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6.1          Production de chaleur dans le chauffage central à eau chaude

6.1.1     Chaudières au mazout et au gaz

6.1.1.1  Construction de la chaudière

Les chaudières au mazout et au gaz sont fabriquées pour l’utilisation exclusive du mazout et du gaz et sont proposées dans de nombreuses variantes d’exécutions. Ces exécutions peuvent être résumées comme suit :

Chaudières en acier et acier coulé avec limite inférieure de la température de l’eau de la chaudière et basse température  du gaz d’échappement. Cette construction peut actuellement être définie comme la version standard pour les grandes chaudières. A cause de sa température d’eau de chaudière assez élevée, une vanne mélangeuse pour la régulation de la température de départ est presque toujours nécessaire dans cette construction.

Chaudière pour une température d’eau de chaudière variable et une température de gaz d’échappement assez élevée. Dans un mode de fonctionnement variable, la formation d’un condensat d’échappement dans la chambre de combustion est évitée à l’aide de combinaisons spéciales de matériaux liées à une « chambre de combustion chaude ». Il n’est toutefois pas possible d’obtenir de basses températures de gaz d’échappement avec cette construction.

Chaudière en acier chromé pour une température d’eau de chaudière variable et une basse température de gaz d’échappement. Les limites des constructions A et B ne sont plus d’application si la chaudière est faite dans une matière résistant à la corrosion. Cependant, le prix d’une chaudière en acier chromé est proportionnellement plus élevé.

Chaudière à condensation. En faisant condenser le plus possible la teneur en vapeur d’eau du gaz d’échappement (point de rosée pour le mazout EL environ 47°C, pour le gaz naturel environ 57°C), sa chaleur d’évaporation est aussi utilisée (environ 10% pour le gaz, environ 6 à 7% pour le mazout).  

Comme le rendement de la chaudière est généralement mesuré selon la valeur inférieure de chauffage HL, qui ne comprend pas la chaleur latente, le calcul du rendement relatif de la chaudière à condensation donne une valeur de plus de 100%.

Cette interprétation est bien entendu techniquement incorrecte. Il serait plus correct de calculer le rendement en fonction de la valeur de chauffage supérieure HU c’est-à-dire celle qu’on appelle « Valeur de Combustion ». Cela donnerait la quantité totale de chaleur produite en brûlant le combustible. Pour la condensation du gaz d’échappement, il est indispensable d’avoir de basses températures de retour (<40°C) pour les consommateurs de chaleur. De plus, il faut résoudre des problèmes concernant la corrosion, la pollution, les fuites et la neutralisation du condensat, etc. Ces problèmes sont beaucoup plus faciles à résoudre pour des chaudières au gaz que pour des chaudières au mazout.

6.1.1.2  Approvisionnement en eau chaude avec la chaudière

Les chaudières combinées sont des chaudières au mazout ou au gaz ayant des chaudières d’eau sanitaire intégrées. Des solutions économiquement acceptables sont possibles à l’aide des constructions actuelles pour la combinaison du chauffage et de l’approvisionnement en eau chaude.

Avec un chauffe-eau de stockage séparé (chaudière séparée) pour une consommation journalière, le chauffage électrique permet de désactiver la chaudière en été. Pour la combinaison utilisant des capteurs solaires, voir section 6.1.3.

Dans de grands systèmes, comme on a besoin de stocker une consommation journalière, de très grands volumes de stockage de chaleur sont nécessaires. De plus, la température de l’eau chaude diminue considérablement le soir à cause des pertes dans les circuits étendus, et souvent mal isolés.
L’utilisation d’une petite chaudière séparée exclusivement réservée à l’eau chaude permet d’éviter deux problèmes : Le volume de stockage requis est plus petit et la température de l’eau chaude dans l’accumulateur n’a pas besoin d’être excessivement chaude le matin pour qu’elle soit encore suffisante le soir.

