elles sont surtout utilisées dans le domaine de la condensation. Elles sont plus délicates à la fabrication. 14

15 Performances La législation impose un rendement minimal à toutes les chaudières vendues en Belgique. Les labels (OPTIMAZ pour le fuel et HR+/HR Top pour le gaz) ne garantissent guère plus. D'un autre côté, les chiffres annoncés par les fabricants ne représentent pas la réalité en exploitation et ne sont généralement pas comparables entre eux. Attention donc! Performances HR + «basse température»?? (rendement se situant entre HR+ et HRTop) Il ne s agit là que de performances améliorées, mais pas nécessairement de «basses températures d eau» En effet, plus une chaudière est performante, plus elle risque de condenser si on lui ramène de l eau à basse température!! Une vraie chaudière «basse température» ou «très basse température» doit être construite en matériaux résistant à la condensation! Car condensation il y aura! Cette chaudière pourra toutefois ne pas disposer du label «condensation», d un point de vue performances!, mais pourra fonctionner en température glissante, sans limite basse éventuelle! 15

16 Concept de chaudière : Grand ou faible volume d'eau? On rencontre sur le marché : des chaudières à faible volume d'eau (0,15.. 0,2 litre/kw) et perte de charge importante. En règle générale, ces chaudières imposent un débit d eau minimum (pour éviter les risques de surchauffe dans la chaudière) Une chaudière à faible volume d'eau a très peu d'inertie; elle peut donc réagir très rapidement à toute demande de variation de puissance, par exemple dans le cas d'une demande d'eau chaude sanitaire et d'une régulation avec priorité sanitaire. Concept de chaudière : On rencontre sur le marché : des chaudières à grand volume d'eau (plus de 1 litres/kw) et faible perte de charge. Une chaudière à grand volume d'eau a une plus grande inertie thermique. Ceci augmente les temps de fonctionnement des brûleurs et donc limite le nombre de démarrages du brûleur, source d'imbrûlés. Les chaudières à grand volume d'eau peuvent fonctionner sans circulation forcée. Lors du fonctionnement du brûleur, le débit d'eau interne circulant par thermosiphon est suffisant pour éviter tout risque pour la chaudière. Cette possibilité de fonctionner sans pompe d'irrigation simplifie grandement la conception des circuits de distribution, diminue les coûts d'investissement et d'exploitation. ET... 16

17 Concept de chaudière : Grand volume d'eau? Faible volume d'eau? Hydraulique simplifiée Concept de chaudière : Pour la condensation, il faut que la température d eau de retour soit la plus froide possible!!!! Pour une chaudière avec débit minimum, le T côté eau sera en général maximum de 20 C Pour une chaudière sans débit d eau minimum, le T côté eau pourra être de 45 C ou davantage 17

18 Circuit hydraulique : Circuit hydraulique : 18

19 Circuit hydraulique : Concept de chaudière : Attention : grand volume d eau ne veut pas dire nécessairement pas de débit d eau minimum!!!! En effet, encore faut-il que la construction de la chaudière soit telle qu il n existe aucun «point mort» côté eau, et qu il y ait une possibilité de circulation naturelle dans l enceinte de la chaudière pour évacuer l énergie produite par le brûleur sans SURCHAUFFE LOCALE 19

20 Concept de chaudière sans débit minimum imposé : Tubulure de départ Chambre de combustion (inox) Retour haute température Retour basse température 20

21 Evolution technologique Brûleur : Gaz ou mazout? Evolution technologique Brûleur gaz : atmosphérique atmosphérique assisté pulsé pulsé à prémélange total Brûleurs à condensation???? 21

22 Brûleur atmosphérique Avantages Le prix moindre. Une chaudière atmosphérique de conception "bas de gamme" coûte moins cher qu'une chaudière équipée d'un brûleur gaz pulsé. L'absence de bruit. Une chaudière atmosphérique ne comportant pas de ventilateur est nettement moins bruyante qu'un brûleur pulsé. La facilité de montage et de réglage. Possibilité de raccordement de plusieurs chaudières à une même cheminée Brûleur atmosphérique Inconvénients Un rendement saisonnier nettement dégradé, jusqu à 20% inférieur aux chaudières à brûleur pulsé. Cela provient fondamentalement des pertes à l arrêt! Dimension de cheminée beaucoup plus importante! Taux de rejets polluants et en particulier de NOx nettement supérieur aux autres technologies. 22

