Chaudières de moyenne et de grande puissance

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1 Brochure technique Chaudières de moyenne et de grande puissance Générateurs de chaleur d une gamme de puissance de 80 à kw

2 Sommaire Fig. 1 : Jusqu à kw, nous répondons à toutes vos exigences 2 Chapitre Page Tableau synoptique de la gamme chaudières de moyenne et de grande puissance 3 Economiser l énergie réduit les coûts de combustible et préserve l environnement 4 Textes réglementaires 6 La marche à basse température améliore le rendement global annuel 8 Les surfaces d échange plusieurs épaisseurs assurent une fiabilité élevée et une longévité importante 9 Chaudières à condensation 12 Rendement de génération allant jusqu à 109 % sur PCI 14 Condensation au gaz jusqu à 6600 kw 16 Récupération de la chaleur des produits de la combustion du fioul 18 Evacuation et neutralisation des condensats 19 Les chaudières à triple parcours de fumées assurent une combustion à faibles émissions polluantes 20 Parcours de fumées 21 Valeurs limites pour le NO X et le CO 22 Volumes d eau importants et lames d eau d un seul tenant, pas besoin de pompe d irrigation de chaudière 23 Conditions de fonctionnement 24 Le dispositif de démarrage Therm-Control simplifie l intégration hydraulique 25 Mode de fonctionnement du Therm-Control 26 Intégration hydraulique 27 Conseils pour l étude des chaudières à condensation 31 Comment choisir une chaudière? 33 Conseils concernant l étude 36 Une gestion de l énergie optimisée avec les régulations Vitotronic 38 Régulation 39 Technique de communication 40 Logiciel d étude Vitoplan 41 Une qualité élevée grâce à une conception et une fabrication de pointe 42

3 Tableau synoptique de la gamme chaudières de moyenne et de grande puissance Modèle Type Version Pression Puissance nominale Désignation produit de service ou débit de vapeur Chaudières basse température fioul/gaz en acier Vitoplex 100 SX1 Chaudière à triple parcours de fumées 4 bars de 80 à 500 kw Vitoplex 100 SX1 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 575 à 1925 kw Vitoplex 300 TX3 Chaudière à triple parcours de fumées 4 bars de 80 à 460 kw Vitoplex 300 TX3 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 575 à 1750 kw Vitoplex 300, sectionnable TZ3 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 895 à 1750 kw Chaudières basse température fioul/gaz en fonte Vitorond 200 VD2 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 125 à 300 kw Vitorond 200 VD2 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 320 à 1150 kw Chaudières basse température gaz Vitogas 100 GS1 6 bars de 72 à 144 kw Installations à plusieurs chaudières jusqu à 432 kw Chaudières gaz à condensation Vitocrossal 300 CT3 Surface d échange Inox-Crossal 4 bars de 88 à 143 kw Vitocrossal 300 CT3 Surface d échange Inox-Crossal 4, 5,5 bars de 187 à 635 kw Vitocrossal 300 CR3 Surface d échange Inox-Crossal 6 bars de 404 à 978 kw Echangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 Surface d échange Inox-Crossal 4, 6 bars de 80 à 6600 kw Chaudières à eau chaude Vitomax 200 M241 Chaudière à triple parcours de fumées 6, 10 bars de 2100 à kw Vitomax 200 WS M250 / M240 Chaudière à triple parcours de fumées 3 bars / 1 bar de 1745 à kw / de 2,4 à 16,0 t/h Vitomax 300 M343 Chaudière à triple parcours de fumées 6 bars de 1860 à 5900 kw Chaudières à vapeur basse pression Vitoplex 100 LS SXD Chaudière à triple parcours de fumées 1 bar de 235 à 2000 kg/h de 170 à 1450 kw Vitomax 100 M233 Chaudière à triple parcours de fumées 1 bar de 2,6 à 4,5 t/h 1890 bis 3270 kw Chaudières à vapeur haute pression Vitomax 200 HS M237, M235 Chaudière à triple parcours de fumées 6 à 25 bars de 0,575 à 22 t/h de 375 à kw Chaudières à eau surchauffée Vitomax 200 HW M236, M234 Chaudière à triple parcours de fumées 6,5 à 25 bars de 375 à kw 3

4 Economiser l énergie réduit les coûts de combustible et préserve l environnement Consommation de combustible [l/m 3 (en milliers)] Installation ancienne condensation Puissance de la chaudière : Chaudière basse température Chaudière à condensation kw 500 kw 200 kw Fig. 2 : Consommation de combustible à différentes puissances de chaudière et économies réalisées par les chaudières basse température et à condensation Pertes d'entretien [%] 0,4 0,3 0,2 0,1 q B Puissance nominale [kw] Les chaudières de moyenne puissance comprennent la gamme de puissance de 70 kw à 1000 kw. On appelle chaudières de grande puissance les générateurs de chaleur dont la puissance dépasse 1000 kw. Cette brochure technique traite des textes réglementaires importants et des problèmes d application relatifs aux chaudières de moyenne et de grande puissance. Economiser l énergie réduit les coûts de combustible et préserve l environnement Les chaudières à partir de 70 kw de puissance sont utilisées dans des immeubles collectifs, de bureaux et administratifs, des bâtiments publics comme les écoles et les hôpitaux, des bâtiments industriels et d autres immeubles de grande taille. Les besoins calorifiques élevés de ces bâtiments induisent une consommation de fioul ou de gaz en conséquence. C est ainsi que des chaudières anciennes de 200 kw consomment chaque année litres ou m 3 de combustible par an. A 5000 kw, ce sont litres ou m 3 par an. La mise en place de chaudières basse température ou à condensation économisant l énergie en remplacement d installations anciennes permet d économiser des quantités considérables d énergie. Les économies en pourcentage dans cette plage de puissance vont jusqu à 25 % et sont certes plus faibles que pour les chaudières domestiques qui permettent d économiser jusqu à 40 %. Les économies absolues en litres ou en m 3 par an sont néanmoins très importantes dans le domaine des moyennes et des grandes puissances et induisent des durées d amortissement courtes. 4 Fig. 3 : Courbe des pertes d entretien qe des chaudières récentes en fonction de la puissance nominale Le faible pourcentage d économies est dû aux pertes d entretien spécifiques (coefficient qe) moindres sur les chaudières de puissance assez importante. Le coefficient qe influe grandement sur le rendement annuel des chaudières anciennes.

5 Mais même dans la construction neuve, la mise en œuvre de chaudières particulièrement économes en énergie doit être prise en compte. Les chaudières ont habituellement une durée de vie de 20 ans ou plus. Même de minimes différences de rendement global annuel induisent durant cette période des économies considérables de consommation d énergie et donc de coûts. 2 1 Exemple : Pour une puissance de 500 kw, un rendement global annuel supérieur de 2 % permet de réduire la consommation annuelle de litres ou m 3. En 20 ans, il s agit de litres ou m 3 de combustible! Investir dans une chaudière basse température d un rendement global annuel élevé s amortit habituellement en quelques années. Economiser l énergie assure non seulement une forte réduction des coûts de combustible, mais encore offre l avantage de diminuer le niveau de pollution, et de préserver l environnement. Les émissions de dioxyde de carbone (CO 2 ) principalement responsable de l effet de serre sont réduites de manière proportionnelle aux économies de combustible. Les émissions d oxydes d azote (NO X ) sont abaissées de manière encore plus importante. 5 Fig. 4 : Gamme Viessmann de chaudières de moyenne et de grande puissance de 80 à kw 1 Chaudière basse température fonte Vitorond 200, de 125 à 950 kw 2 Chaudière basse température acier Vitoplex 100, de 80 à 1925 kw 3 Chaudière basse température acier Vitoplex 300, de 80 à 1750 kw 4 Chaudière gaz à condensation Vitocrossal 300 en acier inoxydable, de 88 à 978 kw 5 Chaudière de grande puissance Vitomax, de à kw 4 3 5

6 Textes réglementaires Directive européenne rendement Les économies d énergie constituent un objectif majeur au sein de l Union Européenne. La directive chaudières ou rendement (directive 92/42/CEE du Conseil) a été adoptée dans ce but. Elle définit les types de chaudières et fixe des conditions minimales à remplir en ce qui concerne l utilisation de l énergie (rendements minimaux). Elle s applique aux chaudières jusqu à 400 kw. Les types de chaudière standard, chaudière basse température et chaudière à condensation, sont définis comme suit : - Les chaudières standard sont des chaudières dont la température moyenne de service peut être limitée par leur conception. Ces chaudières remplissent uniquement les conditions minimales en matière d utilisation de l énergie. - Les chaudières basse température sont des chaudières pouvant fonctionner en continu à une température d entrée de 35 à 40 C et où, dans certains cas, la vapeur d eau contenue dans les fumées peut se condenser. - Les chaudières à condensation sont des chaudières conçues pour la condensation d une grande partie de la vapeur d eau contenue dans les fumées. Une des conditions du marquage CE en tant que chaudière basse température ou à condensation, par exemple, est le respect des rendements minimaux exigés à la puissance nominale et en charge partielle (à 30 % de charge). Rendements minimaux CE Réglementation thermique 2000 (RT 2000) La RT 2000 introduit un quatrième type de chaudière : - Les chaudières de référence servent de base au calcul de la consommation de référence. Ce sont des chaudières standard au sens de la directive rendement mais dont l exigence sur le rendement en charge partielle a été augmentée et sur lesquelles les pertes à l arrêt ont été définies. Le rendement à 100 % de charge (puissance nominale), c est-à-dire que la chaudière fonctionne sans interruption et se trouve en régime, est une valeur plutôt théorique. Chaudières à condensation Chaudières basse température Chaudières standard Valeur minimale : 4 kw - Valeur maximale : 400 kw Charge de la chaudière Fig. 5 : Rendements minimaux CE à la puissance nominale et en charge partielle (à 30 % de charge) Cet état de fonctionnement ne se produit que pendant les quelques rares journées froides de l année et n est donc pas représentatif pour une appréciation énergétique. Le rendement à 30 % de charge (charge partielle) et les pertes à l arrêt prennent en revanche en compte le comportement typique d une chaudière avec des phases de fonctionnement et d arrêt et constituent donc une base de comparaison appropriée. Le rendement en charge partielle se rapproche réellement du rendement annuel de génération. Le rendement global annuel mesuré selon la norme allemande DIN correspond grosso modo au rendement européen à 30 %. 6