6.1.1.3  Brûleurs

Les constructions de brûleur suivantes sont actuellement utilisées pour les chaudières au mazout et au gaz :

A haute pression, le mazout est pulvérisé en fines gouttelettes par les gicleurs. Il est ensuite mélangé à l’air de combustion. Plus la vaporisation est fine, meilleure est la combustion, mais plus la possibilité d’un dysfonctionnement du brûleur est élevée. Pour de petits brûleurs, le préchauffage des gicleurs permet un démarrage sans fumée.

Fig 6-1

Brûleur à pulvérisation au mazout (principe de fonctionnement) avec ligne d’alimentation de mazout (1), éventuellement ligne de retour au réservoir (2), filtre (3), pompe à mazout et vanne de régulation de la pression (4), vanne magnétique (‘5), gicleur (6), ventilateur (7), tête du brûleur (8), transformateur d’allumage (9), électrodes d’allumage (10).

L’évaporation du mazout transforme en fait le brûleur au mazout en un brûleur au gaz, produisant une flamme bleue (brûleur pilote). Cela supprime le besoin de pulvérisation, augmente la qualité de la combustion et réduit les émissions polluantes (Co, CH, NOx). Au démarrage du brûleur, un chauffage électrique produit l’évaporation, mais augmente ainsi la consommation d’énergie.

Brûleur à un étage: à partir d’environ  10 kW

Brûleur à deux étages: à partir d’environ  25 kW

Brûleur modulant (en permanence à partir d’environ 40%): à partir d’environ   200 kW

La construction et les étapes de rendement du brûleur à soufflante à gaz sont similaires au brûleur à pulvérisation à mazout. Au lieu de la finesse de pulvérisation, la densité de l’apport en gaz est ici le problème principal. La voie du gaz (3) surveille le système d’alimentation en gaz pour les fuites.

Fig 6-2

Brûleur à soufflante à gaz avec ventilateur (1), clapet d’air (2), voie de gaz (3), injecteur à gaz (4), tête du brûleur (5), transformateur d’allumage (6), électrodes d’allumage (7).

Les brûleurs à deux combustibles sont des brûleurs à soufflante qui peuvent fonctionner au gaz ou au mazout sans transformation. On peut aussi automatiquement les commuter de l’un à l’autre. Les brûleurs à deux combustibles sont commandés à un ou deux étages ou modulants et sont disponibles à partir d’environ 25 kW. Leurs avantages sont la fiabilité de l’alimentation ainsi que le prix économique du gaz grâce à la possibilité de commuter du chauffage au mazout à celui au gaz pendant les pointes d’utilisation.

6.1.1.4  Brûleur atmosphérique à gaz

La plupart des brûleurs atmosphériques à gaz sont construits soit comme une grille de brûleur avec plusieurs brûleurs à tige ou comme un brûleur annulaire conçu avec un ou plusieurs anneaux. Des gicleurs appropriés permettent une adaptation aux différents types de gaz (gaz naturel, gaz en bouteille). Il y a des brûleurs à un étage pour des rendements à partir de 2 kW ainsi que des brûleurs à deux étages ou modulants.

Le brûleur à gaz à injection appartient aussi aux brûleurs atmosphériques à gaz.
Une partie de l’air de combustion est aspirée à l’injecteur de gaz en tant qu’air primaire.
A cause de la poussée thermique, le flux d’air secondaire suit les flammes ou, en cas de plus grande résistance de la chaudière, est aspiré par un ventilateur à gaz d’échappement. L’allumage électronique remplace maintenant une flamme d’allumage qui brûle en permanence.

Fig  6-3

Brûleur atmosphérique à injection à gaz avec alimentation de gaz (1), voie de gaz (2), injecteur à gaz (3), brûleur (4), surveillance de la flamme (5), flamme d’allumage (6).

6.1.1.5  Précombustion par gaz de bois

Un générateur à gaz de bois est ajouté avant la chaudière standard sans brûleur. Ici, du bois et du bois de rebut de taille limitée et avec un taux d’humidité inférieur à 20% sont carbonisés et transformés en gaz de bois à 1000-1300°C. Ce gaz circule vers la chaudière pour être brûlé.