23 Brûleur Atmosphérique assisté Avantages Forte diminution des pertes à l arrêt grâce à l évacuation des fumées à la partie inférieure de la chaudière (la dépression dans le foyer est obtenue grâce à la présence d un ventilateur d extraction! Diminution des taux de rejets en NOx Surface au sol très faible! Démontable pour chaufferie difficile d accès Brûleur Optimagaz Avantages Forte diminution des pertes à l arrêt grâce à l évacuation des fumées à la partie inférieure de la chaudière (la dépression dans le foyer est obtenue grâce à la présence d un ventilateur d extraction! Diminution des taux de rejets en NOx Surface au sol très faible! Démontable pour chaufferie difficile d accès 23

24 Brûleur Pulsé (gaz ou mazout) Les chaudières actuelles pour ce type de brûleur sont dites "à foyer pressurisé", c'est-à-dire que le trajet des fumées dans la chaudière est assuré grâce à la pression fournie par le ventilateur du brûleur. Brûleur Pulsé (gaz ou mazout) Avantages Des pertes à l arrêt très faibles Maîtrise des taux de rejets en NOx (recyclage des fumées et chaudières à 3 parcours) Les faibles pertes à l'arrêt et la possibilité d'obtenir des rendements de combustion les plus élevés (sans condenser), font des chaudières à brûleur pulsé les chaudières les plus performantes dans le catégorie des chaudières dites "traditionnelles". Rendements améliorés par les possibilités de modulation du brûleur (jusqu à 25 à 30%) Inconvénients Coûts d installation Bruit 24

25 Brûleur Pulsé à prémélange total Avantages Faible taux de rejets NOx Rendements améliorés par les possibilités de modulation du brûleur (jusqu à 10% de charge) et les excès d air plus faibles Bruit nettement plus faible (grâce au ventilateur à courbe de pression plus plate) Brûleur 1, 2 allures ou modulant? 25

26 Brûleur 1, 2 allures ou modulant? Le brûleur 2 allures se justifie d'office à partir d'une puissance installée de 150 kw. Attention, il faut un brûleur à deux allures vraies réellement régulé en cascade et non un brûleur possédant une petite allure uniquement pour le démarrage et qui, en régime, fonctionne en 2ème allure, quels que soient les besoins. Le brûleur modulant se justifie plus difficilement, sauf dans le cas des brûleurs à prémélange! Pour celle-ci, le brûleur est intégré à la chaudière et ne demande pas de réglage compliqué. La plage de modulation est également plus importante (jusqu'à 25 % de la puissance pour les chaudières non à condensation). Dans cette gamme de chaudière, si un dispositif adapte automatiquement le débit d'air au débit de gaz, on a tout intérêt, quelle que soit la puissance, à choisir un modèle avec brûleur modulant Le brûleur à condensation : Paramètres influençant les performances des chaudières à condensation : La température des fumées à la cheminée, dépendant de : la température d eau de retour des consommateurs ; L efficacité de l échangeur (chaudière), c.a.d. sa surface d échange par rapport à la puissance brute. Plus sa surface d échange est grande, plus la température des fumées se rapproche de celle de l eau de retour. L excès d air de combustion, dépendant des : performances intrinsèques du brûleur, conditions de réglage du brûleur à la mise en service et lors des entretiens conditions atmosphériques 26

27 Le brûleur à condensation : La température des fumées : Les chaudières étant déjà surdimensionnées (pour des températures extérieures largement inférieures aux températures moyennes durant la saison de chauffe) L augmentation (relative) des surface de chauffe est obtenue par une capacité de modulation plus importante du brûleur jusqu à 10% de la puissance nominale. On obtient ainsi des températures de fumées de 0,5 C seulement supérieures à la température de retour de l eau!! L excès d air de combustion : Fortement variable à faible charge, l excès d air est régulé automatiquement au moyen d une sonde d oxygène dans les fumées qui corrige de manière continue, par modification de la vitesse du ventilateur, les variations du PCI du combustible, de la température et de la pression de l air de combustion, des variations de tirage de la cheminée... Le brûleur à condensation : 27

28 Le brûleur à condensation : Alors que pour la chaudière «haut rendement», l excès d air joue un rôle presque secondaire au niveau du rendement thermique, (de 1 à 2%) Pour la chaudière à condensation, cela devient pratiquement un MUST de disposer d un contrôle automatique de la qualité de combustion par : LA SONDE D OXYGENE En effet, l influence sur le rendement (en condensation) peut dépasser les 3 à 4% Et une chaudière peut ne plus condenser, simplement à cause de l excès d air au brûleur!!!! Brûleur à prémélange à tête géométriquement variable 28