7 Des rendements globaux annuels élevés La norme allemande DIN met à disposition une procédure d essais permettant, sur la base d un programme d essais normalisé, de mesurer les rendements de génération à des charges partielles définies. Les cinq rendements en charge partielle mesurées servent ensuite à calculer le rendement global annuel. Nous disposons donc d un critère précis de comparaison des rendements des différents types de chaudières. Température chauffage 75/60 C Charge du Température Rendement de Valeur circuit de eau de génération en calculée chauffage chauffage charge partielle 1 / η ϕ,i ϕ HK [%] t VL / t RL [ C] η ϕ,i [%] [1/%] / ,5 0, / ,4 0, / ,2 0, / ,7 0, / ,0 0, = 0, Rendement de 5 5 génération annuel η N = = = 106,7% 5 (1 / η ϕ,i ) 0, i=1 Calcul du rendement global annuel Le tableau 1 montre pour l exemple de la chaudière à condensation Vitocrossal 300 le mode de calcul du rendement global annuel sur la base des données demandées par la norme allemande DIN : charge du circuit de chauffage, températures moyennes d eau du chauffage et rendements globaux en charge partielle mesurés. La figure 7 indique en plus des rendements minimaux à 30 % les rendements globaux annuels des chaudières basse température et à condensation modernes. Il s avère que ces derniers sont nettement supérieurs aux exigences minimales européennes. Le seul marquage CE selon la directive rendement ne dit rien sur l utilisation effective de l énergie. La comparaison des rendements globaux annuels constitue le critère décisif. La RT 2000 exige un rendement global à pleine charge d au moins 89,6 % et d au moins 88,2 % à 30 % de charge pour les chaudières de plus de 400 kw qui ne sont plus concernées par la directive rendement. Charge relative de la chaudière [%] 100 Rendement de génération [%] ,5 32,2 39,5 50,5 119, Jours de chauffe % Chaudières pour marche à température d'eau constante Fabriquées en * % Chaudières standard η CE minimal à 30 % Température extérieure [ C] * 88,5-91,5 % Chaudières basse température η CE minimal à 30 % Tab. 1 : Détermination du rendement global annuel pour l exemple d une chaudière à condensation Vitocrossal 300 Fig. 6 : Etages de charge selon norme DIN % % * 97,5-99,5 % % Chaudières basse température (Modulantes) η DIN Chaudières à condensation η CE minimal à 30 % Chaudières à condensation η DIN (75/60 C) Chaudières à condensation η DIN (40/30 C) valeur minimale : 4 kw valeur maximale : 400 kw * Fig. 7 : Rendement de génération des différents types de chaudière 7

8 La marche à basse température améliore le rendement global annuel La marche à basse température améliore le rendement global annuel Les déperditions des chaudières se composent des pertes par les fumées et des pertes par les parois. Les pertes par les parois comprennent les quantités de chaleur que la chaudière cède par ses parois durant la marche du brûleur (pertes par rayonnement) ou lorsqu elle est à l arrêt (pertes d entretien ou pertes à l arrêt). Les déperditions calorifiques par les portes et les trappes de ramonage sont essentiellement induites par la flamme ou les fumées durant la marche du brûleur. Les parcours d eau de la chaudière, par contre, cèdent de la chaleur durant toute la période où la chaudière est en service. Ces pertes par les parois dépendent du mode de fonctionnement de la chaudière et des températures d eau qui en découlent, ainsi que de la qualité de l isolation. Des pertes élevées par les parois et les fumées sont caractéristiques des anciennes «chaudières pour marche à température d eau constante» qui, pour éviter l apparition de condensats sur des surfaces d échange, doivent impérativement fonctionner toute l année à une température d eau de 75 C et plus. Les rendements globaux de ces chaudières sont généralement inférieurs à 80 %, c est-à-dire que plus de 20 % de l énergie consommée est perdue sans avoir été utilisée. Cette constatation nous a incités à concevoir des chaudières de moyenne et de grande puissance dont la température d eau peut être modulée en fonction des conditions climatiques. Ce mode de fonctionnement exige des types de chaudières dont les surfaces d échange sont conçues pour empêcher l apparition de condensats même si la température de service est faible. Q B Fig. 8 : Pertes d une chaudière durant la marche du brûleur Q C Q A Fig. 9 : Pertes d une chaudière à l arrêt du brûleur η C Q B Q C Q F Q R Q E Q C Q S Q F = Rendement de chaudière = Puissance du brûleur = Puissance nominale de la chaudière = Pertes par les fumées = Pertes par les parois de la chaudière durant la marche du brûleur = Pertes par les parois de la chaudière à l arrêt du brûleur E comme entretien (voir page 4) R comme rayonnement 8

9 Les surfaces d échange à plusieurs épaisseurs assurent une fiabilité élevée et une longévité importante Les surfaces d échange à plusieurs épaisseurs assurent une fiabilité élevée et une longévité importante Les surfaces d échange des chaudières basse température de plus de 70 kw doivent être conçues de telle sorte que, tant en marche à basse température qu en marche à charge partielle avec des brûleurs à deux allures ou modulants, la température des fumées ne chute pas en dessous du point de rosée de la vapeur d eau. Pour les chaudières basse température Vitoplex 300 de 80 à 1750 kw, nous utilisons des surfaces d échange à plusieurs épaisseurs, comme le tube Triplex. Les chaudières basse température Vitomax 300 de 1860 à 5900 kw sont équipées de tubes Duplex. Fig. 10 : Vitoplex Chaudière à triple parcours de fumées, disponible dans une plage de puissance de 80 à 1750 kw Fig. 11 :Tube Triplex - Les surfaces d échange à plusieurs épaisseurs de la Vitoplex 300 Fig. 12 :Tube Duplex de la Vitomax 300 9

10 Le mode d action des surfaces d échange à plusieurs épaisseurs Les processus de transmission de chaleur résultent d un résistance opposée aux transmissions calorifiques des fumées vers les surfaces d échange puis vers l eau de chaudière. Ce coefficient de transmission thermique (coefficient k) est la somme des résistances partielles qui sont, entre autres, fonction de la conductivité thermique des différents matériaux traversés par le flux de chaleur. Des températures définies en fonction du flux de chaleur et des différentes résistances thermiques s établissent sur les surfaces d échange. Sur les surfaces d échange à simple épaisseur, la température de la surface en contact avec les gaz de chauffe est déterminée non par la température élevée des gaz de chauffe, mais par celle bien plus basse de l eau de chaudière. Sur les surfaces d échange à simple épaisseur, il ne s établit qu un faible gradient entre la température de l eau de chaudière et la température de la face en contact avec les gaz de chauffe. C est la raison pour laquelle la vapeur d eau contenue dans les gaz de chauffe risque de se condenser si la température de l eau de chaudière est inférieure au point de rosée. En revanche, les surfaces d échange à plusieurs épaisseurs constituent une résistance thermique. Une optimisation de la conception permet de la faire varier afin de maintenir une température de surface côté gaz de chauffe au dessus du point de rosée de la vapeur d eau, même à basse température d eau de chaudière. Eau de chaudière Flux de chaleur Surfaces d'échange à simple épaisseur Gaz de chauffe 90 C 70 C 57 C 50 C Surfaces d'échange à deux épaisseurs Température de rosée au gaz naturel Flux de chaleur Fig. 13 : Mode d action des surfaces d échange à simple et à plusieurs épaisseurs Eau de chaudière t W ( 2) s (λ) Gaz de chauffe t S1 ( 1) Gaz de chauffe Eau de chaudière Flux de chaleur Fig. 14 : Flux de chaleur au travers d une surface d échange de chaudière t F Simple épaisseur : Température de la surface (température de paroi) côté gaz de chauffe k t S1 = t F (t F t W ) α 1 Fig. 15 : Fenêtre à simple vitrage humides, couvertes de buée et fenêtre à double vitrage sèche 1 k = 1 s α 1 λ α 2 Double épaisseur : 1 k = 1 s 1 s α 1 λ 1 λ 2 α 2 10

11 Transmissions calorifiques dosées Lorsque les gaz de chauffe traversent les surfaces d échange de la chaudière, ils descendent progressivement en température au fur et à mesure qu ils s approchent de la sortie. Le risque de chute en dessous de la température de rosée augmente donc sur la face en contact avec les gaz de chauffe dans cette zone, en particulier lorsque la brûleur fonctionne en charge partielle, avec des températures de gaz de chauffe plus basses et des vitesses de circulation de ces gaz plus faibles. C est pourquoi les transmissions thermiques des surfaces d échange à plusieurs épaisseurs sont dosées de telle sorte que toute condensation soit évitée en partie arrière des tubes de fumées. 100 C 90 C 80 C 70 C 60 C 50 C 40 C Température de surface du tube côté gaz de chauffe à 75 C de température d'eau de chaudière à 40 C de température d'eau de chaudière Les tubes de fumées de la Vitoplex 300 sont constitués de deux tubes d acier glissés l un dans l autre et réunis par des ponts thermiques réalisés par sertissage. Un tube spécial à ailettes longitudinales a été engagé dans le tube extérieur. Les surfaces d échange côté gaz de chauffe sont ainsi environ 2,5 fois plus grandes que dans le cas des tubes lisses. La Vitoplex 300 a donc besoin de moins de tubes de fumées que les chaudières traditionnelles. Les écarts entre les sertissages augmentent d avant en arrière et assurent des transmissions thermiques dosées. Sur les Vitomax 300, les tubes de fumées sont des tubes Duplex. Le tube Duplex est constitué de deux tubes d acier glissés l un dans l autre et reliés entre eux par des ponts thermiques réalisés par sertissage. La variation des écarts entre les sertissages dose également les transmissions thermiques sur les tubes Duplex C 900 C 800 C 700 C 600 C 500 C 400 C 300 C 200 C 100 C 950 C 750 C Température de gaz de chauffe Puissance nominale Charge partielle 180 C 130 C Fig. 16 : Courbes de températures des gaz de chauffe et de la surface côté gaz de chauffe des tubes de fumées de la Vitoplex 300 Fig. 17 : La variation des écarts entre les sertissages du tube Triplex assure des transmissions thermiques dosées 11

12 Chaudières à condensation Chaudières à condensation Les chaudières à condensation permettent d augmenter considérablement le rendement global, au delà des limites des chaudières traditionnelles ou basse température. Les chaudières à condensation récupèrent la quantité importante de chaleur qui s échappe par la cheminée avec les fumées dans le cas des chaudières classiques. Cette technologie se distingue aussi par des émissions polluantes minimales et par un mode de chauffage particulièrement économique. Que se passe-t-il lors de la combustion? Lors de la combustion, les composés consumables du combustible, le carbone (C) et l hydrogène (H), pour l essentiel, se combinent à l oxygène de l air. Il y a alors dégagement de chaleur mais aussi formation de gaz carbonique (CO 2 ) et de vapeur d eau (H 2 O). La réaction de combustion du méthane (CH 4 ), qui est contenu à raison de 80 % dans le gaz naturel, le montre clairement : Température de rosée de la vapeur d'eau [ C] Gaz naturel (95% CH 4 ) Fioul domestique Teneur en CO 2 [% vol.] CH O 2 -> CO H 2 O Si la température des parois des surfaces d échange descend en dessous du point de rosée de la vapeur d eau, il se forme des condensats. Pour le gaz naturel, le point de rosée de la vapeur d eau est de 57 C environ et pour le fioul domestique de 47 C environ. Fig. 19 : Point de rosée de la vapeur d eau Fig. 20 : Chaudières à condensation - Flux de chaleur Pouvoir calorifique supérieur (111%) Pouvoir calorifique inférieur (111%) 11% Chaleur de vaporisation (latente) Fig. 18 : Chaleur récupérée des gaz de chauffe CH 4 O 2 O 2 H 2 O Pertes par les fumées Pertes par rayonnement et pertes d'entretien Rendement global d'une chaudière basse température jusqu'à 96 % Rendement global d'une chaudière à condensation jusqu'à 109 % sur PCI Perte de chaleur de vaporisation CO 2 H 2 O 12