Sous des conditions favorables, les avantages sont :

–  rendement élevé dû à la combustion pratiquement complète des gaz de carbonisation à basse température

–  pas de carbonisation de la chaudière ou de la cheminée

–  gaz d’échappement sans fumée

–  de longs intervalles de chargement possibles

–  régulation facile du rendement.

6.1.1.6  Chauffage par morceaux de bois chargés manuellement

Des chaudières spécialement conçues pour le chargement de morceaux de bois bruts sont utilisées dans des régions rurales boisées où le transport et la préparation manuelle du bois ainsi que le chargement de la chaudière ne présentent pas de problèmes spécifiques (ex. : dans des fermes, fromageries et autres petites exploitations). De telles chaudières sont disponibles avec des rendements de chauffage d’environ 20 à 100 kW. Elles se distinguent par le type de combustion :

·    Alimentation avec combustion complète, où tout le combustible se trouve dans le feu. Des morceaux de bois sont disposés en couches pour une bonne aération et brûlent donc avec un excès d’air. Ainsi, le rendement de la combustion est un peu plus de 70%.

·    Alimentation avec combustion inférieure.  Des morceaux de bois (jusqu’à 1.60 de longueur) sont disposés en couches de manière assez compacte jusqu’à 1.5 m de hauteur et ne sont brûlés que dans la zone la plus basse. L’air de combustion est fourni par une soufflante et dosé pour une combustion optimale. Comme le bois qui n’est pas encore brûlé se trouve dans la chambre de combustion, un gaz de carbonisation se forme, qui se mélange à l’air secondaire et brûle dans une zone post-combustion spécialement conçue à cet effet. Ainsi, un rendement de combustion de plus de 90% est atteint. La combustion complète d’un chargement prend approx. 4 à 6 heures. Le rendement thermique ainsi généré satisfait généralement une demande de chauffage de 24 heures.

Selon les prescriptions de sécurité, l’installation doit être capable à n’importe quel moment de prendre ou de stocker la capacité thermique d’un chargement. C’est pourquoi de telles chaudières à morceaux de bois chargées manuellement fonctionnent presque toujours en combinaison avec un accumulateur de chaleur qui peut aussi, en cas de besoin, être alimenté électriquement.

6.1.1.7  Allumage automatique par morceaux de bois et copeaux

Les chauffages avec alimentation automatique en combustible permettent un chargement partiel entièrement automatique adapté aux demandes de chauffage jusqu’à 10% de la charge maximale. Ce n’est pas seulement possible avec un allumage au mazout ou au gaz, mais aussi avec des chauffages spéciaux au bois. Les systèmes suivants appartiennent aussi à cette construction :

·    Chauffage de sous-alimentation, avec morceaux de bois provenant d’un silo avec « hache lente »

·    Chauffage de sous-alimentation avec copeaux de bois (fig. 6-4). Selon la taille de l’installation, les copeaux sont faits avec une machine à hacher fixe appartenant à l’installation de chauffage (grands systèmes) ou avec des machines mobiles.

Fig 6-4

Chauffage automatique de sous-alimentation aux copeaux de bois

• Le problème principal ici est la teneur en humidité des copeaux. Ce dont on est sûr, c’est que les copeaux ayant un taux d’humidité de 25 à 35%, qu’ils n’acquièrent qu’après un court temps dans la forêt, brûlent bien. La teneur en soufre des « copeaux verts » est cependant élevée et leur valeur calorifique assez pauvre. Une valeur calorifique optimale et une teneur en soufre minimale sont atteintes après un temps de séchage de 3 à 4 ans. Pour une utilisation économique du matériau de bois disponible ainsi que pour l’alimentation de petites installations (à partir de 30 kW !), les copeaux devraient être accessibles depuis un grand dépôt de séchage décentralisé. 

• Chauffage à injection pour des déchets à petits grains (copeaux, poussières d’aiguisage) de l’industrie de traitement du bois.