Vous travaillez chez un client dont l installation de chauffage central fonctionne au fioul domestique. Sensibilisé au phénomène de réchauffement climatique, ce client souhaite équiper son installation d une chaudière au bois, plus respectueuse de l environnement et alimentée par une énergie meilleur marché. L objectif de ce cours sera donc de définir le type de chaudière à installer, et de choisir une solution qui permette la réalisation. I. D où vient le bois? Pourquoi le bois est-il considéré comme une énergie renouvelable? I.1. Comment grandit un arbre? Les plantes, les arbres vivent grâce à la photosynthèse qui permet la croissance des plantes et donc la fabrication du bois. La photosynthèse réalise la conversion directe de la lumière en énergie chimique sous forme de matériaux carbonés : les feuilles absorbent le gaz carbonique, les racines absorbent l eau et les éléments minéraux. L énergie nécessaire à cette conversion est fournie par le rayonnement lumineux. On peut décrire la photosynthése par l équation suivante (équation simplifiée) : CO 2 + H 2 O + éléments minéraux + énergie lumineuse = biomasse + O 2 les plantes, en grandissant transforment le CO 2 en O 2 : les plantes travaillent contre le réchauffement climatique! I.2. De quoi est composé le bois? Constituants du bois Cellulose Hémi-cellulose Lignine Matières organiques et minérales % de 40 à 50 % de 10 à 30 % de 15 à 30 % de 0,5 à 2 % La composition élémentaire du bois complètement sec se compose en moyenne de : 49% de carbone (C), 45,3 % d oxygène (O 2 ), 5,5 % d hydrogène (H 2 ), 0,2% d azote (N2). 1 / 12
I.3. Le bois face aux autres combustibles. Lors de la combustion du bois, on a (équilibrer l équation) : (...C +...O 2 +...H 2 +...N 2 ) +...(O 2 + N 2 )...CO 2 +...H 2 O +...N 2 + chaleur On a vu précédemment qu e grandissant, un arbre transforme le CO 2 en O 2 (photosynthèse). Des études on prouvé que le bilan CO 2 d un arbre est de 0. ( bilan CO 2 d un arbre = CO 2 dégagé par sa combustion - CO 2 qu il éliminé pendant sa vie ) Si pour chaque arbre brûlé, on en replante un, de même essence, on peut dire que l énergie bois est une énergie renouvelable. Chaudière SO 2 NO x CxHy CO CO 2 Poussières Fioul 140 40 10 50 78000 5 Gaz naturel 0 40 5 50 52000 0 Charbon 340 70 10 4500 104000 60 Bois en bûches 10 42 9 366 0 14 Bois déchiqueté 10 45 2 16 0 4 SO2: Dioxyde de soufre NOx: Oxyde d azote CxHy: Composé organiques volatile CO: Monoxyde de carbone CO2: Dioxyde de carbone Poussières: Particules solides Taux de cendres: - Bois sans écorces = 0,2 à 1 % - Bois de branches = 1 à 3 % - Ecorces = 3 à 7 % Combustible et unité de comptage PCI à l unité ( Valeurs en mg/mj) 1 kwh = 3,6 MJ Sources BLT Autriche Résidus incombustibles : - chaux - potasse - silice - magnésie Prix de vente, en à l unité (prix à fin septembre 2005) Prix pour 100 kwh Fioul (en litre) 10,2 kwh/l 0,66 /l 6,47 Gaz naturel (en m 3 ) 10,1 kwh/m 3 0,40 /m 3 4,39 Propane (en kg) 12,8 kwh/kg 1,24 /kg 9,70 Electricité (en kwh) 1 kwh/kwh 0,11 /kwh 11,00 Charbon (en kg) 10,3 kwh/kg 0,57 /kg 5,53 Bois (en stère) 4,7 kwh/kg 0,15 /kg 3,19 Copeaux de bois (en tonne) 3,5 kwh/kg 0,05 /kg 1,43 Pellets (en kg) 4,9 kwh/kg 0,25 /kg 5,10 2 / 12
II. Les différents types de chaudières. II.1. Les chaudières à buches. II.1.a. Le bois. Groupes : les bois sont classés en trois groupes d'essences, en fonction de la quantité de chaleur fournie par unité de volume. Groupe 1 : Chêne / Charme / Orme / Hêtre / Frêne / Érable Groupe 2 : Châtaignier / Robinier faux Acacia / Merisier et fruitiers divers Groupe 3 : Autres feuillus tempérés (peuplier, bouleau, platane ) Les résineux (pin, épicéa, sapin, ) dégagent moins de chaleur et plus de fumées : soit le mélanger avec du bois dur ou l utiliser pour l allumage. Groupe 1 Groupe 2 Groupe 3 Classe d'humidité H1 Classe d'humidité H2 2000 1950 1700 1650 1600 1550 Le taux d humidité : C'est le pourcentage d eau contenu dans le bois. Plus le bois est sec meilleur sera la combustion ( 20 % => classe H1) Le bois humide ( 40 à 50 % => classe H2) : - dégage moitié moins de chaleur que le bois sec, - produit plus de fumées, - provoque le goudronnage dans la chaudière et la cheminée => risque de feu de cheminée. 3 / 12
II.1.b. Les chaudières à combustion montante et à tirage naturel. Avantages: - Installation simple; - Investissement réduit; - Fonctionne pratiquement avec tous les types de combustibles solides. Inconvénients : - Peu d autonomie : il faut recharger toutes le 2 à 3 heures; - Rendement faible (~50%); - Encrassement rapide, car elle fonctionne souvent au ralenti. Évacuation des fumées par tirage naturel Le thermostat actionne le clapet d air pour ajuster la puissance entre mini et maxi Large chambre de chargement Grille Boîte à cendres 4 / 12