13 Une récupération efficace de la chaleur des fumées par condensation implique que l équipement de combustion fonctionne avec une teneur en CO 2 élevée ou un faible excès d air. Les brûleurs gaz à air soufflé sont parfaitement indiqués pour cela alors que les brûleurs atmosphériques, qui ont des excès d air importants, présentent des températures de rosée plus faibles retardant l amorce de la condensation. La chaleur latente (appelée également chaleur de vaporisation) contenue dans les gaz de chauffe est récupérée par la condensation de la vapeur d eau dégagée durant la combustion puis transférée également à l eau de chaudière. Avec du gaz naturel, il est possible d augmenter le rendement global annuel jusqu à 15 % par rapport à une chaudière basse température. Il en résulte une consommation d énergie sensiblement plus basse pour la production de la quantité de chaleur nécessaire. La fig. 21 représente les flux de chaleur d une chaudière basse température et d une chaudière à condensation. Pouvoir calorifique supérieur et pouvoir calorifique inférieur Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) correspond à la chaleur dégagée lors de la combustion totale d un combustible si l eau formée est à l état de vapeur. Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) représente la chaleur dégagée lors de la combustion totale d un combustible, y compris la chaleur de vaporisation contenue dans la vapeur d eau des gaz de chauffe. Sur les chaudières basse température et standard, il ne doit pas se produire de condensation des gaz de chauffe afin d éviter toute détérioration des surfaces d échange par corrosion. Auparavant, il était par conséquent impossible d utiliser la chaleur latente. Pour tous les calculs de rendement, le pouvoir calorifique inférieur (PCI) a, de ce fait, été pris comme grandeur de référence. En récupérant la chaleur latente, il est donc possible d atteindre un rendement qui, curieusement, dépasse les 100 %. Pouvoir Pouvoir Condensats calorifique calorifique formés supérieur inférieur PCS PCI PCS/PCI PCS - PCI kg/m 3 1 ) kwh/m 3 kwh/m 3 (théoriques) gaz de ville 5,5 4,9 1,13 0,61 0,89 gaz naturel Ei 10,3 9,3 1,11 1,0 1,53 gaz naturel Es 11,3 10,2 1,11 1,1 1,63 propane 27,5 25,4 1,09 2,1 3,37 butane 35,6 32,9 1,08 2,7 4,29 fioul domestique 2 ) 10,7 10,1 1,06 0,6 0,88 1) valeur rapportée à la quantité de combustible 2) valeurs rapportées au litre pour le fioul domestique Tab. 2 : Pouvoirs calorifiques des combustibles Pouvoir calorifique [kwh/m3 ou l] 10,68 10,08 Fioul domestique Fig. 21 : Pouvoir calorifique du fioul domestique et du gaz naturel Pourtant, pour pouvoir comparer les chaudières classiques et les chaudières à condensation, les rendements doivent toujours être rapportés au pouvoir calorifique inférieur (PCI). Le tableau 2 indique le rapport PCS/PCI pour différents combustibles. Règle générale : 9,78 8,83 Gaz naturel LL Chaleur latente Chaleur sensible 11,46 10,35 Gaz naturel E Plus la différence entre le pouvoir calorifique supérieur (PCS) et le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est importante, plus la condensation aura d impact. Pour le fioul domestique, le PCS dépasse le PCI de 6 %, cette différence est de11 % pour le gaz naturel. Fig. 22 : Surfaces d échange Inox-Crossal La condensation est donc particulièrement indiquée avec le gaz naturel. L acier inoxydable austénitique assure une fiabilité élevée et une longévité importante Les chaudières à condensation Viessmann sont équipées des surfaces d échange Inox-Crossal. Elles sont réalisées en un acier inoxydable fortement allié et d une remarquable tenue à la corrosion (acier au chrome -nickel-molybdène). L acier inoxydable austénitique résiste aux condensats acides et offre une fiabilité élevée et une longévité importante. 13

14 Rendement de génération allant jusqu à 109 % sur PCI Rendement de génération allant jusqu à 109 % sur PCI Gaz de chauffe Les surfaces d échange Inox-Crossal constituent un échangeur de chaleur à condensation très efficace, présentant des emboutissages croisés qui créent de fortes turbulences à l intérieur du flux des gaz de chauffe. Les surfaces d échange à simple épaisseur et sans ailettes offrent d excellentes transmissions thermiques et assurent ainsi un faible gradient de température entre les faces côté eau de chaudière et côté gaz de chauffe. Eau de chaudière Condensats La température côté gaz de chauffe est, selon la température des retours, inférieure au point de rosée de la vapeur d eau : 57 C. La vapeur d eau des gaz de chauffe se condense de manière intensive sur les surfaces d échange et cède à l eau de chaudière la chaleur ainsi libérée, ce qui représente un gain d énergie. Les surfaces d échange Inox-Crossal transmettent de manière très efficace la chaleur à l eau de chaudière. La température des fumées ne dépasse ainsi celle des retours que de 5 à 15 K environ. Les pertes par les fumées sont, de ce fait, extrêmement faibles tout au long de la saison de chauffe, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Les faibles températures de fumées et la condensation intensive peuvent assurer des rendements globaux annuels de 109 % sur le PCI du gaz naturel. Fig. 23 : Parcours des gaz de chauffe et des condensats Surfaces d échange Inox-Crossal disposées verticalement Les surfaces d échange Inox-Crossal sont disposées verticalement, donc les condensats qui se forment s écoulent sans encombre de haut en bas. Les concentrations acides dues à une réévaporation des condensats sont évitées. Les condensats formés rincent les surfaces d échange et les gardent propres. Cet autonettoyage réduit les travaux de maintenance et prévient les dysfonctionnements dus à une réévaporation des condensats. Facteurs influant sur une condensation efficace Les principaux facteurs qui influent sont l intégration hydraulique des chaudières à condensation et la température de retour du chauffage. Ils déterminent grandement l efficacité de la condensation. Lorsque l on intègre des chaudières à condensation dans des installations de chauffage existantes, il est important de maximiser la condensation par des solutions adaptées. Fig. 24 : Vitocrossal Chaudière gaz à condensation à surfaces d échange Inox-Crossal en acier inoxydable austénitique, puissance nominale : de 88 à 978 kw 14

15 Quel est l effet des températures du chauffage ou de la température de retour? La figure 25 montre l effet des températures du chauffage sur l efficacité de la condensation. On s aperçoit que, pour un chauffage dimensionné à 75/60 C, on est en droit d espérer une condensation au dessus d une température extérieure de -1 C puisque la température du retour chauffage est inférieure au point de rosée de la vapeur d eau. En régime d abaissement nocturne, la courbe de chauffe décalée vers le bas permet même la condensation jusqu à la température extérieure de base. 90 % du travail annuel de chauffage environ pourront être assurés avec de la condensation. Le rendement global annuel est de 107 % sur PCI. Même si l installation est dimensionnée à 90/70 C, les gaz de chauffe se condensent dès que la température extérieure a dépassé +4 C environ. Les conditions idéales sont offertes par un dimensionnement d un chauffage à 40/30 C, par exemple, permettant une condensation toute l année et donc des rendement globaux maximaux. Conclusion : Un fonctionnement efficace des chaudières à condensation est possible non seulement dans un chauffage basse température (comme un plancher chauffant), mais encore avec des radiateurs dimensionnés de manière traditionnelle ; en effet, les températures de retour sont inférieures au point de rosée de la vapeur d eau sur une vaste plage de température extérieure. La figure 26 montre la courbe caractéristique des rendements utiles à différentes températures du chauffage. Même pour un chauffage à 90/70 C, la chaudière à condensation permet des économies d énergie supplémentaires de 10 % par rapport à une chaudière basse température moderne. Température du chauffage [ C] Plage de condensation à 60 C de température de retour Plage de condensation à 70 C de température de retour 70 C 60 C C 30 (-2,5 C) (-11,5 C) Température extérieure [ C] Fig. 25 : Effet de la température du chauffage sur la condensation Rendement de génération en charge partielle [%] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Charge [ϕ] t V = 40 C, t R = 30 C η N = 109% t V = 75 C, t R = 60 C η N = 107% t V = 90 C, t R = 70 C η N = 104 % Fig. 26 : Courbe des rendements utiles en charge partielle pour différents chauffages - η N sont les rendements globaux annuels calculés à partir de ces valeurs 15

16 Condensation au gaz pour des puissances de chaudière jusqu à 6600 kw Condensation au gaz pour des puissances de chaudière jusqu à 6600 kw Des échangeurs de chaleur à condensation seront montés en aval des chaudières surtout dans le domaine des grandes puissances. Les échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 sont disponibles pour les chaudières de 80 à 6600 kw. A l intérieur des échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333, la température des fumées est fortement réduite et ne dépasse celle du retour de l eau du chauffage que de 10 à 25 K. Ce seul abaissement améliore le rendement de génération de 5 % environ. Les économies d énergie supplémentaires et l avantage des échangeurs de chaleur à condensation résident dans l utilisation de la chaleur récupérée sur les surfaces froides lors de la condensation des gaz de chauffe. En fonction de la température de l eau du chauffage traversant l échangeur de chaleur, le gain supplémentaire d énergie par la condensation peut aller jusqu à 7 %. Le montage d échangeurs de chaleur à condensation en aval permet d améliorer le rendement d utilisation des chaudières de 12 %, la consommation de combustible étant réduite en conséquence. Pertes/Gain de chaleur [%] ,8 % 7,5 % 6,2 % 1,9 % Température de retour [ C] Pertes aux fumées basse température Pertes aux fumées condensation Gain par condensation Gain de chaleur Fig. 27 : Ensemble à condensation - gain supplémentaire de chaleur induit par le refroidissement des fumées et la condensation en fonction de la température de retour Exemple de la figure 27 avec une température de retour de 45 C : Pertes par les fumées en condensation 1,9% Gain par condensation 6,2% Pertes par les fumées en basse température 7,5 % Gain de chaleur par la condensation 11,8% Gain de chaleur par la condensation = Gain par la condensation + (pertes par les fumées basse température - condensation) 4 = 2 + ( 3 1 ) = 6,2 + ( 7,5 1,9 ) = 11,8% Fig. 28 : Vitotrans 333 associé à une chaudière Vitoplex dans un ensemble à condensation Fig. 29 : Echangeur de chaleur à condensation Vitotrans 333, puissance nominale : de 80 à 500 kw 16

17 Un amortissement rapide La consommation d énergie sensiblement plus faible qu il est possible d atteindre avec des échangeurs de chaleur à condensation permet d amortir l investissement en quelques années. La figure 30 représente les temps de retour de l investissement en fonction de la puissance de la chaudière pour différentes augmentations du rendement global. Les augmentations du rendement global de 7 ou de 10 % qui dépendent du type et du mode de fonctionnement de l installation représentent la plage des valeurs qu il est possible d atteindre dans la pratique. Temps de retour du capital [a] 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Prix du combustible : 0,23 /m 3 Heures de fonctionnement dans l'année : 1600 h/a 7 % d'augmentation du rendement global 10 % d'augmentation du rendement global Puissance de la chaudière [kw] Comme les chaudières sont utilisées longtemps, il est possible de réduire considérablement les coûts de fonctionnement. L emploi de la condensation, technique qui économise l énergie et préserve l environnement, doit donc être systématiquement envisagé tant pour les installations neuves que pour la modernisation. Les surfaces d échange des échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 sont réalisées en acier inoxydable. Les modèles destinés aux chaudières jusqu à 1750 kw présentent des surfaces d échange Inox-Crossal, ceux destinés aux chaudières de 1860 à 6600 kw des tubes verticaux constituant les surfaces d échange Inox-Tubal. Les condensats peuvent s écouler verticalement vers le bas. Il ne peut pas se former de concentrations acides attaquant le matériau. En outre, les condensats qui se forment rincent les surfaces d échange et les gardent propres. Il n est pratiquement pas nécessaire de nettoyer les surfaces d échange. Fig. 30 :Temps de retour du capital pour des échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 fonctionnant au gaz pour 7 ou 10 % d augmentation du rendement global Fig. 31 : Echangeur de chaleur à condensation Vitotrans 333, puissance nominale : de 1860 à 6600 kw 17