29 Modulation du brûleur Flammes bleues bas NOx 29

30 Brûleurs radiants ou rayonnants Une application de cette technologie est le brûleur hémisphérique radiant. Il est composé d'une grille en forme de demi sphère. La grille est en acier inoxydable spécial réfractaire. Elle rougeoie et recède sa chaleur par rayonnement. Brûleur hémisphérique radiant (existe aussi en version plane) : le mélange air-gaz répartit sur la surface de combustion avec une vitesse très faible puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brûleurs atmosphériques traditionnels. Le mélange brûle alors directement, pratiquement sans flamme visible et cède une partie de sa chaleur directement à l'élément réfractaire. Nombre de chaudières Au dessus d'une puissance à installer de 200 kw, il est conseillé de diviser la puissance en plusieurs chaudières, principalement pour assurer une continuité de fonctionnement en cas de panne. Ce découpage permet également de diminuer le nombre de démarrage des brûleurs et donc de diminuer l'encrassement des chaudières et les émissions polluantes. L'intérêt purement énergétique est, quant à lui, réduit du fait de l'important niveau d'isolation des chaudières actuelles. Si la condensation se justifie, l'idéal énergétique est de choisir une seule chaudière à condensation équipée d'un brûleur modulant. Si la sécurité de fonctionnement prime, la combinaison idéale est constituée d'une chaudière à condensation associée à une chaudière traditionnelle (chaufferie mixte). 30

31 Nombre de chaudières Cas particulier : les chaudières à condensation, modulantes de 10% à 100% Plus de cascade à prévoir ; (simplification de la régulation) Considérer les chaudières comme un seul ensemble Les raccorder en parallèle et les faire fonctionner toujours ensemble! Le seul intérêt est la continuité de la production en cas de panne d une d entre elles! La chaufferie mixte Définition Optimisation de son implantation Exemples de schémas hydrauliques 31

32 Chaufferie mixte = mise en cascade d une chaudière HR et d une chaudière à condensation Température de départ et de retour de l eau de chauffage en fonction de la temp. extérieure Système classique 70 / 90 ºC départ retour Point de rosée ºC Température extérieure 32

33 Histogramme des températures heures 400 Zone de condensation Températures extérieures Commande de la cascade en fonction de la température extérieure 100 % Charge 2 0 % 100 % chaudière 2 1 Chaudière 1 0 % Température extérieure 33

34 Température de départ et de retour de l eau de chauffage en fonction de la temp. extérieure Système 50 / 70 ºC avec surdimensionnement des radiateurs départ Point de rosée retour ºC Température extérieure But de la chaufferie mixte Réduire les coûts d une chaufferie à condensation Utilisation optimale des basses températures Priorité à la chaudière à condensation Isoler hydrauliquement les chaudières à l arrêt Commande de la cascade 34

35 35

36 Régulation en température glissante avec limite basse De plus, la température de départ de la régulation glissante peut avoir une limite basse afin de s assurer d une température de retour suffisante. Régulation en température glissante sans limite basse Essentiellement valable pour les chaudières à condensation (sans production d eau chaude sanitaire). 36

37 Adaptation des équipements auxiliaires Evacuation des fumées Résistant à la corrosion et étanche à l eau Tubage pour cheminées existantes Evacuation de l eau condensée Une chaudière de 70 kw produit env. 4 lit. de condensats par heure Acidité entre ph 3,9 et 4,5 37

38 Acidité de l eau condensée basique acide ph Ammoniaque Eau de mer Eau courante Eau distillée Eau de pluie pure Eau de pluie vinaigre Jus de fruit Acide fort Machine à laver Vlarem condensats Ainsi, si nous devions concevoir une nouvelle installation de production de chaleur, nous choisirions, si le gaz est disponible : une chaudière gaz à condensation ou la combinaison d'une chaudière à condensation avec une chaudière traditionnelle (si on désire une assurance de fourniture de chaleur en cas de panne), cette chaudière serait dimensionnée suivant la norme NBN B62-003, elle serait équipée d'un brûleur modulant (avec une grande plage de modulation : de 10 à 100 %) et avec un dosage entre l'air comburant et le gaz le plus précis possible sur toute la plage de modulation, elle serait raccordée à un circuit hydraulique favorisant au maximum la condensation et de préférence le plus simple possible de manière à éviter les erreurs de conception et de régulation (chaudière ne nécessitant pas de débit minimal), elle aurait les émissions de NOx les plus faibles possibles. 38

39 Ainsi, si nous devions concevoir une nouvelle installation de production de chaleur, nous choisirions, si le gaz n'est pas disponible : une chaudière ou plusieurs chaudières (si on désire une assurance de fourniture de chaleur en cas de panne) fuel à triple parcours, et à «Haut rendement», c est à dire travaillant avec des températures fumées les plus basses possibles sans risques de condensation! équipée d'un brûleur "Low NOx" à 2 allures, équipée d'un compteur fuel. Je vous remercie de votre attention Ir. M. Demol ygnis@skynet.be 39