II.1.c. Les Chaudière à combustion inversée à tirage forcé «TURBO». Large chambre de chargement Aération primaire Lit de braises Grille Aération secondaire Canal céramique à haute température Avantages : - Rendement ~70% ( Flamme Verte); - Autonomie plus importante; - Combustion propre. Grande surface d échange Inconvénients : - Investissement plus lourd; - Fonctionne uniquement avec du bon bois (Feuillus sec ); - Nécessite une alimentation électrique. Principe de la combustion inversée : - L air de combustion est préchauffé près de la zone de chargement, - Les flammes passent par une grille et vers le bas, - Les particules solides des fumées brûlent dans un canal en céramique ( pyrolyse des particules), - Les grandes surfaces d échange récupèrent les calories, - Les fumées sont évacuées par un ventilateur d extraction. 5 / 12
II.1.d. Sécurités des chaudières bois à buches. A. cas d une installation avec vase d expansion fermé. 2 3 1 4 5 6 Ballon tampon 1 2 3 4 5 6 Vase d expansion Soupape de sécurité Batterie de sécurité Vanne thermique Soupape différentielle Soupape thermostatique absorbe la dilatation de l eau limite la surpression refroidi la chaudière en cas de surchauffe S ouvre si la chaudière dépasse 95 C s ouvre si la pression sur le départ est trop élevée a) tant que la chaudière est froide, la circulation se fait en bouclage sur la chaudière; b) dès que la chaudière est chaude, l eau va sur le circuit chauffage. Sécurités obligatoires pour les chaudières à bûches à circuit fermé :* La vanne thermique de sécurité 6 / 12
* La batterie de sécurité B. cas d une installation avec vase d expansion ouvert. II.2. Les chaudières à pellets (granulés). II.2.a. Les granulés de bois (pellets). Ils sont fabriqués à base de bois et de sciure compacté sans agglomérant. Caractéristiques: - PCI = 3500 kwh/m3 ou 4,9 kwh / kg - Humidité = 8 % - Masse volumique = 0,7 tonne / m3 - Dimensions : Æ 6 à 10 mm, Long. 20 mm 7 / 12
II.2.b. Principe. La chaudière à granulés. Approvisionnement de granulés par : - aspiration ou - vis sans fin Le brûleur à granulés : il peut s installer sur une chaudière bois traditionnelle.. Échangeur Alimentation en granulés Réserve journalière Foyer Brûleur à granulés Système d allumage automatique Aération Alimentation par vis sans fin Silo de stockage Le principe de fonctionnement du brûleur à granulés est proche de celui d un brûleur fioul : 1) fermeture de l aquastat de chaudière : - la ventilation se met en route, - quelques granulés tombent sur la résistance chauffante, - la résistance se met sous tension, - les granulés prennent feu, - détection de flamme par la cellule photo résistante), - la vis sans fin alimente le brûleur selon la demande. 2) ouverture de l aquastat de chaudière: - la vis sans fin s arrête, - le feu s éteint, - le ventilateur s arrête après quelques minutes. 8 / 12
II.2.c. Stockage. II.2.d. Sécurités des chaudières bois à pellets. Une chaudière bois fonctionnant avec des pellets ne nécessite pas de systèmes de sécurité particuliers. On peut utiliser le même montage hydraulique que pour une chaudière gaz ou fioul. III. Les différentes solutions de raccordement hydraulique. III.1. Deux chaudières en série, chauffage seul et sans ballon tampon. Ne pas surdimensionner la chaudière bois 9 / 12
III.2. Deux chaudières en parallèle, sans ballon tampon avec production d ECS. régulateur différentiel : il coupe la chaudière fioul et met sous Ne pas surdimensionner la chaudière bois tension le circulateur 39 dès que t chaudière bois > t chaudière fioul ECS en thermosiphon La pompe chauffage 39 se met en marche dès que la t chaudière bois > t chaudière fioul. III.3. Chaudière bois + ballon tampon + système solaire. Les installations avec ballon tampon sont conseillées si l on veut se chauffer au bois en toutes saisons. Le ballon tampon permet : - d éviter les surchauffes quand il n y a pas de demande, - d éviter l encrassement de la chaudière, - une réserve de chauffage en cas d absence journalière. Capacité du ballon tampon (en litres) = Puissance chaudière bois 50 C haudière bois B allon tam pon V anne d inversion B allon E C S 10 / 12
III.4. Chaudière bois + ballon tampon + système de production d ECS. Vanne d inversion Chaudièr e fioul / gaz Chaudièr e bois Ballon t am pon IV. Conduits de cheminée et tubages. IV.1. Le tirage naturel. À froid la densité de l air est important À chaud la densité de l air est faible Froid Chaud 11 / 12
IV.2. Le conduit de cheminée. Extérieur au bâtiment Intérieur au OUI bâtiment Trappe de visite Maxi: 2 dévoiements Angle < 20 IV.3. Les matériaux du conduit de cheminée. Boisseau traditionnel Terre cuite / béton Boisseau céramique Métallique 12 / 12