18 Récupération de la chaleur des produits de la combustion du fioul La récupération de la chaleur des fumées est également possible avec des brûleurs mixtes Les installations de chauffage de puissance assez importante sont souvent équipées de brûleurs mixtes fioul/gaz. Et ce pour des raisons de sécurité d approvisionnement, ou par désir de passer au fioul pour les puissances de pointes. Dans ces cas également, il est judicieux d utiliser la condensation. C est ainsi que les échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 peuvent fonctionner temporairement (6 semaines maximum par saison de chauffe) au fioul domestique. Fig. 32 : Echangeur de chaleur à condensation Vitotrans

19 Evacuation et neutralisation des condensats Formation des condensats Les condensats sont un produit du processus de combustion comme le montre la réaction de combustion pour l exemple du méthane (CH 4 ) qui est contenu à plus de 80 % dans le gaz naturel : acide Condensats des chaudières à condensation Fioul Gaz ph Eaux usées des ménages basique CH O 2 CO H 2 O + chaleur Les principaux composants des combustibles : les hydrocarbures constitués d atomes de carbone (C) et d hydrogène (H) brûlent avec l oxygène (O 2 ) de l air. Il en résulte non seulement de la chaleur, mais essentiellement du dioxyde de carbone (CO 2 ) et de la vapeur d eau (H 2 O). Acide accumulateurs Suc gastrique Vinaigre Jus de citron Eau de pluie Fig. 33 : ph de différentes matières Eau de pluie non polluée Eau distillée (neutre) Eau potable Eau de mer Ammoniac Quantité de condensats La quantité de condensats formés est essentiellement fonction de la composition du combustible et du refroidissement des fumées. Théoriquement, une condensation totale avec les composants de base produit une quantité de condensats de 0,16 kg/kwh pour le gaz naturel et de 0,09 kg/kwh pour le fioul domestique. Fig. 34 : Equipement de neutralisation par granulés pour débits de condensats des chaudières gaz jusqu à 70 l/h soit 500 kw de puissance environ Fig. 35 : Equipement de neutralisation par granulés avec pompe de relevage des condensats pour débits de condensats des chaudières gaz jusqu à 210 l/h soit 1500 kw de puissance environ 19

20 Les chaudières à triple parcours de fumées assurent une combustion à faibles émissions polluantes Les chaudières à triple parcours des fumées et à faible charge de la chambre de combustion assurent une combustion à faibles émissions polluantes La durée de vie des chaudières de moyenne et de grande puissance est d au moins 20 années. C est la raison pour laquelle il est nécessaire, lors du choix des composants de l installation, de ne pas oublier non seulement le respect des valeurs limites actuelles des émissions polluantes, mais encore le fait que leur conception et leurs caractéristiques techniques permettent aux chaudières de respecter également les futures exigences en matière d émissions polluantes. Tout processus de combustion de sources d énergie fossiles produit des oxydes d azote (NO X ) qui induisent la formation de l ozone toxique et sont un des facteurs de l apparition des pluies acides. La formation des NO X dépend des facteurs suivants : NO [ppm] Gaz naturel 0 0,1 0,2 0,3 Durée de passage t [s] Fig. 37 : Paramètres influant sur la formation de NO X Formation de NO x thermique NOx [%] Température [ C] température de la flamme : jusqu à 1000 C environ, les émissions restent très faibles, elles augmentent progressivement à partir de 1300 C, durée de passage des gaz de chauffe dans la zone des températures de réaction élevées : plus le passage est rapide, moins il se forme de NO X, pression partielle d oxygène ou quantité d oxygène disponible dans la zone de réaction : moins il y a d oxygène, moins il se forme de NO X. Il est possible de réduire sensiblement la formation de NO X en influant à bon escient sur le déroulement de la combustion et en concevant la chaudière en conséquence. Les dispositions prises sur les brûleurs et les chaudières se complètent. Un grand nombre de fabricants de brûleurs offre en plus des brûleurs standard, des variantes à faibles émissions polluantes, les brûleurs Low NO X, qui, habituellement, réduisent la formation de NO X selon le principe du recyclage interne des gaz de chauffe. Température de la flamme Durée de passage Pression partielle de O 2 Fig. 38 : Formation de NO X thermique En ce qui concerne les chaudières, il s agit d induire, par des parcours de fumées étudiés et de faibles charges de la chambre de combustion, un refroidissement de la flamme et un passage plus rapide des gaz de chauffe dans les zones très chaudes de la flamme pour minimiser ainsi les émissions de NO X. 20

21 Parcours de fumées Les chaudières de moyenne et de grande puissance de types double parcours de fumées à foyer borgne et à triple parcours de fumées présentent des différences essentielles dans les circuits de fumées. Sur la chaudière à double parcours et à foyer borgne, le fond du foyer est habituellement à lame d eau. Les produits de la combustion font demi-tour à l arrière du foyer, reviennent vers l avant et entourent la flamme. Puis, ils entrent dans les tubes de fumées : second parcours. Chaudière à double parcours de fumées Chaudière à triple parcours de fumées Les chaudières à double parcours et à foyer borgne présentent en règle générale des températures moyennes de flamme plus élevées et des durées de passage plus longues dans les zones de températures élevées favorisant la formation d oxydes d azote. En effet, les fumées chaudes font demi-tour dans le foyer et réduisent la cession directe de chaleur de la flamme au foyer refroidi par eau. Fig. 38 : Représentation schématique des parcours de fumées des chaudières à double parcours et à foyer borgne et des chaudières à triple parcours Départ La situation est plus favorable sur les chaudières à triple parcours de fumées. Les gaz de chauffe ne font pas demi-tour dans la chambre de combustion, mais entrent dans le second parcours par une chambre de reflux placée à l arrière du foyer. Selon le type de la chaudière, le second parcours est réalisé sous forme de tube de fumées ou de conduit de reflux. Une seconde chambre de reflux au droit de la porte de chaudière ou de la trappe de nettoyage fait entrer les gaz de chauffe dans le troisième parcours également réalisé sous forme de tube de fumées. Comme les fumées quittent le foyer par la chambre de reflux placée en partie arrière et que les gaz de chauffe refluants n entourent pas le cœur de la flamme, la flamme peut céder davantage de chaleur et devient ainsi plus froide. Dans le même temps, la durée de passage des gaz de chauffe dans la zone de réaction est plus courte, ce qui réduit également la formation de NO X. Retour Retour Fig. 39 : Parcours de fumées de la Vitocrossal 300 Buse de fumées La chaudière gaz à condensation Vitocrossal 300 n est pas une chaudière à triple parcours de fumées classique, mais possède un foyer traversant. Dans cette chaudière également, les fumées ne font pas demi-tour dans la chambre de combustion mais passent directement du foyer aux surfaces d échange. Les émissions polluantes sont comparables à celles d une chaudière à triple parcours de fumées. Fig. 40 : Vitocrossal 300 avec brûleur radiant MatriX à turbine à vitesse modulée pour un fonctionnement particulièrement silencieux garantit de faibles émissions polluantes module entre 30 et 100 % 21

22 Valeurs limites pour le NO X et le CO Combustible Arrêté du 25 juillet 1997 (PIC) Projet d arrêté (MIC) Gaz naturel Pas d exigences 150* Fioul domestique Pas d exigences 200* Puissance de l installation 0 kw 2 MW 10 MW 20 MW 50 MW Valeur en mg/m 3 * Cette limite s applique aux installations dont la puissance totale est supérieure à 10 MW lorsque plus de 50 % de la puissance totale de l installation sont fournis par des générateurs à tubes de fumées. Tab. 3 : Valeurs limites de NO X pour les chaudières Valeurs limites pour le NO X et le CO Les valeurs limites à respecter pour les chaudières fioul et gaz sont indiquées dans le tableau 3. De faibles charges de la chambre de combustion favorisent la réduction des émissions de NO X La charge du foyer (également appelée charge volumique du foyer) est le rapport entre la puissance de l équipement de combustion (charge nominale) et le volume du foyer. Elle est indiquée en MW/m 3 et représente ainsi l étalon de la «densité de chaleur» à l intérieur du foyer. Comme déjà indiqué, la température moyenne de la flamme est un critère essentiel pour la formation de NO X thermique. Plus la charge du foyer sera faible, plus les émissions de NO X à attendre seront basses. C est ainsi que les fabricants de brûleurs font dépendre de la charge du foyer les valeurs de NO X garanties à respecter. Charge du foyer < 1,0 > 1,0 bis 1,5 > 1,5 bis 1,8 [MW/m 3 ] Chaudière à triple parcours Chaudière à foyer borgne NO x en mg/m 3 à 3% de O 2 Brûleurs gaz Weishaupt WG10 bis WG40/1-B version LN Tab. 4 : Emissions de NO X garanties en fonction de la charge du foyer et des parcours de fumées (Source : Weishaupt) Le tableau 4 indique les valeurs de NO X garanties par la Société Weishaupt en fonction de la charge du foyer et du type de parcours de fumées. Les autres fabricants de brûleurs diffusent des tableaux analogues. Des émissions de NO X particulièrement faibles sont atteintes avec des chaudières à triple parcours de fumées et à faible charge du foyer. Les chaudières présentant des charges du foyer élevées et dépassant 1,5 MW/m 3 doivent souvent fonctionner en charge réduite pour pouvoir respecter les émissions polluantes exigées. Choisir pour ce faire le modèle de chaudière immédiatement supérieur augmente les coûts d investissement pour l installation et limite la plage de réglage. Les chaudières d avant-garde et d avenir à triple parcours de fumées se distinguent par de faibles charges du foyer de l ordre de 0,8 à 1,3 MW/m 3 en fonction de la puissance de la chaudière. Equipées de brûleurs modernes, ces chaudières présentent des émissions polluantes parfois nettement inférieures aux valeurs fixées par la réglementation de l air allemande. Les chaudières de moyenne et de grande puissance Viessmann offrent ainsi les meilleures conditions pour respecter les valeurs limites d émissions polluantes de demain et d après-demain. 22

23 Volumes d eau importants et lames d eau d un seul tenant (pas besoin de pompe d irrigation de chaudière) Volumes d eau importants et lames d eau d un seul tenant (pas besoin de pompe d irrigation de chaudière) Un avantage important des chaudières acier Viessmann réside dans leurs capacités en eau importantes et leurs lames d eau d un seul tenant, ainsi que l écart important séparant les tubes de fumées. Il en résulte de faibles pertes de charge côté eau. La bonne irrigation permet à la chaleur d être transmise à l eau de chaudière par convection naturelle, une pompe d irrigation de chaudière n est donc pas nécessaire. Sur les chaudières Vitoplex et Vitomax, les manchons de départ et de retour sont placés sur la face supérieure. Des déflecteurs se trouvent en dessous du manchon de retour, empêchant l eau froide du retour chauffage de rencontrer directement les tubes de fumées. Les déflecteurs des chaudières Vitoplex sont équipés d orifices d injection. L eau du chauffage entrant par le tube de retour est dirigée vers le bas entre le déflecteur et l enveloppe extérieure qui est préchauffée par l eau de chaudière mélangée par les orifices d injection. Elle continue à descendre et arrive dans la zone de la chambre de combustion. La virole cylindrique de la chambre de combustion cède déjà une part considérable de la puissance nominale : 60 % environ pour les chaudières à triple parcours des fumées. Cette part importante résulte des températures élevées à l intérieur de la chambre de combustion et de la part de chaleur de rayonnement. Le reste de la chaleur est cédé au travers des tubes de fumées. L emplacement optimisé de la chambre de combustion en partie basse de la chaudière, la capacité en eau importante et les vastes lames d eau permettent de se passer de pompe d irrigation de chaudière. De plus, les volumes d eau importants prolongent les durées de fonctionnement du brûleur qui s arrête ainsi moins souvent. Fig. 41 : Chaudière basse température fioul/gaz Vitoplex 300, puissance nominale : de 575 à 1750 kw Fig. 42 : Circulation de l eau à l intérieur de la chaudière Fig. 43 : Thermographie du préchauffage de l eau de retour au droit du déflecteur 23

24 Conditions de fonctionnement Conditions de fonctionnement Le mode de fonctionnement des chaudières de moyenne et de grande puissance se distingue parfois nettement de celui des chaudières domestiques. Des brûleurs à plusieurs allures ou modulants sont ainsi exigés pour les puissances à partir de 70 kw. Le mode de fonctionnement et la version des chaudières de moyenne et de grande puissance exigent des conditions de fonctionnement dont le respect est indispensable pour une fiabilité élevée et une longévité importante. Tab. 5 : Conditions de fonctionnement Les principales exigences sont : Débit volumique d eau de chaudière. Les chaudières acier comme les Vitoplex et les Vitomax ou la chaudière à condensation Vitocrossal 300 présentent de grands volumes d eau et de larges lames d eau ; elles n ont pas besoin de débit d irrigation minimum. Dans le cas des chaudières fonte qui, de par leur constitution, présentent des volumes d eau réduits, il est parfois nécessaire de respecter des débits volumiques minimaux pour assurer une bonne évacuation de la chaleur quand le brûleur est en marche. Température minimale de retour chaudière. La température minimale de retour chaudière dépend de la conception de la chaudière, du mode de fonctionnement du brûleur et du combustible. Une température de retour inférieure à la valeur minimale induit une formation de condensats sur les surfaces d échange de la chaudière. Le dispositif de démarrage Therm-Control permet à un grand nombre de chaudières Vitoplex de ne pas obligatoirement devoir respecter une température minimale de retour. Si des températures minimales de retour sont exigées pour la chaudière, on devra prendre des dispositions en conséquence pour le rehaussement de la température de retour. Fonctionnement avec une charge de base du brûleur 60% Modèle de chaudière- Débit Température de retour chaudière Température inférieure Charge Exigences d eau de (valeur minimale) d eau de chaudière minimale chaudière Fioul Gaz Fioul Gaz du brûleur Vitocrossal 300 aucun aucune aucune aucune aucune aucune Vitoplex 100, jusqu à 460 kw aucun aucune aucune 50 C 60 C 60% Vitoplex 100, à partir de 575 kw aucun 40 C 53 C 50 C 60 C 60% Vitoplex 300, de 80 à 1750 kw (Type TX3) aucun aucune aucune 40 C 50 C 60% Vitoplex 300, de 895 à 1750 kw (Type TZ3) aucun 30 C 40 C 40 C 50 C 60% Vitorond % 40 C 53 C 50 C 60 C 60% Vitomax 200 WS aucun 65 C 65 C 75 C 75 C aucune Vitomax 200 aucun 50 C 55 C 70 C 70 C aucune Vitomax 300 aucun 38 C 45 C 50 C 60 C 60% Fonctionnement avec une charge de base du brûleur < 60% Modèle de chaudière- Débit Température de retour chaudière Température inférieure Charge Exigences d eau de (valeur minimale) d eau de chaudière minimale chaudière Fioul Gaz Fioul Gaz du brûleur Vitocrossal 300 aucun aucune aucune aucune aucune aucune Vitoplex 100, jusqu à 460 kw aucun aucune aucune 60 C 65 C aucune Vitoplex 100, à partir de 575 kw aucun 53 C 53 C 60 C 65 C aucune Vitoplex 300, de 80 à 1750 kw (Type TX3) aucun aucune aucune 50 C 60 C aucune Vitoplex 300, de 895 à 1750 kw (Type TZ3) aucun 45 C 45 C 50 C 60 C aucune Vitorond % 53 C 53 C 60 C 65 C aucune Vitomax 200 WS aucun 65 C 65 C 75 C 75 C aucune Vitomax 200 aucun 50 C 55 C 70 C 70 C aucune Vitomax 300 aucun 53 C 53 C 60 C 65 C aucune 24

25 Le dispositif de démarrage Therm-Control simplifie l intégration hydraulique Température inférieure d eau de chaudière. Elle dépend également du type de la chaudière, du mode de fonctionnement du brûleur et du combustible. Si l allure de charge partielle du brûleur est réglée à moins de 60 % de la puissance nominale, comme sur un brûleur modulant, la charge thermique plus faible des surfaces d échange qui en résulte sera compensée par des températures d eau de chaudière et de retour plus élevées. V = 100% ϑ 20 C 40 C V = 50% ϑ 20 C 60 C Les Vitoplex 300 à surfaces d échange à plusieurs épaisseurs peuvent fonctionner à des températures d eau de chaudière peu élevées, ce qui constitue un avantage. Marche réduite, abaissement en fin de semaine. L arrêt total de la chaudière qui permet d économiser de l énergie exige des chaudières spécialement adaptées, par exemple, la Vitoplex 300 à surfaces d échange à plusieurs épaisseurs ou la chaudière gaz à condensation Vitocrossal 300. Le dispositif de démarrage Therm-Control simplifie l intégration hydraulique Le souhait de coûts d investissement et de fonctionnement faible exige des intégrations hydrauliques simples. Viessmann a donné le ton au début des années 1990 en lançant un dispositif de démarrage permettant de se passer d autres solutions de rehaussement de la température de retour. Le dispositif de démarrage breveté Therm-Control permet de se passer des pompes de mélange habituellement utilisées. Cette simplification de l intégration hydraulique de la chaudière économise du matériel, de la main-d œuvre et réduit les coûts d investissement. La suppression de la pompe de mélange réduit la consommation et la facture d électricité, facteur à prendre en compte dans la RT Fig. 44 : Mode de fonctionnement du dispositif de démarrage Therm-Control Conditions à remplir dans la phase de démarrage Le dispositif de démarrage permet à l eau de retour d entrer dans la chaudière sans limitation inférieure. Cette situation se rencontre, par exemple, à l issue de périodes d abaissement ou d arrêt. Durant la phase de démarrage et de remontée en température, la chaudière doit fournir un travail très lourd. D une part, un maximum de chaleur doit être cédé au chauffage pour alimenter des postes consommateurs, d autre part, il ne doit se former aucun condensat corrosif durant cette phase. Les deux conditions sont remplies par le dispositif de démarrage Therm-Control. Mode de fonctionnement du Therm-Control L emplacement de la sonde de température nécessaire dans la chaudière est capital pour une fiabilité élevée et la fonctionnalité du dispositif de démarrage. La position du Therm- Control au droit du manchon de retour permet de détecter en temps utile l état thermique à l intérieur de la chaudière et d induire les ordres de régulation nécessaires. Fig. 45 : Le dispositif de démarrage Therm-Control simplifie l intégration hydraulique 25

26 Mode de fonctionnement du Therm-Control La sonde Therm-Control est intégrée de telle sorte qu elle puisse détecter une température mixte constituée de la température de retour et de la température d eau de chaudière. Avantage décisif de cette solution : la régulation intervient bien avant que l eau de retour n ait refroidi la chaudière. Ce qui se passe : Pour expliquer le mode de fonctionnement du dispositif de démarrage Therm-Control, nous examinons une installation équipée d une chaudière Vitoplex et d un circuit de chauffage avec vanne mélangeuse. Les courbes du dispositif de démarrage et des températures importantes sont représentées figure 46. Au démarrage de l installation, la sonde Therm-Control détecte une température inférieure à la valeur de consigne. La régulation donne l ordre à la vanne mélangeuse placée en aval de la chaudière Vitoplex de réduire le débit volumique et au brûleur de fonctionner à pleine charge. (fig. 47 : Phase 1 - régime de démarrage). La température d eau de chaudière et donc également celle détectée par la sonde Therm-Control montent alors rapidement. Lorsqu une certaine température est dépassée à la sonde Therm-Control, la vanne mélangeuse est ouverte et le débit volumique (50 % dans cet exemple) est progressivement augmenté à l intérieur de la chaudière. (fig. 47 : Phase 2 - régime de démarrage). Au bout d un certain temps, entre autres fonction de la capacité en eau de l installation, la température de l eau de retour provenant des postes consommateurs augmente. Temperature [C ] / Modulation [%] Temps Débit volumique Puissance brûleur Température d'eau de chaudière Température Therm-Control Température de retour Fig. 46 : Mode de fonctionnement du dispositif de démarrage Therm-Control Brûleur 100% Vanne mélangeuse fermée Therm-Control V = 0% Phase 1 Régime de démarrage Brûleur 100% Vanne mélangeuse ouverte Therm-Control V = 50% Phase 2 Régime de démarrage Le brûleur adapte la puissance avec plusieurs allures ou la module Fig. 47 : Phases du dispositif de démarrage Therm-Control Au fur et à mesure que la température de retour augmente, la vanne mélangeuse continue à s ouvrir jusqu à ce que la totalité du débit (100 %) passe par les postes consommateurs. La température d eau de chaudière devient alors la grandeur pilote. Vanne mélangeuse ouverte Therm-Control V=100% V = 50% V = 0% Phase 3 Régime de marche Le brûleur adapte de fait la puissance (figure 47 : Phase 3 - état de fonctionnement) jusqu à ce que la différence de température départ / retour (70/50 C dans cet exemple) se soit établie. 26

27 Intégration hydraulique Caractéristiques du dispositif de démarrage Therm-Control Le dispositif de démarrage Therm- Control réalise les objectifs suivants : Possibilité de fonctionnement sans dispositifs supplémentaires de rehaussement de la température de retour. La formation de condensats est évitée durant la phase de démarrage. Cession maximale de chaleur au chauffage durant la phase de démarrage. Température de départ homogène avec de minimes variations. Les capacités en eau importantes et les larges lames d eau des chaudières Vitoplex à triple parcours de fumées assurent une montée homogène en température de l eau de chaudière et évitent un phénomène de «pompage» du brûleur. Therm-Control Fig. 48 : Installation équipée d une chaudière Vitoplex et d un Therm-Control Pour permettre le parfait fonctionnement du dispositif de démarrage Therm-Control, on veillera à ce que, durant la phase de démarrage, le débit total de l installation soit réduit d au moins 50 %. Les conditions de démarrage atteintes, les circuits de chauffage temporairement mis hors service seront à nouveau ouverts. Domaine d utilisation du dispositif de démarrage Therm-Control Vitoplex 100 de 80 à 500 kw Vitoplex 300 (type TX3) de 80 à 1750 kw Intégration hydraulique simple avec le Therm-Control Les chaudières pour lesquelles aucune température minimale de retour n est exigée permettent des intégrations hydrauliques simples et donc peu coûteuses sans dispositifs supplémentaires de rehaussement de la température de retour. La figure 48 représente une installation de chauffage typique avec un collecteur placé à proximité de la chaudière. L emploi du dispositif de démarrage Therm-Control suppose qu il est possible de réduire de 50 % le débit volumique d eau de chaudière. Si la sonde de température du dispositif de démarrage Therm-Control détecte des températures inférieures aux valeurs de consigne réglées en usine, durant la phase de démarrage, par exemple, ce dispositif agira sur la (les) régulation(s) de chauffage ou la (les) pompe(s) de circuit de chauffage pour réduire le débit volumique de la valeur demandée. Dans des installations à plusieurs chaudières, l action est également possible sur les vannes d isolement motorisées nécessaires. 27

28 Rehaussement de la température de retour avec une pompe de mélange Si les chaudières exigent une température minimale de retour, des dispositifs hydrauliques adaptés devront empêcher que la température ne soit inférieure à celle-ci. L emploi d une pompe de mélange pour rehaussement de la température de retour représente une solution simple et économique. Comme représenté figure 49, celle-ci est implantée entre le départ et le retour. Si la température de retour est inférieure à la valeur minimale requise, la sonde de température T2 enclenche la pompe de mélange. Si, malgré le rehaussement de la température de retour, la valeur minimale n est pas atteinte, la sonde de température T1 réduira d au moins 50 % le débit volumique. T2 T1 M 1~ M 1~ La pompe de mélange est à dimensionner à 30 % environ du débit total. Les régulations Vitotronic offrent l avantage de pouvoir remplacer par des sondes de température les aquastats habituellement utilisés jusqu à présent. Fig. 49 : Installation à une chaudière Vitoplex ou Vitomax avec pompe de mélange pour rehaussement de la température de retour Pompe de mélange et vanne mélangeuse 3 voies pour rehaussement de la température de retour M 1~ M 1~ L intégration hydraulique représentée figure 50 sera, par exemple, retenue dans des installations de chauffage où il est impossible d agir sur les circuits de chauffage en aval, comme les installations de chauffage assez anciennes ou les serres. Si la température de retour est inférieure à la valeur minimale requise, la sonde de température T2 enclenche la pompe de mélange. Si la valeur minimale n est toujours pas atteinte, la sonde de température T1 ferme proportionnellement la vanne mélangeuse 3 voies pour assurer le respect de la température minimale de retour. Les chaudières sont protégées des températures de retour insuffisantes indépendamment des circuits de chauffage en aval. Fig. 50 : Installation à une chaudière Vitoplex ou Vitomax avec pompe de mélange et vanne mélangeuse 3 voies pour rehaussement de la température de retour T2 T1 M 1~ 28

29 Installations avec bouteille de découplage hydraulique et vanne mélangeuse 3 voies pour rehaussement de la température de retour Les domaines d utilisation préférés de cette intégration hydraulique complexe sont, par exemple, des installations de chauffage assez anciennes ou des installations dans des établissements horticoles ainsi que des installations dont les caractéristiques hydrauliques sont difficiles à déterminer et/ou des installations où il est impossible d agir sur les circuits de chauffage en aval. Si la température de retour est inférieure à la valeur minimale, la sonde de température T1 ferme proportionnellement la vanne mélangeuse 3 voies pour assurer la protection de la chaudière. La température de départ est régulée par la sonde de température de la bouteille. T1 M 1~ M 1~ M 1~ T1 M 1~ M 1~ Avantages de ce type d intégration : Les chaudières et les circuits de chauffage sont découplés hydrauliquement. Rehaussement proportionnel de la température de retour pour protéger les chaudières. Fig. 51 : Installation à plusieurs chaudières Vitoplex ou Vitomax avec bouteille de découplage hydraulique et vanne mélangeuse 3 voies pour rehaussement de la température de retour Les chaudières sont protégées des températures de retour insuffisantes indépendamment des circuits de chauffage en aval. La pompe d irrigation équipant chacune des chaudières devra être dimensionnée de telle sorte que son débit volumique soit au moins aussi élevé que le débit maximal rencontré sur l ensemble du circuit de chauffage. Recommandation : 110 %. Lors du fonctionnement d une chaudière, le débit volumique primaire sera ainsi toujours supérieur au débit volumique total de tous les circuits de chauffage, ce qui évite une fausse circulation dans la bouteille de découplage hydraulique. Si les deux chaudières sont en fonctionnement, des pompes à plusieurs allures pourront réduire le débit de chaque pompe d irrigation de chaudière. Fig. 52 : Chaudière basse température fioul/gaz Vitoplex 300, de 575 à 1750 kw 29

30 Recommandations concernant l intégration hydraulique Ces exemples ne sont que quelques unes des nombreuses intégrations hydrauliques possibles. Si aucune condition de l installation oblige à retenir une intégration hydraulique déterminée, le choix sera dicté entre autres par les coûts d investissement et de fonctionnement. Des coûts d investissement minimaux sont assurés par la mise en œuvre du dispositif de démarrage Therm- Control. Seuls les raccordements électriques pour la réduction nécessaire du débit volumique sont à réaliser. Si des dispositifs de rehaussement de la température des retours sont nécessaires, il en résulte des coûts d investissement et de fonctionnement dont le montant peut varier. Des pompes de mélange induisent des coûts d investissement réduits alors que les bouteilles de découplage hydraulique avec vannes 3 voies et pompes d irrigation de chaudière entraînent des coûts d investissement et de fonctionnement assez élevés. Fig. 53 : Dispositif de rehaussement de la température de retour dans le cas de chaudières Vitomax Il ne faut pas non plus oublier la facture d électricité des pompes de mélange ou d irrigation de chaudière. Fig. 54 : Vitomax 300 : chaudière basse température fioul/gaz, puissance nominale : de 1860 à 5900 kw 30

31 Conseils pour l étude des chaudières à condensation Conseils pour l étude des chaudières à condensation Une part importante du rendement élevé des chaudières à condensation résulte de l utilisation de la chaleur de condensation. Plus les températures de retour sont faibles, plus la condensation des fumées et donc l utilisation de l énergie seront élevées. L étude et la réalisation d installations équipées de chaudières à condensation devront éviter toute augmentation inutile des températures de retour. M 1~ M 1~ Intégration hydraulique des chaudières à condensation Les chaudières à condensation Vitocrossal 300 ont été conçues dans les règles de l art. Leurs capacités en eau importantes et leur irrigation par convection naturelle leur permettent de se passer de débit d eau minimal et de réservoir tampon. L intégration dans des installations de chauffage existantes est aussi simple que dans des installations de chauffage neuves. Les variations de débit induites par les robinets thermostatiques ou les dispositifs de régulation dans les installations de chauffage ne constituent aucun problème. Fig. 55 : Intégration hydraulique de chaudières à condensation : l emploi du circuit basse température accroît l effet de condensation VL SV KR 2 KR 1 Une intégration étudiée pour la condensation La figure 56 représente une intégration étudiée pour des chaudières à condensation permettant une récupération efficace de la chaleur des fumées. En présence de plusieurs circuits de chauffage présentant des températures très différentes et d une chaudière à condensation ne disposant que d un raccord retour, il faut obligatoirement réunir les retours chauffage. Dans ce cas, les circuits de chauffage dont la température est assez élevées induisent une augmentation de la température de retour et donc réduisent voire empêchent la condensation de la vapeur d eau. Fig. 56 : Les chaudières à condensation Vitocrossal 300 de 88 à 978 kw présentent deux manchons de retour Les chaudières à condensation Vitocrossal 300 de 88 à 978 kw sont équipées de deux manchons de retour. La division des retours chauffage en circuits haute température et circuits basse température permet une récupération optimale de la chaleur des fumées. Pour atteindre l effet d augmentation du rendement de génération, 15 % du débit volumique total devront passer par le retour basse température (KR1). La Vitocrossal 300 a cependant été conçue pour fonctionner de manière fiable même si le débit volumique du circuit basse température chute à 0. 31

32 Les points suivants doivent en outre être pris en compte : L emploi de bouteilles de découplage hydraulique peut induire un mélange de l eau de retour à l intérieur de la bouteille et donc une augmentation de la température nuisible à la condensation. Il est donc nécessaire de se passer si possible de découplage hydraulique dans le cas de chaudières à condensation. Si l installation en exige un, une adaptation optimale des débits volumiques et le dimensionnement du découplage hydraulique permettront d éviter très largement une augmentation non désirée de la température de retour. Il est possible de minimiser l augmentation de la température de retour, même dans le cas de pompes d irrigation de chaudière à vitesse modulée en fonction de la différence de température entre l entrée et la sortie des retours dans la bouteille de découplage. Sonde ECS Sonde Vitocell-L Eau chaude M Vitotrans 222 Chaudière Fig. 57 : Une production d eau chaude sanitaire économisant l énergie avec une chaudières à condensation Vitocrossal 300 et un système de charge d eau chaude sanitaire N employer aucune vanne mélangeuse 4 voies. Les vannes mélangeuses 3 voies dirigent directement l eau de retour chauffage vers la chaudière à condensation sans augmenter sa température. Employer des robinets de radiateurs 2 voies. Eviter les soupapes différentielles ou les bipasses. Dimensionner la pompe de charge d eau chaude sanitaire de telle manière que l eau primaire se refroidisse au maximum à l intérieur du ballon. Sont également recommandés des systèmes de charge d eau chaude sanitaire assurant durant la totalité de la charge une température de retour constamment basse. Fig. 58 : Le réservoir de stockage Vitocell-L 100, de 750 ou de 1000 litres de capacité, constitue avec l ensemble échangeur de chaleur Vitotrans 222 et, par exemple, une chaudière gaz à condensation Vitocrossal 300, un système de charge d eau chaude sanitaire Fig. 59 : Vitotrans 222 : ensemble échangeur de chaleur pour production d eau chaude sanitaire dans un système de charge 32

33 Comment choisir une chaudière? Comment choisir une chaudière? L éventail de modèles de chaudières disponibles sur le marché induit un grand nombre de variantes de réalisation et de possibilités de combinaison pour l étude et la réalisation d installations de chauffage. Un grand nombre d installations exige des solutions individuelles. Critères essentiels de choix du type d installation : Economies d énergie, respect de l environnement Encombrement, possibilités d évacuation des fumées Coûts d investissement, rentabilité Disponibilité, fiabilité Technique des systèmes, composants adaptés Les besoins individuels et les différents critères d optimisation montrent qu il n y a pas de recette toute faite pour un type idéal d installation. Ce qui suit donnera au lecteur une réponse à des questions souvent posées. Quelle est la «durée de vie» des chaudières? En ce qui concerne la durée d utilisation et de vie, il n y a pas de différences significatives entre les chaudières basse température et les chaudières à condensation ou l acier, la fonte et l acier inoxydable. La norme allemande VDI 2067 suppose une longévité de 20 années pour tous les modèles de chaudière et les matériaux dans les calculs de rentabilité. La durée de vie effective des chaudières est souvent nettement plus élevée. Basse température ou à condensation? La condensation permet une utilisation de l énergie sensiblement plus élevée que ce qui est possible avec les chaudières basse température. La récupération de la chaleur latente des fumées est possible avec des chaudières à condensation ou des échangeurs de chaleur à condensation. Les échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 pour chaudières de 80 à 6600 kw permettent également l emploi de brûleurs mixtes fioul/gaz. Du fait du potentiel élevé d économies et des durées d amortissement en conséquence pour les moyennes et les grandes puissances, la condensation, technique économisant l énergie, est recommandée tant pour le neuf que pour la modernisation. Acier ou fonte? Dans un grand nombre de bâtiments, l étroitesse des escaliers menant à la chaufferie et/ou des portes interdit le passage des chaudières monoblocs. Dans ce cas, les chaudières fonte offrent le grand avantage de pouvoir être transportées vers le chantier élément par élément. Les chaudières fonte présentent des avantages dans la conception des foyers dont la longueur et le diamètre peuvent être adaptés à la puissance, ce qui simplifie le choix et le montage des brûleurs. La capacité importante en eau facilite la régulation et réduit le nombre de démarrages du brûleur. Les chaudières acier peuvent elles aussi être sectionnées. De 895 à 1750 kw, il existe la Vitoplex 300, type TZ3 sectionnable dont les blocs supérieur et inférieur peuvent être transportés séparément vers le chantier. Fig. 60 : Vitorond 200 : Chaudière fonte par éléments basse température fioul/gaz simplifiant la manutention et le montage 33

34 Installation à une ou à plusieurs chaudières? On entend souvent dire que la répartition des besoins calorifiques sur plusieurs générateurs de chaleur permet de mieux utiliser l énergie ou d améliorer le rendement global. Il ne faut pas oublier que le doublement ou le triplement du nombre de chaudières augmentent également les surfaces qui cèdent de la chaleur et donc les pertes par les parois. Beaucoup d exemples de calcul montrent que des différences de rendement global dans des installations à une ou à deux chaudières sont souvent «après la virgule». L argument essentiel en faveur d une installation à deux chaudières est la disponibilité ou la sécurité de fonctionnement pour pouvoir assurer l alimentation en chaleur avec une seconde chaudière en cas de panne ou de travaux d entretien d un générateur de chaleur. Dans les installations de grande taille ou les domaines d utilisation spéciaux comme dans l industrie, des variations de charge différant nettement de celles du chauffage des habitations peuvent également nécessiter la répartition sur deux ou plusieurs générateurs de chaleur. Faut-il une «chaudière d été» supplémentaire? Pour justifier l installation d une «chaudière d été», on dit qu il n est pas judicieux, en cette saison, de faire fonctionner une chaudière grande puissance. Cette dernière, conçue pour le chauffage, ne servirait en été qu à produire de l eau chaude sanitaire et accepterait ainsi une marche séquentielle. Pour la majorité des installations, il n est pas recommandé de mettre en place une chaudière supplémentaire exclusivement destinée à produire de l eau chaude en été. La seule comparaison des rendements montre qu une chaudière d été indépendante n est pas rentable. Fig. 61 : Installation à deux chaudières, avec régulations, brûleurs à air soufflé et collecteur de chauffage préfabriqué Divicon La chaudière d été dont la puissance sera adaptée aux besoins d eau chaude sanitaire en été fonctionnera à pleine puissance et atteindra un rendement de 91 %. En comparaison, la chaudière de grande puissance couvrira les besoins d eau chaude sanitaire en marche à charge partielle et atteindra, puisque les fumées seront moins chaudes, un rendement plus élevé : 94 %. Un autre point à considérer dans la question de la chaudière d été est la plus-value pour l installation. Dans une installation dont les besoins calorifiques sont de plus de 2 MW et les besoins en eau chaude sont intérieurs à 100 kw, le problème de la chaudière d été doit être examiné de manière différente. Dans ces cas, il peut être judicieux de mettre en place une chaudière indépendante et de mettre la très grande chaudière à l arrêt en été. Point important : l intégration hydraulique des ballons d eau chaude. Pour ne pas irriguer et réchauffer en été la totalité des collecteurs, les conduites vers les ballons d eau chaude devraient être raccordées au départ principal en amont des collecteurs. 34

35 Quelle répartition des puissances de chaudière est-elle judicieuse dans des installations à plusieurs chaudières? L emploi de deux chaudières de puissance identique est actuellement courant. La répartitions 1/3-2/3 pratiquée auparavant vient de l époque où l on employait des chaudières moins faciles à réguler et devant impérativement fonctionner à température constante. Cette répartition n offre en règle générale aucun avantage avec les chaudières basse température et à condensation actuellement utilisées. Les points suivants plaident en faveur de deux chaudières de puissance identique : Conditions hydrauliques optimales grâce à des pertes de charge côté eau identiques Une chaudière présente une puissance suffisante si l autre ne devait pas être disponible par suite de travaux d entretien ou d une panne Entretien simplifié par des composants identiques. Dans des installations à condensation, on utilise souvent une chaudière à condensation comme chaudière de charge de base et une chaudière basse température comme chaudière de charge de pointe afin de réduire les coûts d investissement. L emploi de deux chaudières à condensation entraîne une meilleure utilisation de l énergie et permet d inverser souvent l ordre de cascade de chaudières. Même dans des installations à condensation, choisir deux chaudières de puissance identique est judicieux. Parfois, il peut également être nécessaire de déroger à cette règle et de retenir d autres répartitions de la puissance si la charge varie de manière spécifique. Les brûleurs doivent-ils être à deux allures ou modulants? Il est recommandé d équiper les chaudières de plus de 70 kw de brûleurs à plusieurs allures ou modulants. Les brûleurs couramment employés sont à deux allures ou modulants. Les aspects suivants pourront être pris en compte dans le choix du type de brûleur : Les brûleurs modulants fonctionnent plus longtemps et démarrent moins souvent. Les brûleurs modulants permettent des températures de fumées moindres mais nécessitent souvent dans le cas des chaudières basse température des températures d eau de chaudière plus élevées. Il n en résulte aucun avantage notable en matière de consommation de combustible. La facture d électricité du brûleur doit également être prise en compte. Pour une installation à une chaudière, un brûleur à deux allures fonctionne en marche partielle (60 % de la puissance nominale) 2300 h et à pleine allure 240 h par an. Un brûleur modulant ayant une charge minimale de 30 % de la puissance nominale arrive à 3500 h/an. Si le brûleur modulant fonctionne avec un ventilateur à vitesse constante, la facture d électricité sera nettement supérieure à celle d un brûleur à deux allures. Fig. 62 : Vitocrossal 300 : Chaudière gaz à condensation, à surfaces d échange Inox- Crossal en acier inoxydable austénitique, puissance nominale : 787 et 978 kw 35

36 Conseils concernant l étude Choix de la puissance nominale Les chaudières anciennes ou les chaudières standard fonctionnant à température d eau constante atteignent leur rendement maximal à pleine charge (100 % de la puissance nominale). A faible charge, la moyenne annuelle est de l ordre de 30 %, le rendement chute Gain de rendement Chaudières gaz à condensation Gain de rendement Chaudières basse température Les chaudières basse température et à condensation modernes montrent au contraire un autre comportement en matière de rendement. Elles fonctionnent à température d eau modulée, adaptée en permanence aux besoins calorifiques du bâtiment. Les très faibles déperditions par les parois et les faibles pertes par les fumées font monter le rendement lorsque la charge est réduite. Ce comportement est particulièrement net dans le cas des chaudières à condensation par suite de la condensation accrue des fumées. Rendement [%] Rendement Chaudières fonctionnant à température d'eau constante fabriquées en Charge de la chaudière [%] Il est possible de choisir une chaudière d une puissance supérieure aux besoins calorifiques du bâtiment. Ces besoins doivent être le critère de sélection de la puissance de la chaudière afin de minimiser les coûts d investissements. Les réserves de puissance éventuellement nécessaires, par suite de projets d extension, par exemple, sont à inclure dans le calcul. Fig. 63 : Evolutions du rendement des chaudières anciennes et modernes Point important : «surdimensionner» c est-à-dire retenir une puissance de chaudière dépassant les besoins calorifiques du bâtiment, n affecte en rien le rendement des chaudières basse température et à condensation modernes. 36

37 Dimensions compactes, important pour la modernisation La majeure partie des chaudières de moyenne et de grande puissance est employée dans la rénovation. Comme les tubes de fumées sont exclusivement placés au dessus de la chambre de combustion, les chaudières Vitoplex sont d une très faible largeur. C est ainsi que le corps de chaudière de la Vitoplex de 115 kw de puissance a une largeur de 577 cm seulement. La cote de mise en place de 749 mm permet même à la chaudière de 315 kw de passer par une porte standard de 80 cm de largeur. Les hauteurs étudiées constituent un avantage en particulier pour les puissances du haut de la gamme. Elles simplifient la mise en place et le montage des conduites dans les locaux de faible hauteur. Les chaudières et les échangeurs de chaleur à condensation présentent un nombre suffisant d anneaux de levage. Les cornières-supports longitudinales simplifient la mise en place. Si les accès de la chaufferie sont très étroits, on utilisera la chaudière fonte par éléments Vitorond 200 ou la Vitoplex 300 de 895 à 1750 kw, type TZ3. La plate-forme de travail placée sur la face supérieure des chaudières Vitoplex à partir de 575 kw et sur toutes les chaudières Vitomax constitue un avantage pour les travaux de montage dans le local chaufferie. Ces derniers sont simplifiés, la jaquette d isolation est protégée des endommagements. De même les travaux d inspection et d entretien ultérieurs seront plus aisés à effectuer. Des passerelles et des échelles fabriquées spécialement pour les chaudières Vitomax sont livrées en option. Fig. 64 : Plate-forme de travail livrée avec les chaudières Vitoplex à partir de 575 kw et des chaudières Vitomax Fig. 65 : Vitomax 300 équipée d une passerelle et d une échelle 37

38 Une gestion de l énergie optimisée avec les régulation Vitotronic pour chaudières de moyenne et grande puissance Le système de régulation numérique interactif Vitotronic optimise le fonctionnement économique et fiable de l installation de chauffage. Grâce à la stratégie de plate-forme, les composants et les fonctions essentielles des régulations Vitotronic pour chaudières domestiques s appliquent également aux chaudières de moyenne et de grande puissance : modules de commandes bien structurés, montage et mise en service perfectionnés par le précâblage à fiches embrochables, fonction Plug & Work et interface Optolink simplifiant paramétrage et contrôle du système. La Vitotronic pour chaudières de moyenne et de grande puissance offre suffisamment d espace pour une pose claire et ordonnée des câbles. Les fonctions chaudière intégrées dans les Vitotronic pilotent par exemple le dispositif Therm-Control des chaudières Vitoplex 100 et 300 ou la marche d une pompe de mélange et/ou d un dispositif de rehaussement de la température des retours. La régulation sanitaire intègre soit une pompe de charge, soit un système de charge avec vanne 3 voies. La Vitotronic 100 est une régulation numérique pour marche à température d eau constante. Elle pilote une installation à une seule chaudière ou alternativement (en liaison avec la régulation de cascade Vitotronic 333) deux à quatre chaudières. La Vitotronic 200 gère le chauffage en fonction de la température extérieure et pilote la chaudière équipée d un brûleur à 2 allures ou modulant. En plus de toutes les applications de la Vitrotonic 200, la Vitotronic 300 peut gérer deux circuits indépendants supplémentaires avec vanne mélangeuse. Au-delà de 2 circuits avec vanne mélangeuse, il est possible de raccorder jusqu à 32 régulations Vitotronic 050 au travers du bus LON. La Vitotronic 333 est une régulation de cascade en fonction de la température extérieure. Elle gère des installations allant jusqu à quatre chaudières, pilotées par une Vitotronic 100, et deux circuits avec vanne mélangeuse. Le bus LON permet de raccorder directement jusqu à 32 régulations Vitotronic 050. La Vitotronic 333 intègre toutes les configurations prévues pour les installations à plusieurs chaudières. Fig. 66 : Affichage en texte clair Les communications à l intérieur du système sont assurées par le bus LON. Il permet une intégration dans des systèmes de gestion des bâtiments sans interface supplémentaire. Il reconnaît automatiquement la codification des composants complémentaires et facilite l intégration d autres générateurs de chaleur. La Vitotronic 333 peut être montée sur la chaudière, au mur ou, en variante, dans l armoire de commande Vitocontrol. Une gestion centralisée de l ensemble de l installation est possible. Les Vitotronic 050 sont des modules de régulation de chauffage pour montage au mur, en armoire de commande et sur une vanne mélangeuse. Fig. 67 : Armoire de commande Vitocontrol Viessmann 38

39 Régulation Vitotronic pour chaudières de moyenne et de grande puissance Le système de régulation numérique communicant Vitotronic est l assistant électronique qui assure un fonctionnement économique et fiable de l installation de chauffage. Selon le principe de la technique modulaire basée sur une stratégie de plate-forme, les composants et les fonctions essentiels des régulations de chaudières domestiques Vitotronic ont été désormais repris pour les chaudières de moyenne et de grande puissance. Du maniement unifié à la facilité de montage et de mise en service, jusqu à l entretien avec fiches embrochables Rast 5, fonction Plug and Work et interface Optolink pour ordinateur portable. Les Vitotronic pour chaudières de moyenne et de grande puissance offrent suffisamment d espace pour une pose claire et ordonnée des câbles. La fonction de protection de la chaudière intégrée aux Vitotronic commande le dispositif de démarrage Therm-Control des chaudières Vitoplex 100 et 300. Le bus LON standardisé permet une intégration simple et complète dans des systèmes de gestion technique des bâtiments. Les régulations Vitotronic conviennent à la télégestion / télésurveillance au travers des interfaces de communication Vitocom 300. La Vitotronic 100 est une régulation numérique de chaudière pour marche à température d eau constante, pour installations à une seule chaudière ou pour chacune des quatre chaudières d une installation à plusieurs générateurs (en liaison avec la régulation de cascade Vitotronic 333). La Vitotronic 200 est une régulation numérique de chaudière en fonction de la température extérieure pour installations à une seule chaudière avec circuit de chauffage primaire et un brûleur à plusieurs allures ou modulant. En plus de l ensemble des fonctions de la Vitotronic 200, la Vitotronic 300 permet la régulation de deux circuits de chauffage supplémentaires avec vanne mélangeuse. Installations à une seule chaudière VITOTRONIC 100 VITOTRONIC 200/300 Installations à plusieurs chaudières VITOTRONIC 333 Bus LON jusqu à 4 VITOTRONIC 100 Régulation numérique de chaudière pour marche à température d eau constante Régulation numérique de chaudière en fonction de la température extérieure pour le circuit de chauffage primaire Vitotronic 300 pour deux circuits supplémentaires avec vanne mélangeuse Régulation numérique de cascade en fonction de la température extérieure pour la gestion d installations jusqu à quatre chaudières jusqu à 32 VITOTRONIC 050 La Vitotronic 333 est une régulation de cascade pour la gestion d installations jusqu à 4 chaudières avec Vitotronic 100, avec régulation pour deux circuits de chauffage et vanne mélangeuse. En outre, elle supporte le raccordement direct de 32 régulations de chauffage Vitotronic 050 au maximum. Elle couvre tous les modes de régulation de cascade connus pour les installations à plusieurs chaudières. La communication à l intérieur du système de régulation est assurée au travers du bus LON. Ceci permet l intégration simple dans des systèmes de gestion technique des bâtiments sans interface supplémentaire. VITOCOM Système de GTB Autres générateurs de chaleur (pompe à chaleur, installation solaire par exemple) Fig. 68 : Gamme de régulations pour chaudières de moyenne et de grande puissance La liaison des appareils Viessmann est assurée par autobinding (liaison et configuration automatique des composants). Il est possible de raccorder d autres générateurs de chaleur (comme une pompe à chaleur, une installation solaire ou une centrale de cogénération, par exemple). La Vitotronic 333 peut être montée sur la chaudière ou à un mur ou être intégrée à une armoire de commande Vitocontrol et permet la commande centralisée de toute l installation. Les Vitotronic 050 sont des modules de régulation pour montage mural, en armoire de commande ou sur une vanne mélangeuse. 39

40 Technique de communication Les systèmes de communication permettent le dialogue avec une ou plusieurs installations de chauffage, sur site ou à distance, pour le contrôle ou la gestion. Vitocom 300 : télésurveillance et télégestion Cet appareil permet à l exploitant une télésurveillance complète des installations de chauffage par Internet. Les anomalies sont immédiatement transmises au téléphone portable ou au télécopieur indépendamment d Internet. Internet permet d avoir accès 24 heures sur 24 à tous les paramètres de l installation et de les modifier. Une mémoire de données intégrée est disponible pour l interrogation à distance des heures de marche des brûleurs et des courbes de température. Cette solution permet une maintenance en fonction des besoins. La possibilité de raccorder un compteur de chaleur et d autres fonctions de surveillance rendent le Vitocom 300 particulièrement intéressant pour les exploitants de chauffage. Logiciel de communication Vitosoft 200 et concept de télésurveillance Vitodata 300 Vitosoft et Vitodata offrent aux chauffagistes des possibilités nouvelles de mise en service, de télésurveillance et d entretien avec un ordinateur portable et Internet. Vitodata 300 -Internet-Telecontrol, le nouveau concept de télésurveillance innovant pour des systèmes de chauffage Viessmann, utilise dès à présent les réseaux de communication et de téléphonie mobile les plus modernes comme Internet, le portable WAP, les messageries vocales ou par SMS. L accès direct à l installation de chauffage est assuré sur Internet par des support de navigation connus (navigateur Internet) ou par un portable WAP. La télésurveillance et la télégestion de l installation de chauffage sont ainsi possibles 24 heures sur 24 par Internet partout dans le monde. Vitodata 300 permet d interroger et de régler tous les paramètres de l installation et tous les codages. Chauffagiste INTERNET Plus besoin de poste central, ni de logiciel de supervision spécial et coûteux sur l ordinateur du chauffagiste, ce qui supprime la gestion et les mises à jour des logiciels. Pour que le chauffagiste ne soit pas obligé de conserver en permanence une liaison Internet, Vitodata 300 signale automatiquement les anomalies par SMS à un portable, un télécopieur ou par mail. Vitodata-Internet-Telecontrol- est un concept de télésurveillance et de télégestion d avant-garde : pas besoin de posséder de logiciel, accessible partout dans le monde, fiable, sûr et très convivial. VITOCOM VITOCOM V Installations de chauffage Vitosoft 200 est un progiciel destiné à la liaison d installations de chauffage à un ordinateur portable. Il simplifie la mise en service, l entretien et la maintenance sur site. Il permet d éditer automatiquement un procèsverbal grâce à l entrée des coordonnées de l installation et de paramètres spécifiques à l installation. L interface Optolink pour ordinateur portable simplifie la liaison aux chaudières gaz murales et aux Vitotronic. Messagerie vocale/sms Télécopie VITODATA VITOCOM V Fig. 69 : Technique de communication 40

41 Vitoplan : le logiciel d étude Viessmann * Vitoplan permet à Viessmann et linear d offrir un progiciel complet pour l étude et le calcul d installations de chauffage. Les installateurs et les bureaux d étude mais aussi les chauffagistes sont ainsi à même de réaliser l étude complète d installations complexes. Les produits Viessmann sont intégrés au logiciel avec leurs données et leurs vues 3D. Le module d étude du local chaufferie 3D avec fonctions de présentation et de visualisation permet, dès les premières phases de l étude, de se faire une idée d ensemble de l installation et d assister visuellement le processus de conception. Avec AutoCAD 200 OEM Le logiciel de CAO AutoCAD 2000 utilisé dans le monde entier est disponible en version OEM avec les modules d extension Vitoplan. Il contient également les dernières évolutions en matière de dessin en 3D. Entièrement compatible Fig. 70 : Les représentations 3D du local chaufferie terminé facilitent la prise de décision Les formats d entrée et de sortie utilisés sont Gaeb et texte ASCII ainsi que Datanorm (4.0 ou supérieur). Il est ainsi possible de réaliser une gestion commune des adresses et des projets. Modules de logiciel et fonctions : calcul des déperditions, dimensionnement des radiateurs, dimensionnement des chaudières, calcul de la cheminée, calcul des tuyauteries, étude 3D du local chaufferie, aide à l établissement du devis. Fig. 71 : Calcul des tuyauteries Fig. 72 : Calcul des déperditions * En cours de développement 41

42 Des méthodes de conception et de fabrication modernes sont l assurance d une qualité élevée Des méthodes de conception et de fabrication modernes sont l assurance d une qualité élevée Les chaudières de moyenne et de grande puissance Viessmann sont conçues selon les procédés les plus modernes. Des méthodes FEM analysent les variations de contraintes mécaniques et optimisent les emplacements des tubes ou les liaisons soudées, par exemple. Les chaudières Vitoplex sont fabriquées en série avec un niveau d automatisation élevé. Les chaudières de grande puissance Vitomax sont fabriquées en séries limitées ou à l unité. A l issue de leur fabrication, les chaudières sont soumises à un essai de pression à au moins 1,57 fois la pression de service selon la directive équipements sous pression. Les cordons de soudure des chaudières à vapeur haute pression et à eau surchauffée sont contrôlés par ultrasons et rayons X selon les prescriptions spécifiques au pays de destination. Fabrication des tubes Duplex à plusieurs épaisseurs de la Vitomax 300 Tubes à ailettes plissées des surfaces d échange à plusieurs épaisseurs Triplex Fabrication en série des Vitoplex 100 et 300 de 80 à 500 kw Les chaudières à triple parcours de fumées Vitoplex de 575 à 1925 kw sont elles aussi fabriquées en série avec un même niveau de qualité élevé Application de la peinture poudre sur les corps de chaudière dans le respect de l environnement Un robot applique la peinture poudre également dans les angles et sur les chants 42 Les blocs supérieur et inférieur de la Vitoplex 300 TZ démontable sont préparés pour l expédition

43 Déflecteur d eau à orifices d injection avant soudage Le robot de soudage réalise des cordons circulaires sur la virole extérieure Soudage des tubes de fumées à plusieurs épaisseurs de la Vitoplex 300 Chaudières Vitomax à différents états de fabrication Soudage dans des conditions optimales, même pour des chaudières de plus de 7 m de longueur Contrôle de qualité par ultrasons Cintrage des viroles extérieures pour Vitomax Contrôle final Chaudière Vitomax avec manchons 43

44 Le groupe Viessmann De l unité dans la diversité : Viessmann vous propose une gamme de produits pour chaque besoin et toutes les exigences Aujourd hui, avec ses 10 unités de production employant salariés, le groupe Viessmann s impose comme l un des plus grands fabricants d appareils de chauffage au monde. Grâce à son savoir-faire et sa capacité d innovation, la marque Viessmann a conquis une notoriété sans pareille auprès des professionnels du chauffage. Notre gamme complète de chaudières et de préparateurs d eau chaude sanitaire s appuie sur la technique des systèmes parfaitement adaptée et bénéficie d une renommée qui n est plus à faire. La diversité de nos produits, leurs performances et leur qualité, garantissent dans chaque cas une bonne adaptation au besoin, une grande fiabilité, une faible consommation d énergie, un réel respect de l environnement ainsi qu un grand confort d utilisation. Des techniques de chauffage traditionnelles au domaine des énergies renouvelables, chacune de nos innovations a marqué de son avancée l histoire du chauffage. Nos recherches et nos développements techniques ne poursuivent qu un seul but : s investir toujours plus afin de donner satisfaction à nos clients et à nos partenaires, professionnels du chauffage, tout en faisant valoir notre engagement en faveur de la préservation de l environnement. Agences Viessmann en France Marsannay-la-Côte Tél. : Reims - Tél. : Faulquemont (Agence Lorraine) Tél. : Phalempin - Tél. : Ostwald - Tél. : Genay - Tél. : Combs-la-ville - Tél. : Votre chauffagiste : Viessmann S.A. Z.I. - B.P Faulquemont Tél. : Fax : Web : http :// Sous réserves de modifications techniques F 11/2003